基于滑模變結構控制的采煤機截割滾筒調高策略研究

陳福威

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦,山西 古交 030203）

引言

采煤機作為綜采面實現落煤的設備，其工作的自動化程度直接關系著綜采面的自動化水平。采煤機在工作時需要根據煤層的厚度和走向不斷對截割機構的高度進行調節，避免切割到巷道內的巖壁，同時獲得最大的煤炭采出率。現有的采煤機高度調節控制系統主要是依靠操作人員人工對煤壁狀態進行判斷進而對截割滾筒的高度和走向進行調整，但煤礦井下綜采面工作環境極端惡劣，嚴重限制了人工調整的可靠性，頻繁造成截齒觸壁折斷、漏采等異常，嚴重地影響著煤礦井下的綜采效率[1]。因此迫切需要開發一種新的能對采煤機的截割滾筒高度進行自動調節的控制系統，提高截割機構工作的自動化程度和可靠性。

1 采煤機調高系統的組成及數學模型

采煤機的驅動滾筒調高控制系統主要包括液壓控制系統、搖臂、執行油缸及截割滾筒，液壓系統是采煤機截割機構執行調高的動力系統，利用電液比例控制閥實現對截割滾筒運行狀態的精確調節。在采煤機的調高液壓控制系統中還包括了兩組由單向閥構成的閉鎖回路，用于確保截割滾筒在任意高度上的定位，采煤機調高控制系統的組成如圖1所示。

在進行分析時對采煤機調高控制系統中影響較小的運行黏性阻尼系數和外部載荷波動變量造成的影響進行忽略，因此采煤機電液控制系統中調高控制系統的數學模型可表示為[2]：

圖1 采煤機調高系統結構組成

式中：A1為調高執行油缸有桿腔的面積；A2為調高執行油缸無桿腔的面積；Kq為液壓系統工作時液壓油流量的等效系數；Kp為液壓系統工作時液壓油流量的流量增益系數；Kf為液壓系統工作時液壓油流量的流量反饋系數；ωh為系統工作時的固有頻率。

采煤機液壓調高系統在工作時存在著慣性負載的作用，因此可將采煤機截割滾筒調高控制液壓缸活塞桿的位移情況與液壓油流量的數學模型表示為：

式中：Xp為調高執行油缸活塞桿位移；Qp為液壓油的流量；εh為系統工作時的阻尼比。

2 基于滑模變結構控制的采煤機調高控制原理

采煤機的截割滾筒高度調節機構在進行高度調整時要同時受到煤壁對滾筒的截割阻力及截割機構自身重力的影響，并且煤礦井下綜采面的地質條件十分復雜、煤層走向分布呈現出了無規律特性，采煤機在截割作業時受到的煤層的截割阻力也同樣表現出了不規則的特點，因此對采煤機自動調高機構產生了極大的干擾。為了將外界環境因素對采煤機調高機構高度調節特性的影響降到最低，本文提出了新的基于滑模變結構控制的采煤機截割滾筒調高策略，從而確保調高控制系統對截割滾筒規劃路徑的精確跟蹤，在調高過程中利用不斷變化控制參數來實現系統調整能夠沿著規劃的滑模面進行滑動，將外界參數射動和干擾對系統調節的影響降低[3]。

基于滑模變結構控制的采煤機截割滾筒調高策略在對采煤機截割機構高度進行調節時首先根據采煤機電液控制系統的調高控制數學模型建立一個切換控制面S，使確定的采煤機滑動控制模態實現漸進穩定的動態滑動品質，然后利用液壓缸活塞桿的位移情況與液壓油流量的數學模型設計采煤機滑模控制律μ，使滑模變結構控制滿足調高控制條件，在切換控制面上產生一個滑動模態控制區域，利用滑動模態控制律μ將滑模抖動進行削弱，確保采煤機調高系統在高度調節過程中的穩定性、精確性、靈敏性和可靠性。

采煤機滑模變結構控制的數學函數可表示為[4]：

式中：c1、c2均為高度變量。

3 采煤機調高控制策略的仿真分析

為了確定該調高控制策略的控制效果，本文根據采煤機工作時的實際情況，將執行油缸工作時的固有頻率設定為25 Hz，液壓控制系統的阻尼比設定為0.2，對滑模變結構控制過程進行正弦波和方波的控制效果進行驗證并根據控制方程利用PID控制器對控制效果進行仿真分析，仿真結果如圖2、圖3所示。

由仿真分析結果可知，對于在調高控制系統中分別給定的方波和正弦波的調節控制信號，分別采用了傳統的PID模糊控制與新的基于滑模變結構控制進行跟蹤對比，在初始的滑模控制面的行程過程中所采用的為指數趨近控制率，能夠確保控制信號在較短的時間內達到滑模控制面，在整個調控過程中滑模變結構控制能不斷地根據外界反饋情況對控制信號進行修正，因此可以看出當進入到滑模面控制后，新的基于滑模變結構控制策略能夠表現出比傳統的PID模糊控制更好的修正調節效果，完全滿足了對采煤機調高系統在高度調節過程中的穩定性、精確性、靈敏性和可靠性的要求。

圖2 PID與滑模控制的方波與正弦信號跟蹤仿真

圖3 PID與滑模控制的方波與正弦信號跟蹤誤差

4 結論

本文仿真分析的滑模變結構調控策略完全滿足采煤機截割機構在高度調節過程中快速、靈敏、可靠的要求，極大地提升了采煤機高度調節的穩定性。