采煤機截割高度自動調節控制系統的研究

劉 杰

（西山煤電集團公司官地礦， 山西 太原 030022）

引言

隨著科技水平的不斷發展，煤礦井下綜采作業自動化程度得到了極大地提高，采煤機作為一種高效的煤炭綜采設備，在煤礦井下占據著十分重要的地位，其工作時的穩定性和自動化程度直接決定了煤礦井下的綜采作業效率和安全性。采煤機在工作中主要是依靠調節懸臂的角度實現不同高度煤炭的截割，但由于煤礦井下地質條件復雜，通常采用人工控制的方式進行截割作業，在實際應用中，人工極易疲勞，經常發生觸頂事故，導致截齒損壞，極大影響了煤礦井下的綜采作業效率和安全性。因此本文根據長期工作經驗，在對采煤機調高系統進行深入分析的基礎上，提出了一種截割高度自動調節控制系統，利用變結構控制的原理，實現井下復雜條件下的精確高度控制。實際應用表明，該控制系統具有結構簡單、控制精度高，對復雜環境適應性好的優點，具有極大的應用推廣價值。

1 變結構控制原理

變結構控制是一種新的基于非線性化特性的控制原理[1]，適用于在控制邏輯中存在不確定性大的控制結構，在控制過程中通過不斷切換系統信號控制量來確保控制數據沿著理論的控制曲線進行，確保了當系統受到外界的干擾作用時能夠快速回到既定的控制滑模面。

采用變結構控制對采煤機工作過程中的懸臂高度進行調節的機理是，以懸臂驅動油缸活塞桿的位移傳感器監控數據為基本的調整函數[2]，以此為基礎建立變結構控制系統的狀態方程，然后設定采煤機懸臂工作過程中的控制切換函數和變結構控制規律，獲得最終的具有數據修正的采煤機變結構控制邏輯，滿足對采煤機工作時懸臂調節高度的精確、穩定控制，變結構控制邏輯如圖1所示。

圖1 變結構調節控制系統示意圖

2 采煤機變結構調高控制系統的仿真分析

該采煤機變結構調高控制系統中，根據采煤機所用的執行油缸，在仿真分析時設定其工作時的固有頻率為25 Hz，其液壓控制系統的阻尼比[3]為0.3，執行油缸的活塞截面積為16×10-3m2，活塞桿的截面積為4×10-3m2，利用仿真分析測試系統分別對采用變結構調高控制和傳統控制方式的控制效果進行仿真分析，不同控制方式下的采煤機調高機構位移跟蹤量變化情況如圖2所示。

圖2 不同控制方式下采煤機調高機構位移跟蹤曲線示意圖

由仿真分析結果可知，當采用傳統的控制方式時，采煤機的調高機構對位移跟蹤的修正緊跟理論輸出的控制量，但在位移跟蹤發生變化的位置，傳統控制方式的位移跟蹤和實際理論控制值之間有約0.2 m的差值，并且在變化時會有約0.15 s的提前或者滯后量，極易導致采煤機截割滾筒在工作時出現觸頂、提前落刀，影響煤炭回采率。當采用變結構控制時，采煤機調高機構在控制下能夠很好地與理論輸出控制量相匹配，僅在位移量變化時出現約0.05 s的提前量或者滯后量，對采煤機調高機構高度調節影響可以忽略不計，完全能夠滿足在煤礦井下對采煤機搖臂的調高控制要求。

3 采煤機變結構調高控制系統的試驗驗證

在仿真分析的基礎上，本文以煤礦井下采煤機為試驗對象，對該控制系統在采煤機上的實際應用情況進行驗證，對采煤機搖臂調節油缸位移的監測采用了德國進口的拉繩位移傳感器[4]，其具有0.0005%的重復精度，測量線性度好，對井下惡劣環境的適應性強，能夠最大限度地確保對采煤機搖臂調節位移控制的精確性。在試驗時將該位移傳感器設置在執行油缸的活塞桿上，同時在執行油缸的進液口和出液口位置均設置有壓力傳感器，滿足對工作過程中執行油缸工作壓力的監測，采煤機在工作過程中執行油缸活塞桿的目標跟蹤曲線如圖3所示。

圖3 不同控制方式下采煤機調高機構位移跟蹤曲線示意圖

由仿真分析結果可知，當采用變結構調高控制系統后，采煤機調高機構在工作過程中的位移變化情況完全按照目標位移曲線進行，在調整過程中的偏差小于1 mm，受擾動情況下能夠快速進行跟蹤數據的修正，使其滿足對目標位移曲線高精度跟蹤調整的控制效果。

4 結論

1）變結構控制是一種新的具有非線性化特性的控制原理，適用于在控制邏輯中存在不確定性大的控制結構，在控制過程中通過不斷切換系統信號控制量來確保控制數據沿著理論的控制曲線進行，控制精度高；

2）當采用變結構控制時，在位移量變化時出現約0.05 s的提前量或者滯后量，對采煤機調高機構高度調節影響可以忽略不計，完全能夠滿足在煤礦井下對采煤機搖臂的調高控制要求；

3）當采用變結構控制時，采煤機調高機構在工作過程中的位移變化情況完全按照目標位移曲線進行，在調整過程中的偏差小于1 mm，受擾動情況下能夠快速進行跟蹤數據的修正。