礦井采煤機滾筒高度調節的滑模控制系統研究

閆志敏

（晉能控股集團同發東周窯煤業有限公司， 山西 大同 037100）

引言

長壁開采是一種特殊的開采方法，具有較高的煤炭生產率并可保持平穩運行的特點。滾筒采煤機是長壁采煤設備中常用的機械設備。采煤機自動化作為綜采工作面的關鍵設備，其實現自動化的關鍵是實現滾筒的自動調整。采煤機滾筒高度自動調節的最大問題是如何使采煤機滾筒自動適應煤層頂底的波動，以獲得最大的產煤量，盡可能避免切割頂底巖石，保護輸送系統，同時又具有高效的經濟性和安全性。目前，為了自動適應煤層頂底板的波動，廣泛采用了采煤機滾筒記憶切割技術，以避免頂板煤層厚度測量和煤巖界面識別技術等技術難題。本文提出了一種在復雜工況下采用變速指數趨近律的滑動模式控制策略，該策略以記憶采煤機截割信息作為采煤機截割高度的判據，具有較好的快速性、穩定性和準確性[1]。該控制策略不僅可以通過調整和改變控制器結構，有效地克服系統的不確定性和外部負載的干擾，而且可以實現滾筒高度調節的控制，具有快速、穩定、準振動和抖振小的優點。

1 采煤機結構簡介

常見的采煤機包含電動機、液壓設備和安裝在機身的控制裝置組成。水平切割滾筒安裝在機器的正面，裝有切割鎬并在平行于工作面的平面內旋轉。在切割滾筒旋轉時將懸臂推向工作面，并且采煤機沿工作面移動，則它能夠切入工作面的整個開采寬度，沿著懸臂伸縮方向移動。一旦完全進入開采面，采煤機可以覆蓋至切割面的整個長度范圍。

最初設計的采煤機有一個剛性連接到機器主體的單個滾筒，因此具有固定的切割高度，并且必須能夠使機器主體的一端越過工作面邊緣以切割整個長度。隨后的設計發展看到切割滾筒安裝在液壓操作臂上以改變可能的切割高度，并安裝第二個切割滾筒。這種機器被稱為“雙滾筒采煤機”，幾乎是現在使用的唯一類型的采煤機，“采煤機”通常指這種雙滾筒式的采煤機。雙滾筒布置還允許安裝較小的滾筒，同時覆蓋更多的開采高度，可以一次切割每個滾筒的接縫部位。

作為兩個單獨的切割通道，滾筒搖臂允許改變切割高度，提升開采的效率。本文以AGHG-34jH 型采煤機為研究對象，基本結構如圖1 所示。整機主要包括截割部、牽引部和中間箱三個部分[2]。

圖1 AGHG-34jH 型采煤機結構示意圖

2 采煤機滾筒高度調節系統建模

2.1 機- 電- 液多場耦合采煤機高度調節系統

采煤機滾筒高度調節系統主要包括滾筒截割傳動機構和高度調節機構。滾筒切割機構由切割馬達、齒輪傳動系統、滾筒等組成，液壓調高機構由驅動馬達、控制系統、液壓馬達和液壓缸組成。機- 電- 液耦合滾筒高度調節系統的結構圖，如圖2 所示。

圖2 機- 電- 液耦合滾筒高度調節系統的結構示意圖

2.2 增加控制系統傳遞新路徑

采煤機高度調節系統的液壓控制電路圖，如圖3所示。它包括電液比例閥，高度調節泵，高度調節缸和雙向液壓鎖[3]。當采煤機高度調節系統工作時，控制器發射控制電壓（系統的輸入量），放大后獲得電流控制信號，控制節流面積相應改變。從而改變系統的流量來控制調節鼓的運動軌跡和提升速度。位移傳感器用于檢測氣缸活塞的位移，信號被轉換并與給定的目標進行比較，控制信號形成閉環控制系統。

圖3 采煤機調高系統液壓控制電路

2.3 趨近律滑模控制器設計原則

趨近律滑模控制器的剪切運動狀態具有從起始位置到運動面的理想運動特性。滑動模式通常可以確保運動點僅在有限的時間內到達開關表面，并且到達過程沒有局限性的規則。設計采煤機趨近律滑模控制系統的基本原則包括兩個部分[4]：

1）假設采煤機根據波動系數調整系統的運行時間，使控制過程更加的穩定，具有良好的運動狀態和工作效率；

2）設計滿足滑動模式可達性條件的滑動模式控制函數，在開關面上形成滑動模式區域，使控制系統更加穩定和精確。

3 趨近律滑動模式控制的仿真分析

3.1 模擬仿真模型的建立

在趨近律滑模控制系統仿真研究中，本文基于Simulink 程序中的系統傳遞函數建立了仿真模型，并根據仿真結果對系統進行了修改，直到仿真系統的計算性能滿足使用的要求[5]。

基于模擬工況的液壓仿真模塊是Simulink 軟件的專業組件。仿真的基礎是構建真實部件之間的邏輯組件，建立仿真真實系統，創建仿真框圖。建立仿真的物理模型，為了體現真實性，考慮非線性因素，如管道連通性、流體密度、彈性壓力、外部壓力、庫侖壓縮等[6]，并且根據邊界條件選擇系統的各種基本組件。在此基礎上，根據傳遞系統的控制功能設計和滑動機構的控制功能，建立了滑動控制機構的仿真模型，如圖4 所示。

3.2 仿真結果分析

由圖5 所示，趨近律滑模控制和PID 控制在采煤機空載運行以及受到沖擊負載條件下處呈現出的波動有所不同。根據圖像顯示整體控制系統將在2～3 s 內受到外部的載荷沖擊，由PID 系統調節下，整體的采煤機運動位移就會發生較大的偏差。然而通過趨近律滑模控制的系統就會將整體的位于曲線趨于穩定。極小范圍內發生偏差，不會對采煤機的工作效率造成影響。

圖5 兩種控制方法的對比分析

通過軟件將數據放大后，可以得趨近律滑模控制系統的波動率僅為PID 控制系統波動率的1/7。趨近律滑模控制系統的調節下，整體的偏差率僅為0.2%。可以得出趨近律滑模控制系對于采煤機外部的沖擊載荷有了明顯的抑制效果，更加適合在復雜惡劣的礦井中使用，滿足了采煤機的調高要求。

由下頁圖6 可知，趨近律滑模控制比PID 控制在采煤機滾筒受到工作擾動時的變化范圍更小。從整體曲線來看，趨近律滑模控制的曲線更為平穩和準確，采煤工作的時候，不會受到過大的載荷波動，保護了自身零部件不受破壞。由圖5 和圖6 分析得出了趨近律滑模控制車控制的抗干擾能力更強，更能滿足現代化采煤機工況的工作需求。

圖6 不同控制方法下滾筒負載曲線

4 結語

采煤機工作環境惡劣，重負荷突變條件下存在外部負荷干擾。對于電液比例伺服系統的液壓調節系統，使用傳統的PID 控制很難實現快速準確的控制。本文建立了采煤機高度調節缸的模型，比較分析了基于趨近律的滾筒高度調節滑動模式控制方法與傳統PID 控制方法的控制效果。結果表明，與傳統的PID控制相比，采用趨近律的滾子高度調節系統的滑動模式控制具有更強的抗干擾能力；采用變速趨近律提出的滑動模式控制策略不僅能實現液壓調高系統的快速、穩定、精確的調高控制，而且能有效克服系統的不確定性和外部負載擾動的影響，其對復雜工況具有很強的適應性，能有效抑制傳統控制系統條件下的抖振。