煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化的運用研究

周 峰

（山西焦煤霍州煤電汾河焦煤公司三交河煤礦， 山西 霍州 031400）

引言

近幾年，我國煤礦工程項目呈現(xiàn)出逐步完善的發(fā)展態(tài)勢，多數(shù)礦井內(nèi)部的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開始設(shè)置相關(guān)組態(tài)軟件，能在提升整體使用效率的基礎(chǔ)上，維護(hù)管控效果和運行質(zhì)量。然而，在設(shè)備運行過程中，由于設(shè)備本身具有一定的復(fù)雜性，使得礦井結(jié)構(gòu)的工作系統(tǒng)組態(tài)軟件需要實現(xiàn)全面升級，為煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化的應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)[1]。

1 煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化應(yīng)用系統(tǒng)

1.1 機(jī)械電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由電子結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械化放大系統(tǒng)組成。兼?zhèn)潆姎饧夹g(shù)以及電子技術(shù)，能按照比例控制機(jī)械控制項目的液流方向，尤其是采煤機(jī)。系統(tǒng)基本組成見圖1。系統(tǒng)中，PID控制器是主要的運算工具，能對給定值進(jìn)行比例分析，并能有效分辨不穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。本文介紹的煤礦機(jī)械控制設(shè)備采煤機(jī)，其之所以能實現(xiàn)一體化，主要是借助電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且建構(gòu)采煤機(jī)滾筒和液壓缸控制單元。對調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行分析，利用公式ΔH=L1[sin（φ1+φ）-sinφ1]，為了求解滾筒調(diào)高參數(shù)，需對搖臂長度L、初始夾角φ1和轉(zhuǎn)動角度φ進(jìn)行分析。并且，要結(jié)合液壓缸力平衡方程Fz=P1A1-P2A2建立更加有效的干擾力分析模型，從而確保采煤機(jī)滾筒正常運行。除此之外，在對電液位置進(jìn)行判定時，煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)能結(jié)合公式kv=klkfksv/Ap等對系統(tǒng)開環(huán)增益有明確的判定，從根本上維護(hù)支護(hù)設(shè)備運行效率和實際經(jīng)濟(jì)價值。

除此之外，對電液比例系統(tǒng)的特性進(jìn)行系統(tǒng)化仿真，主要是發(fā)揮矩陣運算和圖形可視化的優(yōu)勢，能對其進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析和靜態(tài)特性分析，從而合理性選擇仿真數(shù)學(xué)模型，確保控制系統(tǒng)運行效果最優(yōu)化。將結(jié)構(gòu)以及控制參數(shù)調(diào)整在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而集中修正。一方面，在系統(tǒng)動態(tài)化響應(yīng)分析系統(tǒng)中，結(jié)合閉環(huán)傳遞函數(shù)對圖形和單位階躍響應(yīng)展開分析，系統(tǒng)中相關(guān)穩(wěn)定裕量要在規(guī)定的范圍內(nèi)，相位裕量約為91.5°、剪切頻率約為75 rad/s等，從而對控制系統(tǒng)輸出無差別輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，整合低頻段要求就能對相關(guān)函數(shù)的幅值予以處理，保證校正環(huán)節(jié)能發(fā)揮其本質(zhì)優(yōu)勢，從根本上維護(hù)信號的處理水平和整體效果。另一方面，要對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進(jìn)行分析對誤差予以判定，結(jié)合靜態(tài)誤差，就能對液壓缸的運行速率展開多元化分析，避免整機(jī)運行不暢，從而提高安全性。只有從根本上維護(hù)系統(tǒng)一階時效性，才能為后續(xù)信號傳遞和跟蹤提供保障，確保系統(tǒng)能按照標(biāo)準(zhǔn)化流程有序運行。

圖1 比例閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

1.2 機(jī)械液壓控制系統(tǒng)

在液壓控制系統(tǒng)中，液壓伺服控制系統(tǒng)、液壓比例控制系統(tǒng)等能對壓力以及流量等參數(shù)進(jìn)行集中分析和管理，結(jié)合不同控制元件，形成有效的機(jī)械控制體系，維護(hù)一體化項目的實效性。一方面，伺服閥結(jié)構(gòu)，滯環(huán)為0.1%～0.5%、中位死區(qū)為0、寬頻為100～500 Hz、過濾精度為 13/9～18/14，主要被應(yīng)用在煤礦工程機(jī)械控制的閉環(huán)系統(tǒng)中。另一方面，比例閥結(jié)構(gòu)，主要是帶電反饋比例閥，滯環(huán)為0.3%～1%、中位死區(qū)為±5%～20%、寬頻為10～70 Hz、過濾精度為16/13～18/14，主要應(yīng)用在煤礦工程機(jī)械控制的開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中。值得一提的是，在對比例方向流量閥進(jìn)行統(tǒng)籌分析后，能繪制穩(wěn)態(tài)特性圖形，見圖2。

圖2 比例方向流量閥穩(wěn)態(tài)特性

2 煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化的系統(tǒng)設(shè)計

為了進(jìn)一步提高煤礦工程機(jī)械控制項目中機(jī)電一體化的運行效率，要對不同機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)升級校正處理，本文對采煤機(jī)滾筒自適應(yīng)調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行處理，主要針對的就是校正處理機(jī)制。

首先，要對PID校正原理進(jìn)行分析，PID是機(jī)電一體化項目中的基本控制器，動態(tài)化方程為對比例單元、積分單元以及微分單元進(jìn)行組合處理。PID調(diào)節(jié)校對原理示意圖見圖3。

其次，要對調(diào)節(jié)流程進(jìn)行分析，在進(jìn)入調(diào)節(jié)機(jī)制后，要結(jié)合系統(tǒng)給定值對采樣值進(jìn)行偏差計算，有效控制系統(tǒng)運行效率，維護(hù)煤礦工程采煤機(jī)機(jī)械一體化效率，確保在不改變控制量的基礎(chǔ)上，有效維護(hù)運行過程的穩(wěn)定性。

圖3 PID調(diào)節(jié)校對原理示意圖

最后，在設(shè)備運行過程中，借助調(diào)節(jié)系統(tǒng)對額定電流、電控功率等參數(shù)進(jìn)行判定，結(jié)合，保證整體工作的可靠性，從而有效建構(gòu)數(shù)模混合系統(tǒng)。不僅要對積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)、比例系數(shù)等進(jìn)行判定，也要對系統(tǒng)空載和帶載聯(lián)調(diào)效果予以分析，完善周期內(nèi)指令的分析水平。正是由于積分環(huán)節(jié)的核算，能減少一體化機(jī)械設(shè)備運行誤差，完善系統(tǒng)跟蹤效果。

3 結(jié)語

煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化具有一定的研究價值，相關(guān)部門要結(jié)合實際需求建立健全完整且有效的管控措施，維護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)和管理需求，在提高工作效率的基礎(chǔ)上，保證成本管控效果的最優(yōu)化，實現(xiàn)煤礦工程機(jī)械控制中機(jī)電一體化項目的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。