閉式泵控采煤機調高系統的高精度控制

高文才, 閆 政

(1.國家能源集團神東煤炭集團公司 上灣煤礦, 陜西 榆林 719315; 2.晉中學院 機械系, 山西 晉中 030619)

引言

采煤機作為一種典型的礦山機械,其在煤炭開采過程中發揮著舉足輕重的作用。但是,長期以來,采煤機滾筒的調高與定位常采用傳統的閥控方式實現,而閥控系統存在嚴重的節流與溢流損失[1-2]。特別是控制閥組的節流損失會直接增大動力源的輸入功率,造成整機能量損失大,系統效率低下。現如今,高效環保已成為礦山機械裝備未來的一個重要發展趨勢[3],因此,傳統的閥控回路越來越不適應時代的發展需求。

就如何對液壓回路的結構進行改進,提高系統效率,是流體傳動與控制領域的一大研究熱點[4]。負載口獨立系統依靠增加的自由度可對能量進行回收再利用, 從而具有一定的節能效果[5-6]。王棟梁等[7]提出了采用非對稱閥控液壓缸的概念,并對其進行了靜態特性與動態特性分析,隨后推導了該系統的傳遞函數,此項研究對后續非對稱閥控技術的發展具有一定的指導意義。近年來,姚靜等[8-9]設計了一種采用開式雙變量泵對非對稱液壓缸兩腔進行獨立控制的系統,與負載口獨立系統類似,該回路同樣增加了控制自由度,其在節能方面有著巨大發展潛力。GE L等[10]設計了三油口非對稱變量泵,非對稱泵通過對配油盤面積的改變來匹配非對稱缸的流量需求,可減小流量補償回路造成的能量損失,將其應用到工程機械后,各類主機的節能效果顯著[11-12]。在上述研究的基礎上,浙江大學等高校又對泵閥復合控制系統進行了大量研究[13]。

事實上,為提高大功率機械裝備的能量效率,采用直接泵控技術取代傳統的閥控系統在行業內已基本達成共識。然而,泵控系統由于泄漏等因素導致的非線性問題,會嚴重影響執行器的定位能力,因此,利用傳統的PID控制難以獲得較高的精度[14-16]。相較于閥控系統,國內對泵控系統非線性問題的研究還相對較少[17-18]。為此,本團隊以采煤機搖臂調高系統為例,設計了一種變論域模糊自適應PID來補償系統的非線性因素,研究結果具有一定的借鑒意義。

1 閉式泵控采煤機調高系統的工作原理

閉式泵控采煤機調高系統主要由動力單元、調高油缸、搖臂以及滾筒等部分構成,其核心部分是一個閉式泵控非對稱液壓缸系統,系統的結構簡圖如圖1所示。

圖1 系統的原理圖

系統運行時,首先要將電機啟動,通過伺服電機的轉速、轉矩雙閉環控制輸出恒定的轉速,為變量泵提供持續動力。滾筒需要調高時,操作人員給定目標信號,安裝在液壓缸上的位移傳感器實時反饋滾筒的實際位置,兩者相比較后產生偏差信號,偏差信號經控制器調節以后作用于電液比例變排量機構,進而改變泵的排量。這一過程在滾筒調高時一直保持動態變化,直到滾筒到達目標位置,偏差信號接近為0,泵的排量最小,調高過程結束。由上述過程可以看出,系統的節流損失僅來自變量機構等,節流損失很小;同時,泵的排量能夠適應滾筒液壓缸的流量需求,系統幾乎無溢流,因此,系統的能效可以獲得顯著提高。

2 理論分析

2.1 流量補償原理

如圖1所示,與開式系統不同,閉式泵的進出油口直接與調高油缸相連。但調高油缸的兩腔存在面積差,流量需求不一致。以滾筒的舉升過程為例,此時,調高油缸的無桿腔為高壓側,有桿腔為低壓側,則無桿腔的流量連續性方程為：

(1)

式中,QA—— 泵流入調高油缸無桿腔的流量

Cic—— 缸的內泄漏系數

Cec—— 缸的外泄漏系數

pA—— 無桿腔壓力

pB—— 有桿腔壓力

A1—— 無桿腔面積

v—— 活塞桿伸出速度

V1—— 無桿腔容積

βe—— 油液彈性體積模量

調高油缸的有桿腔流量連續性方程為：

(2)

