礦用綜掘機液壓系統的模糊PID遠程控制技術研究

0 引言

礦用綜掘機（礦用綜合掘進機）作為關鍵的采掘設備，其性能和效率直接關系到礦井的生產能力和經濟效益。近年來，隨著自動化技術的不斷發展，礦用綜掘機遠程控制系統逐漸成為提高采礦效率和保障人員安全的重要手段。在礦用綜掘機遠程控制研究方面，廖曉梅等[1]利用局域網遠程連接PLC可編程邏輯控制器，并將數據向網絡云服務器的傳輸，用戶可通過手機或上位機實現水電閥門液壓系統無線遠程控制。余億坤等[2通過遠程模塊連接PLC控制器，并將數據上傳至互聯網云平臺，可在客戶端通過上位機監控垃圾壓榨機液壓系統。但兩者均面臨控制效率不高的挑戰。

礦用綜掘機的工作環境復雜、負載變化大，其液壓系統采用PID控制技術難以達到理想的控制效果。而模糊PID遠程控制技術可以適應液壓系統的狀態，對其運行進行精確控制。遠程控制系統作為礦用綜掘機重要組成部分，其可靠性和實時性可以提高其運行效率和運行安全。本文采用模糊PID控制技術，增強礦用綜掘機液壓系統的自適應性和抗干擾性，使得礦用綜掘機在遠程操作中能夠更迅速、精確地執行采掘作業。

1基于模糊PID的礦用綜掘機液壓系統遠程控制技術

1.1礦用綜掘機液壓系統的結構分析

礦用綜掘機的截割作業裝置主要包含升降液壓缸、截割頭、回轉液壓缸以及回轉平臺。其中，升降液壓缸承擔調節截割頭在豎直維度上的位移動作，而回轉液壓缸則通過回轉平臺操控截割頭執行水平面上的旋轉動作。這兩種動作能夠根據具體作業需求獨立或協同動作[3]。此外，該截割作業裝置采用負載敏感泵來控制液壓缸的具體動作，并實現對截割頭動作的精準控制。

為了確保截割頭電動機轉速穩定性，液壓系統能夠有效地將截割臂的擺動動作轉化為液壓缸的線性位移，同時借助一個精密的反饋控制系統來維持速度的恒定狀態。液壓系統控制機制如圖1所示。

圖1液壓系統控制機理

液壓系統前向通道包括模糊PID控制器、比例放大器、泵控液壓缸和負載敏感泵等4個組件。反饋機制通過液壓缸線速度傳感器來獲取線速度數據。該傳感器用于測量掘進機液壓缸的實際線速度，并將其與理論線速度進行對比，從而調整負載敏感泵的開口大小，達到控制液壓缸伸縮量的目的。

1.2基于模糊PID的控制器設計

1.2.1隸屬函數的重要性

模糊集合在礦用綜掘機液壓系統中的應用核心在于建立隸屬函數，而保證隸屬函數的有效性，對于模糊集合的恰當運用至關重要。盡管從直觀感受而言，隸屬函數的設定具有一定的主觀性，但在液壓系統中，模糊性主要源于設備元件間不可忽視的執行差異。

1.2.2模糊集合隸屬條件

在構建模糊集合的隸屬函數時，應當遵循客觀實際，確保依據的是科學規律，而非個人主觀的判斷或臆測。運用增量法來確定液壓系統中與PID控制器相關聯的模糊集合隸屬條件。在全域 D 內，隨機選取一個模糊分類元素 W₀ ，并記錄下在PID控制器作用下的增量結果△W。在液壓系統控制流程中，該模糊分類元素 W₀ 對應的增量補差值 Δe₀（w₀） 維持恒定，可導出以下微分方程：

式中： D 代表全域內， Δe₀ 代表增量補差值， W₀ 代表一個模糊分類元素， 代表一個模糊分類元素W₀ 對應的增量補差值，△W代表在PID控制器作用下的增量結果， δ 代表液壓系統的設備， e₀ 代表增量。

1.2.3模擬PID控制器核心工作原理

在液壓系統的實際運行場景中，由于多種復雜因素的交織影響，受控對象的實際響應值往往難以精確維持在預設的數值參數范圍內，從而導致控制偏差產生。PID控制器調節組件承擔著將液壓系統反饋的實測數據與預設的數值參數進行比對分析的任務[4]。在處理流程中，針對產生的偏差數據執行微分、積分及比例算法，從而得出一個校正信號。該校正信號用于精確調整綜掘機液壓執行機構的位置偏差，此過程即為模擬PID控制器的核心工作原理。PID控制器作為一種基于線性控制理論的實用控制設備，依據預設的理想狀態參數來設定并校正實際輸出值，并通過對比這二者來量化液壓系統的實際控制誤差。通過融合多個物理量信息，并借助模糊集合的隸屬度函數進行邏輯處理，可以生成相應的控制指令，進而實現對被控對象的精細調節與控制。

α（w₀） 將設為恒定值、 β（w₀） 設為期望輸出值，參考式（1），則PID控制器的控制算法可以用下列表達式來描述：

式中： A（w₀） 代表某個模糊分類元素控制量， ? 代表基于模糊PID原理的線性元件控制系數。

1.2.4將各項輸入轉換成標準化格式

對輸入控制量實施模糊離散化處理，把各項輸入轉換成標準化的輸出格式[5]。該流程起始于將輸入量轉換為模糊邏輯域中的語言變量值，終結于產生標準化的輸出變量值，此即為液壓系統控制中的模糊化處理步驟。鑒于系統主控單元的運算能力局限，所有輸入指令均被簡化為二進制編碼形式，具體為“0”與“1”兩種狀態。

