采煤機搖臂智能調高控制系統設計與功能實現

劉俊強

（潞安化工集團山西新元煤炭責任有限公司， 山西 壽陽 045400）

0 引言

采煤機是煤礦生產中的關鍵設備，其主要任務是對煤層進行截割、落煤等任務，直接決定著綜采工作面的生產能力。工作面煤層的條件不一致，主要表現為煤層厚度不一致，采煤機需根據煤層厚度對其搖臂進行自適應調節控制，即實現采煤機的自動調高。采煤機傳統調高系統主要采用電磁換向閥實現其功能，但是在實際生產中不能夠對其流量進行控制，從而很難適應在復雜工況下的控制要求，進而導致影響煤炭的采出率。針對此，將電液比例控制技術應用于自動調高系統中實現對采煤機搖臂的智能調高控制。具體闡述如下：

1 采煤機搖臂智能調高系統研究

在傳統采煤機搖臂角度或滾筒高度控制中主要采用變量泵+電液換向閥相組合的方式進行控制，即對電磁換向閥開口大小以及開口方向的控制實現對采煤機滾筒調高速度、降低或升高等動作進行控制。上述調高系統在實際應用中存在以下不足：滾筒高度達到指定位置的響應速度較慢，在控制層面存在滯后性；在整個自動調高系統控制中穩定性不足，主要表現為超調量較大。

從理論上，采用電液比例控制技術可以提升采煤機的控制精度和自動化控制水平；該項技術實現的核心為電液比例方向，其器件具有性價比高、抗污染性能強的特點，特別適用于在惡劣環境且復雜工況下的使用要求。對于電液比例控制技術的應用可以分為閉環控制和開環控制兩種；工業實踐表明，閉環控制效果明顯優于開環控制效果。因此，本文采用電液比例方向的閉環控制策略實現對采煤機滾筒的自動調高，控制原理如圖1 所示。

圖1 電液比例滾筒自動調高系統

2 采煤機搖臂智能調高系統的關鍵元器件選型

電液比例方向閥、調高油缸以及位移傳感器為滾筒自動調高系統的關鍵元器件[1-2]。其中，電液比例方向閥根據控制需求對滾筒的升高或降低的動作進行控制；調高油缸為滾筒調高或降低的直接執行部件；位移傳感器為對液壓油缸活塞桿伸縮量進行監測，為實現閉環控制提供依據。結合采煤機滾筒在實際生產中自動調高的功能需求，本系統所選型的器件如表1 所示。

表1 采煤機自動調高系統關鍵元器件選型結果

3 采煤機搖臂智能調高控制策略研究

采煤機自動調高系統的電液比例控制，其在核心元器件硬件做支撐的基礎上，還需采用可靠、穩定且高效的控制策略，最終達到快速響應、低超調量的穩定控制系統。PID 控制策略為當前工業生產中應用效果評價較高的控制系統。針對采煤機滾筒的自動調高控制需求，擬采用PID控制策略為基礎實現其功能[3-4]。

3.1 采煤機搖臂的智能閉環控制

根據采煤機自動調高系統閉環控制的控制器、功率放大器、電液比例閥、調高油缸以及位移傳感器的數學模型，并基于閉環控制的原理框圖建立采煤機滾筒自動調高系統的傳遞函數；根據滾筒自動調高系統中各元器件的參數對傳遞函數的參數進行幅值，得出基于PID 控制器的電液比例自動調高系統的傳遞函數如圖2 所示。

圖2 采煤機搖臂智能調高控制系統的傳遞函數

3.2 不同控制策略的仿真模型搭建

PID 為自動調高系統的控制基礎，包括有常規PID 控制器和單神經元控制器。對于PID 控制理論而言，重點是根據控制對象及控制要求的不同確定其中比例、積分以及微分環節的系數。對于PID 控制器而言，上述三個參數確定后無法根據工況條件對其進行實時調整；而單神經元控制器可根據采煤機的實際工作條件以及煤層條件對三個參數進行實時在線調整，從而提高對自動調高系統的控制精度。

因此，為達到對采煤機滾筒調高系統的最佳控制效果，本系統擬采用單神經元控制器對其進行控制，基于單神經元控制器的仿真模型如圖3 所示。

圖3 單神經元控制器仿真模型

3.3 不同控制策略控制效果對比

根據采煤機的工況條件和煤層條件，對基于傳統PID 策略下參數的設置如下：比例環節系數為3；積分環節系數為1，微分環節系數為0.01；基于單神經元PID 控制策略可對上述系數進行實時在線調整[5]。兩種控制策略下系統的采煤機滾筒自動調高系統的響應速度和控制過程的穩定性對比如圖4 所示。

圖4 不同控制策略對應的控制效果對比

如圖4 所示，基于傳統PID 控制策略自動調高系統達到預定控制效果所需時間為4.5 s，在控制過程中的最大超調量為0.24 mm；基于單神經元PID 控制策略自動調高系統達到預定控制效果所需時間為1.5 s，在控制過程中的最大超調量為0.1 mm。

對比可知：基于單神經元PID 控制策略可以比傳統PID 控制策略更快的達到預定的控制效果，而且控制過程更加穩定。同時，當在控制過程中遇到負載突變的工況時，基于單神經元PID 控制器能夠更快消除負載突變工況所帶來的影響，其具有更高精度的控制效果和穩定性。

4 結語

采煤機為煤礦綜采工作面生產的核心設備，其需要根據煤層變化和底板變化對其滾筒高度進行調整控制，以保證對煤層的全部截割，從而保證采出率。傳統基于電磁閥的自動調高系統控制精度低、響應速度慢以及穩定性差的問題；為此，本文提出了基于電磁比例方向閥為核心的電液比例自動調高系統，并采用單神經元PID 控制策略實現其功能。經仿真分析可知：單神經元PID 控制器的電液比例自動調高系統具有更高的控制精度和穩定性，尤其是可以解決在突變工況對系統造成沖擊的問題。