式中,A2—— 有桿腔有效面積

V2—— 有桿腔工作容積

由式(1)與式(2)可以看出,即使在不考慮泄漏的情況下,由于面積不同的影響,調高油缸兩腔的流量也不相同,為此,需要增加流量補償單元。本研究所采用的流量補償方法為經典的液控單向閥補油,其補油原理為：以圖1所示工況為例,活塞桿動作時,液控單向閥2在高壓油液的作用下,單向閥打開,輔助補油泵的低壓流量進入回油路。補償流量應當滿足以下關系：

Q補=QA-QB-Q泄漏

(3)

式中,Q補—— 流量補償單元的補油流量

Q泄漏—— 閉式回路的總泄漏損失流量

2.2 動力單元

電液動力源的型式多種多樣,本研究采用的是定轉速和變排量的組合,其結構簡圖如圖2所示。

圖2 動力單元的結構簡圖

如前文所述,調高油缸的位置變化是通過改變泵的排量來實現的。而泵的排量則是由集成在其內部的電液比例變量機構控制的,該機構實質上是一個小型的閥控缸系統。因此,在變量泵的內部同樣存在一個閉環控制,其變量控制原理如圖3所示。

圖3 變量機構的閉環控制原理

在圖3中,目標排量信號U0是由調高油缸的實際位置與滾筒目標位置相比較,經控制器調節后得到的。U0經圖3的閉環控制以后,可實現變量缸的位置變化,而變量缸的運動又會引起斜盤轉動,最終完成泵的變排量過程。事實上,上述變量過程大約只需要幾十毫秒,與變轉速泵控電液動力源相比,泵的響應時間明顯縮短。

2.3 閉式泵控系統的非線性

液壓系統是一類典型的非線性系統,而死區是造成非線性的重要原因之一,但具體到不同類型的液壓回路,死區的特征也存在差異。對于研究涉及較多的比例閥而言,其死區主要由兩部分組成;一部分來自閥芯的加工重疊,這部分被稱為機械死區;還有一部分來自電氣控制死區。通常,閥的死區位置在控制過程中不會發生明顯變化,因此,可利用先導電流法和變增益法等進行直接補償。但泵的死區主要是由泄漏導致的,這種死區與閥的死區存在本質上的不同,泵控系統的死區特征如圖4所示。

圖4 泵的死區特征

圖4中,Qp為泵的有效流量,F為調高油缸的負載力。當變排量信號U0較小時,泵的流量全部泄漏,有效流量為0,進而失去了對油缸的控制作用。同時,泵的泄漏容易受到壓力、負載等因素的影響。顯然,若采用直接補償方法需要對死區的位置進行準確判斷,但液壓系統的參數存在很大的不確定性,因此,該方法難以實現。除了泵的死區之外,油液溫度、黏度、摩擦力等也會使系統產生非線性問題。

3 高精度控制方法

3.1 控制策略

采煤機在實際工作中,遇到硬度不同的巖層或遇到矸石時,滾筒及截齒的受力會發生頻繁變化,液壓系統會承受很大的沖擊。上述現象會影響泵控系統的死區,導致系統非線性嚴重,使滾筒出現定位不準確或產生劇烈抖動,而傳統的PID對這一情況缺乏有效應對。因此,本研究設計了一種變論域模糊自適應PID,該控制算法可在采煤機運行過程中,對PID的參數進行調整,從而抑制死區等非線性因素對控制系統的影響。采煤機調高系統的完整控制策略如圖5所示。

圖5 控制策略

如圖5所示,在控制過程中,模糊控制器ΙΙ根據系統的誤差e及其變化率ec,實時輸出ΔKp,ΔTi,ΔTd, 從而對PID的3個參數進行調節。模糊控制器Ⅰ同樣根據輸入量的變化,輸出伸縮因子αe,αec,βu來改變模糊控制器Ⅱ的論域。變論域部分的加入,可極大程度地提高模糊控制的精度。這樣,當滾筒的受力發生波動時,控制系統能夠通過對PID的自適應調整,改變系統的增益,進而提高了控制的準確度。

3.2 變論域模糊控制器的設計

所設計的兩級模糊控制器在原理上一致,設計過程類似,為節省篇幅,僅介紹模糊控制器Ⅰ的設計過程,模糊控制器Ⅱ只給出模糊規則表[19]。

模糊控制器Ⅰ采用兩輸入、三輸出的結構。將輸入誤差e及誤差變化率ec的論域分別設為[-0.2,0.2],[-0.6,0.6],包含5個模糊子集：NB,NS,ZO,PS,PB;將伸縮因子αe,αec,βu的論域分別設置為[0.5, 6],[-1, 2],[0.5, 1.3],包含5個模糊子集：NB,NS,ZO,PS,PB,分別代表重度壓縮、輕度壓縮、不壓縮、輕度放大、重度放大。輸入輸出的隸屬度函數全部采用三角型函數,模糊推理采用Mamdani規則,解模糊算法采用重心法。兩級模糊控制器的規則表如表1、表2所示。