在PID控制器應用的場合下，液壓系統控制核心僅能辨識8位長度的指令輸入，其表達式如下：

式中： k 代表液壓系統主控實際能識別的位數上限。

設定“1111”為最高識別等級，代表所有控制語言變量均處于完全激活的狀態，而 ⁶⁶0000^′′ 則代表最低識別等級，意味著所有控制語言變量均處于非激活的狀態。在由 ⁶⁶0000^′′ 漸變至“1111”的過程中，盡管存在所有控制語言變量均顯示激活的情況，但這些狀態的真實程度并不等同于“1111”狀態所代表的絕對真實。具體的情況見表1所示。

表1控制語言變量值的真實性

1.3液壓系統模糊PID遠程控制

當液壓系統工作壓力下降到預設的切斷壓力閥值之下時[6]，泵的實際輸出效能將低于其標稱額定功率，此時即觸發負載敏感控制機制進入工作狀態。若負載組件所需的液壓流量低于泵的平均供給流量，PID控制器將切換到模糊控制模式運行。此時液壓系統內液壓水平達到飽和狀態，意味著模糊PID控制器正工作在其極限條件下。設定 ε₀ 為系統液壓面的初始值， ε₁ 為終止值，可以設定負載敏感泵的建模條件為：

式中： J 代表建模條件， ρ 代表液壓油的密度值， Δθ 代表負載敏感泵液壓動能在單位時間內的變化量。當液壓面處于初始位置時，負載敏感泵閥芯的位移 g_?0 初始化為 0^[7] 。在此條件下，采用模糊PID控制方法能有效維持液壓系統的穩定運行環境。當負載敏感泵的建模條件逐漸接近時，其表達式如下：

式中： ?₀ 、 ?₊ 分別代表液壓系統主閥芯在控制指令開始、終止時的轉速值， J₀，J₊ 。分別表示負載敏感泵建模條件的開始、終止數值。

設定主閥芯的上腔與下腔所分別承受的液壓作用力為 u₁ 和 u₂ ，在主閥芯保持恒定旋轉速度的情形下，電液比例閥的動態響應特性可通過以下傳遞函數進行描述：

式中： ε 代表電液比例閥的傳遞函數值， 代表單位時間內的液壓壓力均值， 代表液壓系統主閥芯的空轉率。將模糊PID控制算法融入該傳遞函數模型中，即可實現對礦用綜合掘進機液壓系統的遠程精準調控。

2實驗測試與分析

2.1 實驗準備

為驗證礦用綜掘機液壓系統模糊PID遠程控制技術的可行性，需進行實驗測試。該測試首先基于MATLAB/Simulink仿真軟件搭建實驗平臺，分別將本文設計與文獻[1]、文獻[2]方法代入該實驗平臺中，進行3種方法的控制效果比較分析。為此選取來自某公司的礦用綜掘機作為實驗對象，該礦用綜掘機的各項技術參數如表2所示。

表2礦用綜掘機技術參數

2.2實驗結果與分析

2.2.1控制精度測試

首先，對3種方法進行液壓系統控制精度的測試與分析。從測試結果可以看出，相比文獻[1]、文獻[2]方法的兩種控制方法，本文應用的模糊PID算法在對掘進機的轉速控制時表現出更高的控制精度。控制精度測試結果如圖2所示。

圖2控制精度測試結果

2.2.2 響應速度測試

然后對這3種方法的響應速度進行測試與評估。測試結果表明，本文應用的模糊PID算法能夠迅速響應系統變化，調整控制參數以維持系統穩定。響應速度測試結果如圖3所示。

綜上所述，基于模糊PID的礦用綜掘機液壓系統遠程控制方法，在實驗條件下表現出較高的控制精度和響應速度。因此，該方法能夠實現對液壓系統的精確遠程控制，可提高采礦效率和安全性。

圖3響應速度測試結果

3結束語

模糊PID遠程控制技術的應用，提高了礦用綜掘機液壓系統的控制精度和響應速度，增強了其在復雜工況下作業的適應性和穩定性。該控制技術具備對礦用綜掘機的實時監測和故障診斷功能，能夠及時發現并處理其潛在故障，確保其穩定運行和煤礦的持續開采。應用該控制技術提升了煤炭開采的智能化水平，降低了施工人員在危險區域的作業時間，提高了開采效率，為施工人員提供了更加安全、舒適的作業環境。未來應進一步優化控制算法和遠程控制系統，以適應礦用綜掘機更為復雜的采礦環境和更高的性能要求。

參考文獻

[1]廖曉梅，申晟，余億坤.水電閥門液壓系統無線遠程智能控制的研究[J].機床與液壓，2020，48（14）：91-95.

[2]余億坤，申晟，薛艷，等.垃圾壓榨機液壓系統無線遠程控制研究[J].機床與液壓，2022，50（6）：133-137.

[3]高晉，田慕琴，許春雨，等.基于雙CAN總線的薄煤層液壓支架電液控制系統研究[J].煤炭工程，2020，52（1）：143-147.

[4]沈偉，袁小康，劉明.基于事件觸發和擴展狀態觀測器的液壓位置跟蹤系統控制研究[J].機械工程學報，2022，58（8）：274-284.

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[6]郭京峰.基于改進PSO-BP神經網絡的挖掘機液壓系統故障診斷[J].現代制造技術與裝備，2024，60（11）：37-39.

[7]徐龍，丁其琦，譚帥，等.筒形閥電氣液壓同步控制系統控制策略優化[J].水電與新能源，2024，38（11）：59-61.