采煤機自動調高系統的滑模控制研究

張志忠

（華陽新材料科技集團機電設備管理中心，山西 陽泉045000）

引言

采煤機、刮板輸送機以及液壓支架為綜采工作面的三大機電設備，號稱工作面的“三機”。在實際生產中，采煤機、刮板輸送機以及液壓支架三機的匹配程度直接決定工作面煤炭的生產效率和安全程度，即要求實現三機聯動，完成對三機的協調控制。目前，刮板輸送機和液壓支架目前已經實現了聯動自動化控制，而對于采煤機而言其單機控制功能還未真正意義上實現，更別說與刮板輸送機和液壓支架的三機聯動控制[1]。實現采煤機自動化控制的關鍵在于解決其根據工作面煤層、地質等條件對其滾筒高度進行自適應調整。為此，本文研究滑模控制理念在采煤機滾筒自動調高系統中的應用，具體闡述如下。

1 采煤機自動調高控制關鍵技術研究

采煤機自動調高系統的控制對象可以是搖臂、也可以是系統的截割部，還可以是采煤機本身，其控制目的是要求自動調高系統能夠根據煤層厚度、硬度以及地質等條件完成對滾筒截割高度的自適應控制，從而保證采煤機的最佳截割效果，提升綜采工作面煤炭資源的回采率。目前，針對采煤機自動調高系統主要是對設備的搖臂高度進行調整，其具有調高范圍大、裝煤效果好等優勢。而且，調整采煤機搖臂的調高方式其對應的調高油缸的安裝方式和位置相對靈活[2]。本文所研究采煤機自動調高系統的控制對象為搖臂，且調高油缸的安裝方式為水平安裝。

目前，實現采煤機自動調高功能主要基于記憶切割技術，其對應的控制原理框圖如圖1所示。

圖1 基于記憶切割技術的自動調高控制原理框圖

如圖1所示，基于記憶切割技術的采煤機自動調高控制系統主要包括有控制系統、反饋系統、驅動系統、液壓系統以及機械系統等分系統。其中，反饋系統主要基于煤巖界面自動識別系統以及相關數據采集部件對所截割煤層的相關參數進行采集；控制系統根據反饋系統的監測參數完成對搖臂的自動調高控制和采煤機牽引速度、牽引方向的控制。分析圖1可知，實現采煤機的自動調高功能需對實時截割煤層的特性進行充分掌握，對采煤機滾筒的負載特性進行充分掌握，在此基礎上還需有效、可靠自動調高控制策略實現對采煤機截割高度的控制。

目前，針對采煤機滾筒負載特性和工作面煤巖自動識別技術的研究已經相對成熟。本文將重點對采煤機自動調高系統的控制策略進行研究。

2 采煤機自動調高系統及控制策略研究

2.1 采煤機自動調高液壓控制系統

采煤機自動調高控制系統包括通過基于換向閥對調高油缸進行控制的繼電器控制系統，還包括通過基于電液比例實現的連續控制系統。兩種液壓控制系統的對比具體闡述如下：

基于換向閥實現采煤機自動調高功能的液壓系統具有結構簡單、成本低等優勢。但是，此種液壓控制系統無法結合采煤機的記憶截割功能完成對工作面煤層的截割。總的來說，基于換向閥對調高油缸的控制其整體控制性能較差，無法適應采煤機在實際生產過程中的復雜工況。

基于電液比例閥實現對采煤機搖臂或者截割部的自動調高能夠復現上一個生產循環的截割參數，包括截割深度、截割速度以及搖臂高度等。

綜上所述，本文將采用以電液比例或伺服液壓控制系統為基礎實現采煤機的自動調高功能。

2.2 采煤機自動調高系統控制策略

鑒于采煤機在實際截割過程中截割部的負載特性相對復雜，導致其液壓伺服控制系統的控制參數在實際生產過程中會受到較大的擾動，從而無法保證采煤機按照預期完成其滾筒的自動調高功能。目前，工業生產中可靠性較高的控制策略包括有PID控制策略、模糊PID控制策略以及滑模控制策略等。

經對當前可應用于采煤機自動調高控制策略研究可知，目前主要以神經網絡和模糊控制的應用最為廣泛。但是，神經網絡和模糊控制還無法很好地適應采煤機在實際生產中的參數突變性和非線性的問題[3]。因此，急需將一種有效控制策略應用于采煤機的自動調高控制中，滑模控制具有較強的不確定動態特性，尤其適用于非線性系統中。因此，為提升采煤機自動調高系統的可靠性和穩定性，本文將滑模控制理念應用于自動調高控制系統中。

3 采煤機自動調高滑模控制系統研究

3.1 滑模控制傳遞函數的設計

從理論上講，滑模控制又稱為變結構控制，其可有效解決在實際控制過程中所存在的模型結構與參數不符的問題。鑒于采煤機自動調高系統本身就屬于非線性、參數時變的控制系統，尤其是設備在實際生產過程中各類液壓元器件的相關系數、介質溫度等工況參數的變化對整體運行的影響較大。因此，將滑模控制理念應用于采煤機自動調高控制是提升其控制效果最有效的方法。采煤機自動調高伺服控制系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 采煤機自動調高伺服控制系統結構框圖

圖2中，f1為外界對采煤機穩定運行的擾動；y為伺服控制系統對調高油缸控制的位移量。基于滑模控制實現對采煤機的自動調高功能需完成兩個核心步驟：

1）建立采煤機伺服控制系統的傳遞函數；

2）設計可匹配的滑模控制器，并提出有效的滑模控制規律。

綜合上述兩步驟的結果最終得出滑模控制函數，如式（1）所示：

式中：kv是與采煤機調高系統中調高油缸活塞左右兩個腔內的有效面積相關的系數，結合所研究采煤機的相關參數，取200；wh為采煤機調高系統中調高油缸的固有頻率，取26 Hz；ξh為調高液壓系統的阻尼比，取0.2。

3.2 滑模控制效果的驗證

為驗證3.1中針對采煤機自動調高所設計滑模控制策略的控制效果，本節將對滑模控制器和傳統PID控制器下對應采煤機自動調高系統的控制效果進行對比，主要考核項為對比兩種控制策略下采煤機調高系統是否能夠按照預定路徑對截割高度進行調整，并具體分析兩種控制策略下的控制誤差[4]。

假設采煤機按照正弦曲線的路徑對工作面的煤層進行截割，即驗證滑模控制和傳統PID控制下采煤機截割高度是否與正弦曲線相匹配，仿真結果分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同控制策略下軌跡的跟蹤情況對比

圖4 不同控制策略下對應的跟蹤誤差情況對比

由仿真結果可知，當滑模形成后，基于滑模控制下采煤機截割部與設定正弦曲線的匹配程度更好，且基于滑模控制的跟蹤誤差在系統形成滑模后其比傳統PID控制跟蹤誤差小的多[5]。也就說，基于滑模控制能夠保證采煤機自動調高系統獲得更好的控制效果。

4 結論

采煤機作為綜采工作面的關鍵生產設備，其生產效率直接決定綜采工作面的生產能力。為保證采煤機能夠根據其實際工況對其截割高度進行實時、快速控制，將滑模控制理念應用于采煤機自動調高系統中。經仿真分析可知，基于滑模控制能夠確保采煤機截割部按照預定路徑完成截割任務，且跟蹤誤差遠小于傳統PID控制下的誤差。