表1 模糊控制器Ⅰ的規則表(αe,αec,βu)Tab.1 Rule table of fuzzy controller Ⅰ (αe,αec,βu)

表2 模糊控制器Ⅱ的規則表(ΔKp,ΔTi,ΔTd)Tab.2 Rule table of fuzzy controller Ⅱ(ΔKp,ΔTi,ΔTd)

4 聯合仿真

本研究采用聯合仿真方式,利用SimulationX物理建模軟件,建立液壓回路的模型。相比于數學建模,物理建模能夠盡可能多的考慮到系統的非線性因素,包括液壓回路的黏性阻尼、泵和缸的泄漏、摩擦模型等等。變論域模糊PID等控制部分則由Simulink來實現,利用兩個軟件各自的優點,使得研究結果更加準確。閉式泵控采煤機調高系統聯合仿真模型見圖6、圖7,主要參數見表3,其他參數參考仿真模型。

表3 仿真模型參數Tab.3 Simulation model parameter

圖6 Simulink模型

圖7 SimulationX模型

4.1 節能效果驗證

為驗證閉式泵控采煤機調高系統的節能效果,以傳統的閥控回路作為對比。在對閥控系統建模時,除了必要的修改,其他部分的結構參數與泵控系統完全一致。將目標信號設置為斜坡信號,0.5 s時開始上升,5 s時到達200 mm的目標位置。這里以滾筒的調高和定位過程為一個周期,不考慮調高系統在重力作用下的下放過程,得到系統輸入能量E、功率P以及位置x隨時間t變化的曲線,如圖8所示。

圖8 能量曲線

從圖8可以看出,在輸入輸出完全相同的條件下,傳統的閥控采煤機調高系統,在滾筒的上升和定位過程中,由于閥的節流作用,系統對動力源的功率需求很大,能量達到了151.35 kJ。相較之下,閉式泵控采煤機調高系統能夠顯著降低系統的輸入功率,整個過程消耗的能量僅為38.2 kJ,節能效果顯著。

4.2 定位能力驗證

系統在接近目標定位高度后,會經歷短暫的過渡過程并最終進入一種相對平衡狀態,即調高系統進入穩態,此時,油缸實際高度與目標位置的誤差被稱為穩態誤差,它是衡量系統定位能力強弱的重要指標。仿真時將目標信號設為斜坡信號,0.5 s開始上升,5 s時到達目標高度200 mm,8 s開始下降,12 s時回到50 mm,以考察系統的雙向定位能力。系統在不同控制算法下的位置響應曲線如圖9所示,誤差分析表見表4。

表4 誤差分析表Tab.4 Error analysis table

圖9 系統的位置響應曲線

結合圖9及表4可以看出,變論域模糊PID能夠顯著提高閉式泵控采煤機調高系統的定位能力,滾筒在上升和下放的過程中, 穩態誤差分別為0.57 mm,0.60 mm,相較于傳統的PID控制,誤差可分別減小70.7%,65.3%。

4.3 抗負載擾動能力驗證

如前文所述,采煤機截割部在實際工作時,其受力會頻繁發生變化。因此,為驗證系統在變論域模糊PID控制下的抗負載擾動能力,加入圖10所示的隨機性負載干擾F,仿真結果如下。

圖10 系統在隨機性負載擾動下的響應曲線

由圖10可以看出,在隨機性負載的作用下,變論域模糊PID控制下的系統,滾筒的位置曲線波動幅度基本不超過1 mm。顯然,所設計的控制方法,能夠顯著提高系統的抗負載擾動能力。

5 結論

采煤機調高系統常采用閥控方式實現,本團隊則研究了一種閉式泵控采煤機調高系統,主要結論如下：

(1) 與閥控方式相比,閉式泵控采煤機調高系統在滾筒的舉升和定位過程中,節流及溢流損失很小,因此,該系統可顯著降低動力源的功率需求,同時,也極大地提高了系統的能量效率;

(2) 泵控系統由于嚴重的非線性問題,使得滾筒的定位精度低下。為此,設計了一種變論域模糊自適應PID來補償系統的非線性因素。仿真結果表明,與PID控制相比,變論域模糊PID可顯著提高系統的定位能力,穩態時,系統的誤差可減小65%以上;

(3) 所設計的控制方法,可有效增強系統的抗負載擾動能力,能夠減小滾筒在工作過程中的抖動,從而提高了閉式泵控采煤機調高系統的運行平穩性。