基于自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制策略

毛　君　楊振華　潘德文

遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000

基于自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制策略

毛君楊振華潘德文

遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新，123000

摘要：針對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高和采煤工作面無(wú)人化存在的問(wèn)題，提出了基于電液位置伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。分析了采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高的依據(jù)條件，建立了采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，得到了采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的控制變量。采用自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制器，并分析了其穩(wěn)定性。利用MATLAB對(duì)采煤機(jī)調(diào)高控制器進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，采用自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割預(yù)定軌跡的準(zhǔn)確跟蹤，相對(duì)于PID控制技術(shù)，其跟蹤誤差較小，控制效果較理想。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；自動(dòng)調(diào)高；自適應(yīng)模糊滑模；控制策略

0引言

隨著煤礦機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，綜采工作面實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人開(kāi)采是必然趨勢(shì)。采煤機(jī)作為成套綜采裝備的重要組成部分，主要完成破煤和裝煤的任務(wù)，其較低的自動(dòng)控制水平將直接影響綜采“無(wú)人化”進(jìn)程的推進(jìn)。采煤機(jī)自動(dòng)控制主要包括變頻牽引和滾筒智能調(diào)高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，采煤機(jī)的大功率變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)比較成熟，然而，采煤機(jī)滾筒調(diào)高自動(dòng)控制方面，還有很多問(wèn)題有待解決[1]。煤巖界面的識(shí)別對(duì)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高很關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了γ射線探測(cè)、雷達(dá)探測(cè)、紅外溫度探測(cè)、截割力分析、振動(dòng)分析等煤巖界面識(shí)別技術(shù)方法，但實(shí)際應(yīng)用效果并不理想[2]。20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的記憶截割自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)，受工況復(fù)雜性和不確定性的影響，記憶截割的控制出現(xiàn)累積誤差，從而影響了自動(dòng)調(diào)高的控制效果。針對(duì)以上問(wèn)題，本文參考記憶截割理想軌跡，基于自適應(yīng)模糊滑?？刂评碚?，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的自適應(yīng)、模糊、非線性控制。

1采煤機(jī)記憶截割及外部干擾

1.1記憶截割技術(shù)

記憶截割是一種主動(dòng)控制方式，即采煤機(jī)司機(jī)操縱采煤機(jī)沿采煤工作面完成一個(gè)循環(huán)的截割，在此過(guò)程中，司機(jī)根據(jù)工作面實(shí)際情況調(diào)整前后滾筒的高度以及采煤機(jī)的牽引速度，實(shí)現(xiàn)截割軌跡的相對(duì)最優(yōu)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)首次人工調(diào)節(jié)的工作循環(huán)進(jìn)行采樣，記錄采煤機(jī)的相關(guān)工作參數(shù)，之后的幾次工作循環(huán)重復(fù)首次采樣得到的循環(huán)過(guò)程。

由于采煤機(jī)的牽引速度具有時(shí)變性，等時(shí)間采樣可能會(huì)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)不均勻、截割循環(huán)采樣與控制數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)，因此，應(yīng)提高采樣時(shí)間的密集程度，并保證等時(shí)間間隔采樣，在采煤機(jī)移動(dòng)相同位移的情況下，將采集的數(shù)據(jù)成組存儲(chǔ)，即密采稀存方式[3]。采樣周期應(yīng)考慮頂?shù)装迤鸱兓?、液壓支架推移?dòng)作、煤層落差等影響。

采煤機(jī)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高，自身的運(yùn)動(dòng)參數(shù)需實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，這就要求采煤機(jī)本身能夠?qū)崟r(shí)、全方位地監(jiān)控其姿態(tài)和工作狀態(tài)，監(jiān)控內(nèi)容主要包括采煤機(jī)的牽引速度、搖臂傾角，滾筒的采高、切割速度、切割深度、轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)信息、旋轉(zhuǎn)方向、進(jìn)刀位置、進(jìn)刀傾角等，以及采煤機(jī)的各種工作狀態(tài)和各種故障信息[4]。通過(guò)對(duì)采煤機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的整理，編制廣義記憶截割程序，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記憶切割，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人工干預(yù)。

1.2外部干擾

采煤機(jī)記憶截割過(guò)程中，外部干擾分為可知和不可知兩種。截割滾筒負(fù)載存在隨機(jī)性和不確定性，對(duì)采煤機(jī)滾筒截割和調(diào)高影響很大。采煤機(jī)在工作面的位置姿態(tài)可通過(guò)刮板輸送機(jī)和液壓支架上的傳感器檢測(cè)，其機(jī)身的縱向傾角和橫向傾角對(duì)滾筒調(diào)高有一定影響，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這對(duì)采煤機(jī)適應(yīng)煤層的變化和自動(dòng)化切割非常重要。

2采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)

2.1采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)組成

采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)主要由截割滾筒、搖臂、調(diào)高液壓系統(tǒng)和調(diào)高控制系統(tǒng)等組成。調(diào)高液壓系統(tǒng)是采煤機(jī)滾筒調(diào)高的動(dòng)力部分，當(dāng)煤層厚度隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，采煤機(jī)滾筒高度通過(guò)調(diào)高油缸的伸縮實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，目前，采煤機(jī)調(diào)高大都采用這種閥控缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)裝置[5]。在綜采工作面底板較平坦的工況下，需保持滾筒高度，液壓鎖可以實(shí)現(xiàn)滾筒高度的鎖定。在采煤機(jī)行進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)閥控缸電液位置伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的調(diào)高和保持，就完成了滾筒截割軌跡的調(diào)節(jié)。

