基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高策略研究

陳福威

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦,山西 古交 030203）

引言

采煤機(jī)作為綜采面實現(xiàn)落煤的設(shè)備，其工作的自動化程度直接關(guān)系著綜采面的自動化水平。采煤機(jī)在工作時需要根據(jù)煤層的厚度和走向不斷對截割機(jī)構(gòu)的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免切割到巷道內(nèi)的巖壁，同時獲得最大的煤炭采出率。現(xiàn)有的采煤機(jī)高度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)主要是依靠操作人員人工對煤壁狀態(tài)進(jìn)行判斷進(jìn)而對截割滾筒的高度和走向進(jìn)行調(diào)整，但煤礦井下綜采面工作環(huán)境極端惡劣，嚴(yán)重限制了人工調(diào)整的可靠性，頻繁造成截齒觸壁折斷、漏采等異常，嚴(yán)重地影響著煤礦井下的綜采效率[1]。因此迫切需要開發(fā)一種新的能對采煤機(jī)的截割滾筒高度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，提高截割機(jī)構(gòu)工作的自動化程度和可靠性。

1 采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的組成及數(shù)學(xué)模型

采煤機(jī)的驅(qū)動滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)主要包括液壓控制系統(tǒng)、搖臂、執(zhí)行油缸及截割滾筒，液壓系統(tǒng)是采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)執(zhí)行調(diào)高的動力系統(tǒng)，利用電液比例控制閥實現(xiàn)對截割滾筒運(yùn)行狀態(tài)的精確調(diào)節(jié)。在采煤機(jī)的調(diào)高液壓控制系統(tǒng)中還包括了兩組由單向閥構(gòu)成的閉鎖回路，用于確保截割滾筒在任意高度上的定位，采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

在進(jìn)行分析時對采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)中影響較小的運(yùn)行黏性阻尼系數(shù)和外部載荷波動變量造成的影響進(jìn)行忽略，因此采煤機(jī)電液控制系統(tǒng)中調(diào)高控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可表示為[2]：

圖1 采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

式中：A1為調(diào)高執(zhí)行油缸有桿腔的面積；A2為調(diào)高執(zhí)行油缸無桿腔的面積；Kq為液壓系統(tǒng)工作時液壓油流量的等效系數(shù)；Kp為液壓系統(tǒng)工作時液壓油流量的流量增益系數(shù)；Kf為液壓系統(tǒng)工作時液壓油流量的流量反饋系數(shù)；ωh為系統(tǒng)工作時的固有頻率。

采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)在工作時存在著慣性負(fù)載的作用，因此可將采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高控制液壓缸活塞桿的位移情況與液壓油流量的數(shù)學(xué)模型表示為：

式中：Xp為調(diào)高執(zhí)行油缸活塞桿位移；Qp為液壓油的流量；εh為系統(tǒng)工作時的阻尼比。

2 基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的采煤機(jī)調(diào)高控制原理

采煤機(jī)的截割滾筒高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行高度調(diào)整時要同時受到煤壁對滾筒的截割阻力及截割機(jī)構(gòu)自身重力的影響，并且煤礦井下綜采面的地質(zhì)條件十分復(fù)雜、煤層走向分布呈現(xiàn)出了無規(guī)律特性，采煤機(jī)在截割作業(yè)時受到的煤層的截割阻力也同樣表現(xiàn)出了不規(guī)則的特點，因此對采煤機(jī)自動調(diào)高機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了極大的干擾。為了將外界環(huán)境因素對采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)特性的影響降到最低，本文提出了新的基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高策略，從而確保調(diào)高控制系統(tǒng)對截割滾筒規(guī)劃路徑的精確跟蹤，在調(diào)高過程中利用不斷變化控制參數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)整能夠沿著規(guī)劃的滑模面進(jìn)行滑動，將外界參數(shù)射動和干擾對系統(tǒng)調(diào)節(jié)的影響降低[3]。

基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的采煤機(jī)截割滾筒調(diào)高策略在對采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)高度進(jìn)行調(diào)節(jié)時首先根據(jù)采煤機(jī)電液控制系統(tǒng)的調(diào)高控制數(shù)學(xué)模型建立一個切換控制面S，使確定的采煤機(jī)滑動控制模態(tài)實現(xiàn)漸進(jìn)穩(wěn)定的動態(tài)滑動品質(zhì)，然后利用液壓缸活塞桿的位移情況與液壓油流量的數(shù)學(xué)模型設(shè)計采煤機(jī)滑模控制律μ，使滑模變結(jié)構(gòu)控制滿足調(diào)高控制條件，在切換控制面上產(chǎn)生一個滑動模態(tài)控制區(qū)域，利用滑動模態(tài)控制律μ將滑模抖動進(jìn)行削弱，確保采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)在高度調(diào)節(jié)過程中的穩(wěn)定性、精確性、靈敏性和可靠性。

采煤機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)控制的數(shù)學(xué)函數(shù)可表示為[4]：

式中：c1、c2均為高度變量。

3 采煤機(jī)調(diào)高控制策略的仿真分析

為了確定該調(diào)高控制策略的控制效果，本文根據(jù)采煤機(jī)工作時的實際情況，將執(zhí)行油缸工作時的固有頻率設(shè)定為25 Hz，液壓控制系統(tǒng)的阻尼比設(shè)定為0.2，對滑模變結(jié)構(gòu)控制過程進(jìn)行正弦波和方波的控制效果進(jìn)行驗證并根據(jù)控制方程利用PID控制器對控制效果進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

由仿真分析結(jié)果可知，對于在調(diào)高控制系統(tǒng)中分別給定的方波和正弦波的調(diào)節(jié)控制信號，分別采用了傳統(tǒng)的PID模糊控制與新的基于滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行跟蹤對比，在初始的滑模控制面的行程過程中所采用的為指數(shù)趨近控制率，能夠確保控制信號在較短的時間內(nèi)達(dá)到滑模控制面，在整個調(diào)控過程中滑模變結(jié)構(gòu)控制能不斷地根據(jù)外界反饋情況對控制信號進(jìn)行修正，因此可以看出當(dāng)進(jìn)入到滑模面控制后，新的基于滑模變結(jié)構(gòu)控制策略能夠表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的PID模糊控制更好的修正調(diào)節(jié)效果，完全滿足了對采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)在高度調(diào)節(jié)過程中的穩(wěn)定性、精確性、靈敏性和可靠性的要求。

圖2 PID與滑模控制的方波與正弦信號跟蹤仿真

圖3 PID與滑模控制的方波與正弦信號跟蹤誤差

4 結(jié)論

本文仿真分析的滑模變結(jié)構(gòu)調(diào)控策略完全滿足采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在高度調(diào)節(jié)過程中快速、靈敏、可靠的要求，極大地提升了采煤機(jī)高度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。