基于模糊PID算法的采煤機記憶截割路徑自適應研究

朱志英

（烏蘭察布職業學院，內蒙古自治區烏蘭察布市，012000）

基于模糊PID算法的采煤機記憶截割路徑自適應研究

朱志英

（烏蘭察布職業學院，內蒙古自治區烏蘭察布市，012000）

針對綜采工作面采煤機滾筒截割路徑不確定的特點，以采煤機記憶截割路徑相應位置的截割參數為基礎，利用模糊PID算法對截割滾筒油缸進行控制，使得在記憶截割路徑的對應參數和實際路徑對應參數不一致時，實現采煤機滾筒截割路徑自適應調整。通過輸入現場數據的采煤機滾筒截割路徑仿真試驗結果表明，該算法可以使采煤機在復雜地質條件的煤層中快速調整截割路徑，調整后的路徑平穩且可靠。

采煤機 記憶截割 模糊PID控制 路徑自適應

隨著煤炭開采技術的提高，煤礦綜采工作面無人化開采將成為煤炭生產的必然發展趨勢。采煤機作為煤礦綜采工作面的核心設備，其自動化運行是實現綜采工作面無人化生產的關鍵，而實現采煤機的自動化運行的前提是采煤機滾筒截割路徑的自適應調整。采煤機滾筒截割路徑自適應調整的根本目的就是在復雜地質結構的煤層中，截割滾筒能夠自動適應煤層頂板和底板的起伏變化，并判斷煤層的厚度，進而調整截割滾筒的高度，實現采煤機滾筒截割路徑的自適應調整。

1　記憶截割路徑自適應控制方案

采煤機滾筒截割路徑自適應控制系統由記憶截割、路徑跟蹤和路徑自適應3個部分組成，其控制流程如圖1所示。

1.1采煤機記憶截割原理

采煤機沿水平方向牽引行走以及截割滾筒在垂直方向的高度調節是采煤機截割過程中最重要的兩個動作，其中通過截割滾筒的高度變化實現滾筒截割路徑的改變，進而使得采煤機截割滾筒避開煤層頂板、底板和斷層，避免采煤機截割到硬度較高的巖石而造成損壞。

采煤機記憶截割過程由操作人員控制采煤機沿工作面煤層進行切割，機載控制器記錄采煤機截割路徑中各記錄點的位置數據、姿態數據、狀態數據和動作指令。在自動化截割采煤時，采煤機按照存儲的采集數據和指令自動控制滾筒調高，實現采煤機自動運行。

圖1　采煤機滾筒割路徑自適應控制流程

1.2截割路徑跟蹤

在采煤機記憶截割過程中，機載控制器實時讀取當前滾筒位置和滾筒推移油缸位移量。在截割滾筒移動到a記憶點時，機載控制器會讀取記憶路徑中的a+1記憶點對應地調高油缸位移量，根據a與a+1記憶點油缸推移量差值和水平距離，機載控制器計算油缸調控電磁換向閥的通斷時間。在采煤機截割滾筒運行到a+1記憶點時，機載控制器制定a+1到a+2點間的運行方案，以此類推。這種控制方案計算量小且無累計誤差，從而保證截割路徑跟蹤精度。

1.3模糊PID控制組成和原理

采煤機截割路徑的自適應依據是記憶截割過程中采煤機的狀態信息，其中主要數據為滾筒截割負載，其調整的對象為截割滾筒的高度。在路徑的自適應過程中，判斷是否截割到硬度較高的巖石是控制的關鍵，在滾筒截割到巖石后其截割電機電流將迅速升高并超出正常范圍。試驗表明截割電機電流與截割負載存在對應關系，因此建立截割電機電流與截割負載的數學模型，由機載控制器采集到的截割電機電流計算出采煤機的截割負載。根據機載控制器采集到的采煤機狀態信息，運用模糊PID控制算法調整推移油缸電磁換向閥通斷時間。通過調節電磁換向閥通斷時間實現截割滾筒高度的自適應調節，進而實現截割路徑自適應。模糊PID控制流程圖如圖2所示，滾筒調高機構工作原理如圖3所示。

圖2　模糊PID控制流程圖

圖3　滾筒調高機構原理

2　模糊PID控制器的設計

為了使路徑自適應控制結果達到要求，本控制結構采用二維輸入和三維輸出控制器，把滾筒記憶截割高度與實際截割高度誤差e及其變化率ec作為輸入，PID控制的3個調節參數變化值ΔkP、ΔkI和ΔkD作為輸出。通過PID控制的3個調節參數變化值與截割高度誤差e及其變化率ec的模糊關系，機載控制器對采集的信息和記憶信息不斷檢測并計算偏差e及其變化率ec的值，然后根據專家整理好的模糊關系對ΔkP、ΔkI和ΔkD進行修改，進而實現對3個調節參數的自適應調整。

2.1輸入輸出語言變量的模糊化

設定調高偏差e及其變化率ec經過模糊后為E和EC，其中輸入偏差e的基本論域為［-e，e］，E論域為［-3，-2，-1，0，1，2，3］，輸入偏差變化率ec的基本論域為［-ec，ec］，EC論域為［-3，-2，-1，0，1，2，3］。

