基于模糊PID 的掘錨一體機控制系統的設計及應用

陳新銳

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008）

引言

目前，煤巷掘進應用最為廣泛的設備為掘錨一體機，但是我國針對掘錨一體機的研究還處于起步階段，尤其是對該設備的控制技術還未能夠實現對其功率的最佳匹配控制。比如：當煤層或者巖層硬度較高時，設備仍以高速運轉容易導致設備電機燒壞；而當煤層或者巖層硬度較低時，不能及時調高掘進速度，從而降低設備的掘進效率[1]。本文著重對掘錨一體機的功率匹配控制進行研究。

1 掘錨一體機總功率需求

本文以ZJM4200 掘錨機為研究對象，結合模糊控制理論對掘錨一體機的掘進功率、掘進速度與所處工作面煤層或者巖層的硬度之間的關系進行研究。此外，為保證掘錨一體機的輸出功率能夠根據工作面煤層或者巖層硬度的變化情況進行實時調整，采用模糊控制理論與PID 控制相結合的方式，保證掘錨一體機功率匹配控制的穩定性和可靠性。

為實現掘錨一體機的上述控制需求，需精確采集掘錨一體機大臂的截割位移、垂直擺角等參數，實時獲取掘錨一體機的電機工作電流、電機溫度以及液壓油壓力等參數。

根據掘錨一體機功率分配原則，要求掘錨一體機截割功率為其額定功率的85%，即對應掘錨一體機最佳截割電流值為135 A。也就是說，當截割功率為其額定功率的85%時既可滿足掘錨一體機的截割要求，又可為其保留足夠的功率余量，以確保其使用煤層或者巖層硬度的變化[2]。在理論計算的基礎上，得出不同煤巖層硬度下截割速度與截割深度和截割電流之間的關系如表1 所示。

表1 截割速度與截割電流、截割深度之間的關系

2 掘錨一體機PID 控制器的設計

2.1 掘錨一體機功率匹配控制原理

掘錨一體機電機電流值的采集是基于電流互感器實現的。通過對電流互感器所采集到的電機電流值進行分析掌握掘錨一體機電機的實時輸出功率，進而間接地反應出掘錨一體機實時面對的煤層或者巖層的硬度。

一般的，在煤巖層硬度相對穩定的工作面工作時，掘錨一體機截割電機的電流值相對穩定，而當煤巖層硬度發生突變時掘錨機截割電機的電流值會發生突變。通過對截割電流值變化量或變化率進行計算，基于模糊控制理論的PID 控制系統對掘錨一體機截割部換向閥的開口大小進行控制，從而通過對掘錨一體機大臂下擺速度的調整，實現對掘錨一體機截割電機輸出功率的控制，從而達到掘錨一體機高效掘進的目的[3]。功率匹配控制原理如下：當控制系統所檢測到掘錨一體機截割電流值小于其電機的額定電流值時，通過增大掘錨一體機大臂的擺動速度，增大其截割深度，對應的截割阻力也增大，從而使其截割電流值增大，最終保證掘錨一體機的高效運轉；當控制系統檢測到掘錨一體機截割電流值大于其電機的額定電流值時，通過減小掘錨一體機大臂的擺動速度，使其截割部所承受的載荷減小，對應電機的電流值也減小。

2.2 掘錨一體機模糊PID 控制器的設計

掘錨一體機的截割速度在一定程度上與煤巖層的硬度相關。為了保證巷道的掘進效率不受影響，需根據巷道煤巖層的硬度對其大臂垂直擺動速度進行高效控制。具體控制流程如下。

掘錨一體機模糊控制器通過采集到截割電機的實時電流值（電流值可通過表1 中的關系進行換算）與所檢測到大臂的擺動速度進行對比，通過對比結果模糊控制器得出對應的控制結果，并控制電比例閥的輸出電流，從而實現對大臂擺動液壓缸伸縮速度的控制，最終實現對掘錨一體機大臂擺動速度的控制[4]。

針對掘錨一體機，為其大臂垂直擺動速度的控制設計如式（1）所示的傳遞函數：

2.3 掘錨一體機模糊PID 控制系統的仿真分析

設定掘錨一體機的大臂的初始擺動速度為7 m/min，截割電機的初始電流值為135 A，為驗證傳統掘錨一體機功率匹配控制和基于模糊控制理論與PID 控制器相結合控制系統的控制效果，在上述初始條件下延時5 s 給定階躍信號，對比不同控制系統下大臂擺動速度和截割電機電流值的控制效果。經仿真分析可知：

2.3.1 掘錨一體機大臂擺動速度仿真

仿真結果如圖1 所示。

圖1 大臂擺動速度仿真結果

如圖1 所示，對于大臂擺動速度的控制而言，在傳統控制系統下掘錨一體機在5.9 s 左右可穩定在階躍信號下對應大臂的擺動速度3.5 m/min，而采用模糊控制理論和PID 控制器相結合的控制系統在5.6 s 即可達到平衡狀態。而且，在模糊控制理論下大臂擺動速度的振幅較小，振蕩較少。

2.3.2 掘錨一體機截割電機電流仿真

仿真結果如圖2 所示。

對于截割電機的控制而言，在傳統控制系統下掘錨一體機在7.3 s 左右可重新穩定于135 A，而采用模糊控制理論和PID 控制器相結合的控制系統在7.0 s 即可達到平衡狀態。而且，在模糊控制理論下大臂擺動速度的振幅較小，振蕩較少[5]。

圖2 截割電機電流曲線

通過仿真分析可知，基于模糊控制理論和PID控制器相結合的控制系統可確保掘錨一體機功率匹配控制的振幅小于3%，且從突變工況到最終趨于穩定所需時間小于0.6 s。

3 掘錨一體機功率匹配控制系統的應用

將上述控制系統應用于實際掘進任務中，并對相關數據進行采集得出如表2 所示的結果。

表2 掘錨一體機功率匹配應用效果

表2 與表1 對比可得，在相同截割速度和同等硬度的煤巖層下表2 中的實際截割深度與截割電流值與表1 中的理論值幾乎一致，即證明所提出了功率匹配控制系統具有優良的控制效果。

4 結語

為實現設備的高效、安全生產，要求掘錨一體機可根據所截割煤巖的硬度對其截割速度、截割深度進行調整。本文所設計的基于模糊控制理論和PID控制相結合的控制系統可確保掘錨一體機功率匹配控制的振幅小于3%，且從突變工況到最終趨于穩定所需時間小于0.6 s，可實現對掘錨一體機功率的精準控制。