滾筒采煤機電液比例調高系統仿真試驗*

張 韜

(鎮城底礦生活公司，山西 太原 030200)

0 引 言

鎮城底礦為基建礦井，開采年限長、設備老舊、自動化程度低。 采煤機的自動化改造過程涉及滾筒調高系統、機身牽引設備以及滾筒轉速三個部分，而實現滾筒調高系統的自動控制是采煤機升級迭代的關鍵一步。

現有綜采工作面滾筒采煤機采用的液壓調高系統，其主控閥類型為電磁換向閥，控制方式為人工控制。 該類型調高系統存在便捷性差、控制精度低的缺點。 通過對電液比例技術的研究分析，借助電液比例方向閥線性輸出、控制精度高、抗油污能力強、投入成本可控等優勢，并且嘗試引入更有效的智能控制策略——單神經元PID 控制策略，實現采煤機自動調高系統的精確控制、快速跟蹤響應的控制效果。

1 電液比例調高控制系統

滾筒采煤機生產運行過程中，需對高度進行靈活、快速、精準調節，而實現采煤機高效快速掘進，則需要通過提升設備自動化、智能化水平來實現。 采煤機的調高控制系統設計涉及了機械、液壓、控制等多學科，專業跨度大，復雜程度高。

圖1 為滾筒采煤機調高控制系統閉環示意圖。

圖1 滾筒采煤機調高控制系統閉環示意圖

系統加裝位移傳感器用于采集活塞桿實時位移數據，取采集到的檢測信號與給定信號差值為誤差信號，將誤差信號輸入控制器，由提前設定的控制策略調節電液比例方向閥，達到控制目標。 通過分析不難得出，控制策略的選擇將直接影響響應速度與控制精度；方向閥的設備性能直接決定控制策略是否有效[1]。

為了解決方向閥控制精度與跟蹤響應速度的問題，選擇采用單神經元PID 控制器的控制策略。 單神經元PID 控制是結合了增量式PID 和神經網絡控制得到的，是對傳統PID 控制的優化迭代，實現了控制變量Kp、Ki、Kd的動態調整，具有良好的非線性與魯棒性。 此外，對電液比例技術的選擇，則是為了改變原有采煤機電磁換向閥穩定性差、控制精度低的劣勢，通過引入電液比例方向閥，實現輸入、輸出信號的線性關聯，避免油液污染，兼顧了成本投入與設備性能。

為了確保上述控制系統達到預期目的，需進行關鍵元器件選型。

(1) 電液比例方向閥 電液比例方向閥具有良好的壓力補償能力，不會因負載的波動導致輸出壓力和流量產生較大的變化，連續、按比例的對油流進行控制。 電液比例方向閥通常與功率放大器搭配使用。因系統位置信息采集由位移傳感器負責，方向閥內部不需要再次采集位移信息，最終選擇GDBFW-03-3C4 型隔爆直通式電液比例方向閥。

(2) 調高液壓缸 調高液壓缸主要作用是調節活塞桿，改變截割滾筒的高度和位置，同樣作為調高系統的重要執行部件，結合截割滾筒的工作要求，最終選擇采用W70L-11CA80B7B160AA 型號調高液壓缸。

(3) 位移傳感器 作為反饋數據采集的重要元器件，除了對數據采集進度、行程長度有要求外，同樣需要關注其防爆性與抗沖擊能力，最終選擇M-0250-D300-A01 型位移傳感器[2]。

2 系統建模與理論驗證

完成設備選型后，對電液比例調高控制系統進行系統建模與理論驗證。 除了電液比例方向閥、調高液壓缸、位移傳感器，控制系統還包括比較單元、控制器、功率放大器等。 此外，采煤機運行過程中不可避免地受到截割阻力，故還需要將系統外部負載擾動考慮在內[3]。

(1) 功率放大器 功率放大器通過控制信號電流的大小影響作用在方向閥的電磁力，達到比例調節的目的。 功率放大器的調節模型，可視作比例環節。故得到其傳遞函數Gf(s):

式中:Kf為為放大器增益，A/V。

(2) 電液比例方向閥 實際運行過程中，電液比例控制閥響應速度相較于調高液壓缸要快許多，并且電液比例方向閥運行狀態與功率放大器保持一致，故其數學模型可表示為傳遞函數Gdy(s):

