采煤自動化應用以促進資源保護研究

康俊偉

摘 要：滾筒式采煤機在采煤工作中起到至關重要的作用，其工作效率的高低直接影響著綜合采煤工作的自動化水平。本文以MG200/466-WD型采煤機為例，對其自動化程度進行了研究。針對滾筒采煤機由于調節滾筒時速度較慢而導致的搖臂抖動問題，筆者設計了一種改進的單神經元PID控制策略對采煤系統進行控制，使滾筒調整的速度明顯加快，搖臂抖動問題從根源上得到改善。

關鍵詞：滾筒式采煤機;PID控制策略;搖臂抖動

煤炭是重要能源，我國大部分的電能需要依賴焚燒煤炭產生，我國煤炭資源豐富，但石油燃氣資源相對較少。在未來很長一段時間內，煤炭會是國內能源的主要組成部分，以煤炭為基礎、多種能源并存的發展計劃與戰略布局會一直指導國內的能源市場。煤炭的高效開采是國內能源安全可持續發展不可缺少的必要條件。而我國煤炭開采效率并不是很高，安全事故頻發，由于過度開采導致的資源浪費與環境污染問題日益突出。目前國內大多數開采煤炭的機器自動化程度不高，多數時候需要人為操控，不能高效地開采煤炭，亟需一種高效的采煤自動化設備與控制策略來提高煤炭開采的效率并保障人員安全。

一、滾筒式采煤機調高控制系統

滾筒式采煤機調高控制系統較為復雜，包含機械、液壓與控制模塊，在采煤機帶有大功率慣性負載的情況下，運用傳統PID控制策略很難高效控制采煤機工作，會使滾筒式采煤機超調量較大且性能較低。滾筒式采煤機液壓升高系統使用電液比例控制技術，在調高過程中可以較為精準地控制調高過程。

（一）滾筒式采煤機調高控制系統的控制模塊

滾筒式采煤機液壓升高系統精準控制調高過程中有兩個控制模塊——開環控制與閉環控制。

開環控制模塊：先對控制信號進行設置，而后再對控制的閥門進行變動調節，實現對閥門流量的調節與控制，最終使采煤機的滾筒調高裝置得到較好的調節。

閉環控制模塊：滾筒式采煤機的調高控制系統整體是一個閉環控制系統。其中，活塞杠的移動位置大小由位置傳感器來檢測得到，得到此檢測信號后，將此信號與設定的控制信號相減做差，將此差值信號稱為系統的誤差信號。最后將誤差信號送入PID控制模塊或其他改進的控制策略中，實現誤差信號逐步減小，得到理想的輸出信號，完成對采煤機滾筒的調高控制。

（二）滾筒式采煤機調高控制系統的主要裝置

滾筒式采煤機調高控制系統的主要裝置有以下幾個：功率放大裝置、電液比例控制裝置、比較裝置以及位置傳感裝置等。因為滾筒切割煤炭時會受到阻力與摩擦力的影響，筆者需要將外部的負載擾動加入進來考慮。下面將對滾筒式采煤機的調高控制系統的裝置挑選重點的來介紹。

1.功率放大裝置

功率放大裝置通常是對輸入信號進行調節的元件，它可以調整原設定信號的大小，從而達到使電磁鐵的磁力發生變化的目的，并且還能通過輸出信號來對電液比例控制模塊進行改變。功率放大裝置是滾筒式采煤機調高控制裝置不可或缺的重要組成部分。在整個系統中，功率放大裝置由電液比例方向閥來確定，可以由功率放大裝置來初步建立整個系統的數學模型，這個環節是一個比例環節。

2.位置傳感裝置

系統使用的位置傳感裝置采用液壓缸活塞缸的位置信號作為輸入信號，將比較裝置給出的電壓差值信號作為輸出信號，此裝置的響應時間大大低于機械裝置的響應時間，因此能將此裝置代表的模塊簡化為另一個比例環節。

3.常規PID控制器

在連續的控制過程里，將系統反饋的偏差值進行比例、積分與微分的組合運算，三者的各自占比與誰先誰后通過經驗來確定，最后將運算后的結果信號給到被控對象來輸出，這種控制過程被稱為PID控制器。

在控制器中，給定輸入量后，將控制系統實際輸入值與反饋回的輸出量做減法，得到誤差信號e（t）。通過調節與控制系統的誤差信號e（t），最后得到PID控制器的控制輸出。這種控制策略稱之為PID控制。

二、單神經元PID算法

滾筒式采煤機調節系統是非線性系統，常規PID控制已經無法滿足精確控制的需求。因為在運用常規PID控制策略時，比例環節、積分環節與微分環節的系數確定后便無法變動。在非線性系統中，確定的PID參數不能使系統穩定并精確控制。因此，亟需一種可以在控制過程中實時根據外部擾動的變化PID參數而變化的控制系統。現如今，神經網絡的發展如火如荼，在各種領域中起到了很好的作用。它最主要的特點是可以實時學習系統的內部參數，不斷根據外界環境來調整神經元之間的權重，最終得到一個魯棒性強、精確度高的模型。由于神經網絡具有這個優勢，可以彌補傳統PID控制策略在非線性系統時無法實時改變PID參數的缺點，所以將PID控制策略與神經網絡結合起來，提出一種單神經元PID控制算法，使PID控制中的比例環節、積分環節與微分環節的系數可以實時調整。神經元的三個權重對應與PID控制三個環節的系數，可以通過神經網絡在線學習的能力不斷更新三個控制參數。

單神經元PID控制策略的三個權重值可以在不同的規則下不斷調節，相應地，它們所對應的三個控制參數也可以根據外部環境的擾動變化而不斷調整到最佳值，來實現較為精確的控制，得到最好的輸出結果。正因如此，單神經元PID控制策略是一個魯棒性很強的控制器，在非線性系統中可以收到很好的控制效果。

三、結 語

滾筒式采煤機在采煤工作中起到了至關重要的作用，其工作效率的高低直接影響著綜合采煤工作的自動化水平。針對滾筒采煤機由于上下調節滾筒時速度較慢而導致的搖臂產生抖動的問題，基于常規PID控制策略，筆者設計的這種改進的單神經元PID控制策略對采煤系統進行控制，使滾筒向上調整的速度更快，向下調整時活塞桿的速度也明顯地加快，從而使搖臂抖動問題從根源上得到了改善。

參考文獻：

[1]王慧，趙國超，宋宇寧，金鑫.采煤機調高過程的軌跡跟蹤模糊PID控制[J].電子測量與儀器學報，2018，32（08）：164-171.

[2]汪亮培.采煤機電液比例調高控制仿真研究[D].安徽理工大學，2019.

（作者單位：山西焦煤西山煤電馬蘭礦）