掘進機推進系統不同電液控制方式的研究

于志強

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037003）

引言

在全斷面掘進機進行巷道掘進的過程中，由于井下環境的復雜性，使得掘進機在作業過程中的掘進速度需依據不同的工況得到及時調整，滿足安全高效的作業。對于掘進機的掘進速度，主要是通過推進系統進行調節的[1]，對于推進系統的系統，目前主要采用的方式為采用液壓系統實現自動化控制，這是由于液壓系統相對于電機驅動，不需要高壓電源的供電，容易實現同步控制。采用液壓系統進行掘進速度控制的精確性，常用的主要有普通的PID 控制方式，為目前使用較多的控制方式，而隨著控制技術的發展，模糊PID 控制的出現，給液壓系統的控制提供了新的方式，對于這兩種控制方式的優劣，采用AMESim 進行液壓系統的建模，并進行兩種不同控制方式的仿真分析。

1 掘進機推進系統及其控制方式

1.1 掘進機液壓推進系統

掘進機的系統組成示意圖如圖1 所示，推進系統采用液壓系統提供動力，以推進油缸作為執行元件，推動主軸及刀盤克服阻力進行掘進。在進行推進的過程中，通過前支撐的上下支撐部分來調整機身，前后支撐靴在油缸的調節下進行固定。在掘進機進行掘進時，前后支撐靴起固定機身的作用，通過推進系統的液壓系統來控制推進油缸，實現掘進機的推進，在推進油缸的作用下，刀盤進行巖層的切割，并將碎石進行輸出[2]，完成切割過程。推進系統的液壓系統主要由油箱、液壓泵、推進油缸、比例閥及相應的傳感器組成。液壓泵采用斜盤結構軸向柱塞變量泵，通過恒功率閥及相應的連接結構，保證液壓泵的恒功率輸出。

圖1 掘進機系統示意

對于掘進機推進系統的液壓系統，采用AMESim 軟件進行液壓系統的建模。AMESim 軟件是液壓、機械、控制等多學科系統的綜合建模應用仿真平臺，可以實現系統的交叉控制仿真，避免模型的相互傳輸及平臺的切換使用，提高仿真分析的靈活性。采用AMESim 進行系統的仿真分析，分為四個主要步驟，包括草圖繪制、選型、賦值及仿真分析。依據掘進機推進系統的液壓原理及組成，采用AMEsim 建立液壓系統的模型如圖2 所示。

圖2 推進系統液壓模型

1.2 液壓推進系統的控制方式

隨著工業技術的不斷進步，對于工業控制的精度要求越來越高。在工業控制領域，面臨著多樣的環境變換及參數的不可控，為了解決這一問題，PID 控制方式成為了較多的選擇。PID 控制方式經過較長時間的使用及驗證，具有良好的控制效果，并且技術發展較為成熟，在工業自動化控制領域具有廣泛的應用。PID 控制效果突出，可以對變量進行實時糾正，并且控制結構也簡單，并且控制過程不需要精確的數學模型，能直接對被控制量進行監視及反饋。模糊控制相對于控制理論是較大的提升[3]，不依靠數學模型來進行控制器的創建，通過模糊集合采用一定的模糊規則進行推理，來實現控制的精確性。

PID 控制通過系統的比例、微分、積分系數進行調節，而模糊PID 控制則相對于PID 控制增加了模糊控制器進行調節，通過合適的轉換開關量[4]，來進行系統的調節控制。模糊PID 控制相對于PID 控制出現的時間不長，在掘進機推進系統中的應用尚不廣泛，對于其控制性能，需要進行進一步的驗證。

2 基于AMESim掘進機推進系統的仿真分析

根據使用的掘進機液壓系統參數對于建立的液壓系統模型進行元件的賦值，采用MATLAB 進行模糊算法的編寫，將MATLAB 作為AMEsim數據處理的工具[5]，進行液壓系統的仿真分析。依據系統使用實際操作的PID參數，設定變化的負載推力如圖3 所示。

圖3 負載推力變化曲線

依據圖3 中的負載曲線分別對推進液壓系統進行PID 控制和模糊PID 控制，依據模型進行仿真分析，在運行過程中，設定同樣的干擾信號，對于系統的響應仿真分析得到如圖4 所示的結果曲線。從圖4 可以看出，兩種不同形式的控制方式在負載干擾的情況下，模糊PID 控制方式的調節效果要明顯的好于普通的PID 控制方式，具有較高的響應速度，產生較小的波動，并且在穩定性、超調量上都要比普通的PID 控制方式效果要好，這說明了模糊PID 控制對于掘進機液壓推進系統具有較好的實用性，可以提高系統的性能。

圖4 液壓推進系統響應曲線圖

3 結論

1）模糊PID 控制方式的調節效果要明顯地好于普通的PID 控制方式，在掘進機的液壓推進系統中具有較高的響應速度，產生較小的波動，可以提高掘進機液壓推進系統的穩定性，并且在超調量上要小于普通的PID控制方式，有利于減小元件在使用過程中的沖擊性，提高元件的使用壽命，提高系統的效率。

2）采用模糊PID 控制對于掘進機液壓推進系統具有較好的實用性，可以提高系統的性能，結合全斷面掘進機的高效率掘進，可以實現煤礦的高效開采，滿足煤炭的大量需求。