式中:Kdy為放大器增益， 單位為m3(s·A)-1。

(3) 調高液壓缸 調高液壓缸作為調高系統物理實現性能的重要部件，其實際運行過程中受到多種擾動因素及變量的影響，為了兼顧模型準確性與建模難度，需要對部分影響采煤機調高系統運行的因素進行理想化處理。 參考文獻[4]中的推導方法，得到調高液壓缸的傳遞函數Gtg(s)為:

式中:Kq為流量增益系數；Am為活塞平均面積；Xv為閥芯位移；A1為無桿腔有效面積；Vt為等效總容積；βe為油液體積彈性模量；FL為活塞伸出時的外負載；Wh為液壓缸固有頻率；ξh為液壓缸阻尼比。

為了便于計算處理，將公式(3)進行如下近似處理: ①視系統油源的供油壓力保持穩定，即Ps為常數；②系統供油的油液溫度與油液密度恒定，可不考慮因油液溫度與密度變化帶來的影響。

(4) 位移傳感器 位移傳感器通過采集液壓缸活塞位移信號作為輸入信號，輸出反饋電信號給控制器，對采煤機調高系統運行狀況進行及時反饋。 得到其傳遞函數Gwy(s)為[5]:

式中:Kwy為增益系數。

(5) 理論驗證 單神經元PID 控制器的相應速度與抗干擾性能可通過系統仿真驗證。 給定系統外部負載為200 kN，對應活塞桿位移量為1 mm，取0 ～10 s 相應曲線，并與傳統PID 控制策略進行對比，取Kp＝4、Ki＝2、Kd＝0.1，可得到圖2 所示的仿真曲線。

對圖2 進行分析，1＃實線為傳統PID 控制器的系統響應曲線；2＃虛線為單神經元PID 控制器的系統相應曲線。 1＃實線超調量為0.24 mm，調整至穩態耗時4.5 s；2＃虛線超調量為0.1 mm，調整至穩態耗時1.5 s。 單神經元PID 控制器響應速度更快，控制效果更好。

圖2 系統響應曲線

進一步，驗證其抗干擾性。 在第6 s 將負載增加200 kN，觀察其恢復至穩態的時間，得到圖3 所示仿真曲線。

對圖3 進行分析，1＃實線超調量為0.11 mm，調整至穩態耗時3 s；2＃虛線超調量為0.04 mm，調整至穩態耗時1.5 s。 單神經元PID 控制器魯棒性更好，恢復穩態速度更快。

圖3 擾動突增響應曲線

3 應用效果

通過半實物仿真平臺對單神經元PID 控制策略與電液比例調高技術應用效果進行驗證，單神經元PID 控制器通過Simulunk 仿真平臺模擬，用調高油缸、電液比例發、位移傳感器搭建調高系統，軟硬件之間的信號傳輸通過數據采集卡完成，系統選用的是研華公司的PCL-1800 型號板卡。 半實物平臺如圖4所示。

圖4 電液比例調高系統半實物仿真

電液比例調高控制系統的跟蹤精度、控制效果可通過觀察其跟蹤誤差與采樣誤差得到，為了結果更加直觀，仍選擇傳統PID 控制器作為標定對象。 設定調高油缸的軌跡為正弦曲線，滿足:

式中:x為水平位移量，m；htg表示油缸高度，mm。

水平移動速度設定為4 m/min。 滾筒軌跡跟蹤誤差對比圖如圖5 所示。

圖5 滾筒軌跡跟蹤誤差對比圖

對圖5 進行分析，可觀察到，同一時刻單神經元PID 控制器的跟蹤誤差均小于傳統PID 控制器，單神經元PID 控制器的引入可實現電液比例調高系統的快速響應與運行精度。 傳統PID 控制與單神經元PID 控制采樣誤差如圖6、7 所示。

圖6 傳統PID 控制采樣誤差

通過采樣誤差對比，得出在采煤機運行過程中，同一時刻單神經元PID 控制器的采樣誤差更小，波動更平緩。

圖7 單神經元PID 控制采樣誤差

4 結 論

通過對采煤機調高系統的分析比對，分析了電液比例控制系統的實現原理，確定了采煤機主要元器件具體型號，并分別通過理論仿真與半實物平臺對單神經元PID 控制與電液比例調高系統性能實現進行驗證。 得到如下結論。

(1) 建立的電力比例方向閥到調高液壓缸的數學模型及分析結果，對后續相關研究具有借鑒作用。

(2) 單神經元PID 控制器的引入，能減少人工操作的復雜程度，且響應速度更快，抗擾動能力更強。

(3) 應用電液比例控制系統使得跟蹤能力更快，跟蹤誤差更小，對鎮城底礦現網設備升級改造提供了合理的可行性方案。