輸出ΔkP基本論域為［-m，m］，量化論域ΔkP=［-3，-2，-1，0，1，2，3］，輸出ΔkI和ΔkD的模糊量化原理與ΔkP相同。

2.2確定輸入輸出變量的模糊子集及其隸屬度函數

輸入變量E和EC與輸出變量ΔkP、ΔkI和ΔkD的模糊子集同為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。

通過隸屬函數實現精確量的模糊化，本系統中輸入變量E和EC與輸出變量ΔkP、ΔkI和ΔkD的隸屬函數均采用三角形隸屬函數，如圖4所示，根據三角形隸屬函數的曲線特征得到的輸入變量E和Ec隸屬函數見表1，得到的輸出變量ΔkP、ΔkI和ΔkD的隸屬函數見表2。

圖4　三角形隸屬度函數

表1　E和Ec隸屬函數表

表2　ΔkP、ΔkI和ΔkD隸屬函數表

2.3制定模糊規則

總結專家、現場人員和工程人員的技術知識和操作經驗，獲取3個調整參數控制規則，得到針對ΔkP、ΔkI和ΔkD自整定的模糊控制表見表3。

表3　ΔkP、ΔkI和ΔkD模糊控制表

以ΔkP為例，根據模糊推理規則得出ΔkP=（E×EC）·RP，由Mamdani型模糊控制器所采用的if…then…模糊規則可得:

根據控制系統得到的實際誤差量e和其誤差變化ec的模糊值E和Ec，得出控制量ΔkP1為:

同理，求出控制量ΔkP2、ΔkP3、……ΔkP49，則控制量模糊集合ΔkP表示為:

采用平均最大隸屬度法判決，將控制量由模糊量變成精確量，得到ΔkP的模糊控制查詢表見表4。依此類推可以得到ΔkI和ΔkD的模糊控制查詢表。

2.4模糊PID參數計算

采煤機在運行過程當中，機載控制器不斷地計算滾筒記憶截割高度與實際截割高度偏差e和偏差變化率ec，并對其模糊化，然后通過模糊控制查詢表得到ΔkP、ΔkI和ΔkD的值，根據kP=k′P+｛E，EC｝ΔkP、kI=k′I+｛E，EC｝ΔkI和kD=k′D+｛E，EC｝ΔkD調整公式得出最佳的PID參數值，最終完成對PID控制器參數的調整。

3　模糊PID控制算法截割路徑自適應仿真和分析

為了驗證采用模糊PID控制算法實現采煤機滾筒調高的效果，在采煤機滾筒調高實驗平臺對其進行實驗，設定實驗工作面長度為100 m，走向長為800 m，煤層厚度為3.5～4.5 m，得到采煤機路徑自適應仿真路線如圖5所示。其中圖中實線為煤層與巖層的分界線，“*”所代表的曲線為經模糊PID控制算法調整后的實際運行曲線，由此表明使用模糊PID控制算法調整后的滾筒截割路徑能較好的避開巖層，有效地保護采煤機截割部件，并且調整后的截割路徑平滑，有利于采煤機截割路徑控制，符合截割路徑的自適應要求。

表4　ΔkP模糊控制查詢表

圖5　路徑自適應仿真曲線

利用Matlab中動態系統仿真工具Simulink完成對控制系統的動態建模和仿真，以采煤機試驗平臺為分析研究實例，其滾筒調高系統的傳遞函數為X（S）/Q（S）=50000/［S（0.94S2+2S+1000）］=50000/den（S）。得到原系統、常規PID控制系統和模糊PID控制系統的階躍響應曲線對比如圖6所示。從仿真結果可以看出，采用模糊PID算法的截割路徑自適應控制達到了調整量小和調整速度快的目的。

圖6　各系統階躍響應曲線對比

4　結論

（1）基于模糊PID控制算法的采煤機記憶截割路徑自適應調整系統在MG900/2210-WD型電牽引采煤機1∶6樣機模型構成的采煤機試驗系統上進行了驗證，該試驗系統具有和真實采煤機相同的控制功能，并完善了采煤機的原有傳感體系。實驗結果證明了該控制方法的可行性，其控制精度滿足設計要求。

（2）在Matlab進行動態仿真，得到原系統階躍響應曲線、PID控制系統的階躍響應曲線和模糊PID控制系統的階躍響應曲線，通過響應曲線對比分析，該系統具有超調量小、調節時間少、響應速度快和穩態誤差小等優點，動態特性和靜態特性能均得到明顯改善，能更好地滿足系統的應用要求。

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（責任編輯 路 強）

Research of adaptive memory cutting path of shearer based on fuzzy PID algorithm

Zhu Zhiying
（Ulanqab Vocational College，Ulanqab，Inner Mongolia 012000，China）

Aiming at the uncertain cutting path of shearer in fully mechanized mining face，and based on the cutting parameters of corresponding memory cutting path，fuzzy PID algorithm was used to control the oil cylinder of cutting roller，which achieved the adaptive adjustment of shearer cutting path when the corresponding parameters of memory cutting path was different with the parameters of actual path.The results of cutting path simulation experiment with field data showed that the algorithm could make shearer to adjust quickly the cutting path in coal seam with complicated geological conditions，and the cutting became stable and reliable after adjustment.

shearer，memory cutting，fuzzy PID control，adaptive cutting path

TD421.6

A

朱志英（1980-），女，內蒙古烏蘭察布人，本科學歷，現為烏蘭察布職業學院機電技術系講師，主要從事電子信息工程方面的研究。