采煤機自適應調高控制系統的優化研究

孫洪敏

（同煤集團煤峪口礦， 山西 大同 037001）

引言

采煤機作為煤礦井下綜采設備的核心，主要依靠調節搖臂的截割角度來滿足不同區域的截割控制需求，由于采煤機截割作業過程中會受到來自巖壁的交變載荷沖擊作用，導致搖臂調節過程中會出現一定的跳動和偏差，現有的采煤機搖臂高度調節控制系統主要采用了PID 控制模式，雖然控制邏輯簡單、穩定性好，但無法適應采煤機自主截割時的控制精度需求，在實際使用過程中經常出現截割滾筒觸頂事故，給煤礦井下的綜采效率和安全帶來了嚴重的隱患。本文提出了一種新的采煤機自適應調節控制系統，根據采煤機搖臂工作過程中所存在的時變形性、數據采樣不均勻性，在對搖臂工作過程中的調節誤差進行充分分析的基礎上，建立了自適應調節控制修正邏輯，實現了不同工況下對搖臂調節的自適應修正，根據仿真分析結果表明，該自適應調高控制系統能夠實現對搖臂±0.2 m 的調高控制精度，跟蹤誤差小、準確度高，顯著提升了采煤機的調高控制精度。

1 搖臂高度控制系統

采煤機的搖臂調高控制系統主要由搖臂、截割滾筒、液壓執行機構和控制系統構成。在工作時通過控制系統接收采煤機控制中心發來的控制指令，然后通過控制液壓執行機構進行調整，控制搖臂的截割角度和高度，滿足井下不同高度綜采面的綜采需求。以MWG-200/475 型采煤機為例，采用閥控缸動力機構，要求在不同高度進行截割時能夠快速鎖定，在調節時能夠快速解鎖并移動到位。

在調節過程中，對采煤機截割滾筒高度進行精確監控。目前對搖臂高度的監測主要有兩種，一種是利用角度傳感器對搖臂的角度變化情況進行監控，通過預先設定的角度和高度的對應關系來實現對截割高度的判斷，另一種是通過對液壓控制系統中執行油缸的行程監測[1]，來推算出截割滾筒的實際工作高度。由于角度傳感器需要設置在搖臂和機身下側，結構外置而且結構滾筒截割作業時在截割載荷沖擊下會產生一定的振蕩，會對角度傳感器的監測精度會產生較大的影響。對執行油缸活塞桿行程監測的方案不僅監測精度更高，而且控制系統能夠直接控制活塞桿的行程情況，具有更快的響應速度，因此更適合自動化截割作業模式下的快速調節需求。因此在新的自適應高度調節控制系統中，對搖臂截割滾筒高度的監測選用了第二種模式。采煤機調高控制系統結構如圖1 所示。

圖1 搖臂調高控制系統結構示意圖

由圖1 可知，在工作時電動機3 帶動泵4 將油液從油缸1 中抽出，經過凈化過濾器2、電磁換向閥6、單向閥9/10 后進入到執行油缸11 內，控制活塞桿的運動，進而實現對采煤機搖臂工作高度的調整。同時為了確保截割高度調整的快捷性和靈敏性，在系統內增加了快速差動回路，通過在單向閥下游設置液控閥7/8，當進行高度調節時從執行油缸內排出的油液能夠快速進入到活塞桿的另一側，既能夠提升調節的反應速度又能夠加快搖臂調節速度，提升采煤機的截割效率。

2 自適應模糊控制器

由于采煤機在工作時搖臂會受到交變載荷的沖擊作用，導致執行油缸的活塞桿會出現小范圍的波動，傳統的PID 控制模式邏輯控制相對簡單，在控制中無法對活塞桿的波動進行模糊化分析，導致調節精度差[2]達到了±0.8 m，難以滿足采煤機自動截割控制所需的精度要求。因此本文提出了自適應模糊控制原理，將自適應控制邏輯輸入到自適應模糊控制器內，降低了模糊規則的數量，在保證控制系統良好魯棒性的基礎上，增加了自適應控制邏輯，能夠對活塞桿的波動情況進行自適應分析，給出核實的調節余量，滿足了調節精度的控制需求。

由于搖臂在截割作業時的抖動特性，因此無法直接利用活塞桿的行程監測數據來進行調節控制，因此在自適應模糊控制系統中，需要系統的輸出變量能夠迅速跟進采煤機的截割規劃路徑參數，設定自適應模糊控制器的輸出信號為y（t），采煤機搖臂的截割規劃路徑參數為xd，則系統在工作時的跟蹤誤差 e（t）可表示為：

結合采煤機搖臂調節控制需求，該自適應控制系統的控制邏輯可表示為[3]：

式中：u（t）為系統的輸入控制量；b 為非線性控制函數；f（x，t）為活塞桿振蕩控制函數；d（t）為活塞桿位移變化函數；xd（n）為系統輸出時變函數；usw為系統模糊逼近控制函數。

3 系統仿真分析

為了驗證該采煤機自適應調高控制系統的控制效果，利用MATLAB 仿真分析軟件建立調高系統的自適應調高控制模式，根據MWG-200/475 型采煤機的實際參數，設置執行油缸的有效面積為0.113 m2，活塞桿滑動時的摩擦力為350 N，液壓油的彈性模量為1 000 MPa，油液的密度為900 kg/m3，執行油缸的油液泄露系數為1，該控制系統的模糊控制原理如圖2 所示[4]。

由于目前采煤機主要通過PID 控制模式對搖臂的運行情況進行調整，因此為了確定新的控制系統的應用效果，將其與PID 控制進行對比，不同控制方式下的位移跟蹤曲線和跟蹤誤差曲線如圖3 所示。

圖2 自適應調節控制邏輯示意圖

圖3 不同控制方式下的控制誤差對比

由圖3-1 可知，在控制過程中PID 控制情況下的位移跟蹤與輸入的控制信號存在一定的差異性，特別是在位移變化的時候，自適應滑模控制表現出了更快的響應速度和更高的跟蹤精度，穩定性優于PID 控制。由圖3-2 可知，在PID 控制模式下，偏差變化量達到了-0.6～+1 m，而在新的自適應控制模式下的偏差變化量最大為-0.3～+0.1 m，顯著提升了采煤機搖臂的調節控制精度和穩定性。

4 結論

1）執行油缸活塞桿行程監測的方案不僅監測精度更高，而且控制系統能夠直接控制活塞桿的行程情況，具有更快的響應速度，更高的調節靈敏性；

2）自適應模糊控制系統，在保證了控制系統良好魯棒性的基礎上，增加了自適應控制邏輯，能夠對活塞桿的波動情況進行自適應分析，滿足了調節精度的控制需求。

3）自適應模糊控制精度約為±0.2 m，具有更高的控制精度和更優的調節靈敏性。