對(duì)于采煤機(jī)滾筒調(diào)高的閥控缸電液位置伺服系統(tǒng)，還需要快速、高效、精確、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)來(lái)控制，隨著電液控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)式電磁閥控液壓系統(tǒng)逐步被穩(wěn)定性、精確度更好的電液比例控制和伺服控制液壓系統(tǒng)所取代。本文將以閥控缸電液位置伺服系統(tǒng)為對(duì)象，建立其數(shù)學(xué)模型。

2.2采煤機(jī)滾筒位置的確定

在采煤機(jī)沿工作面作業(yè)的過(guò)程中，截割滾筒位置的確定是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)高的前提。確定采煤機(jī)滾筒位置的方式有兩種，即通過(guò)傳感器檢測(cè)搖臂的擺角或調(diào)高液壓缸的行程。本文選擇了后者，因?yàn)檎{(diào)高油缸是采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過(guò)伺服液壓系統(tǒng)可直接控制其活塞位移，控制精度更高、響應(yīng)更快。滾筒高度與油缸行程的關(guān)系如圖1所示。

圖1　采煤機(jī)調(diào)高示意圖

2.3調(diào)高系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)為閥控非對(duì)稱(chēng)缸電液位置伺服液壓系統(tǒng)，除了具有液壓伺服系統(tǒng)所固有的非線性特性外，還受液壓缸兩腔有效面積非對(duì)稱(chēng)性的影響，這使得系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)非線性[6]。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，建立閥控非對(duì)稱(chēng)缸伺服系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

(1)

式中，u(t)為控制輸入；xi(t)為輸出信號(hào)函數(shù)，i=1，2，3；k為比例系數(shù)；M為負(fù)載質(zhì)量，kg；Ctp為液壓缸總泄漏系數(shù)，m3·Pa/s；K為油液等效體積彈性模量，N/m；Ff為摩擦力，N；FL為負(fù)載力，N；Vt為液壓缸兩腔容積，m3；A為液壓缸有效面積，m2；xv為閥芯位移，m；kv為閥芯位移比例系數(shù)；pL為負(fù)載壓力，Pa；ps為供油壓力，Pa；Cd為流量系數(shù)；ρ為油液密度，kg/L。

參數(shù)矢量a=[a1a2a3]隨液壓系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變，因而具有不確定性，b是一個(gè)非線性函數(shù)，d(t)隨著作用力的變化而構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)擾動(dòng)。a、b和d(t)決定了電液位置伺服系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)[8]。

3自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

針對(duì)非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊滑?？刂破鳎瑢⒒？刂浦械那袚Q函數(shù)作為模糊控制系統(tǒng)的輸入，設(shè)計(jì)了單輸入模糊控制器[9]，從而大大減少了模糊規(guī)則的數(shù)量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，在保持較好的魯棒性的基礎(chǔ)上，有利于減小抖振[10]。

在系統(tǒng)存在不確定性或有擾動(dòng)的情況下，控制目標(biāo)是令系統(tǒng)輸出變量快速跟蹤采煤機(jī)記憶截割的規(guī)劃軌跡的參數(shù)，設(shè)計(jì)的控制器使系統(tǒng)輸出y(t)跟蹤期望輸出信號(hào)xd。定義系統(tǒng)的跟蹤誤差為

e(t)=xd-y(t)

(2)

3.1控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于非線性的電液伺服位置控制系統(tǒng)：

x(n)=f(x，t)+bu(t)+d(t)

(3)

定義切換函數(shù)[11]為

s(x,t)=-ke=

(4)

k=[k1k2…kn-11]

其中，k1，k2，…，kn-1滿(mǎn)足Hurwitz多項(xiàng)式條件。

滑?？刂坡稍O(shè)計(jì)為

(5)

其中，切換控制律usw=ηsgns，η>0。

由式(3)、式(5)可得

(6)

(7)

當(dāng)f(x,t)、b、d(t)存在未知條件或參數(shù)時(shí)，式(5)難以得到明確的控制律，可采用模糊系統(tǒng)逼近控制律u(t)。取αi為可調(diào)參數(shù)，則

ufz(s,α)=αTξ

(8)

該控制器的模糊控制規(guī)則形式為

定義

(9)

式中，wi為第i條規(guī)則的權(quán)值。

根據(jù)模糊逼近理論，存在一個(gè)最優(yōu)模糊系統(tǒng)ufz(s，α*)來(lái)逼近控制律u(t)[12-13]:

u(t)=ufz(s，α*)+ε=(α*)Tξ+ε

(10)

式中，ε為逼近誤差，|ε|

采用模糊系統(tǒng)ufz逼近u(t)，則

(11)

采用切換控制律usw來(lái)補(bǔ)償u與ufz之間的誤差，則總控制律為

u(t)=ufz+usw

(12)

usw=-E(t)sgns(t)

3.2穩(wěn)定性分析

定義Lyapunov函數(shù)為

(13)

(14)

定義自適應(yīng)律為

(15)

則

(16)

4仿真分析

圖2　自適應(yīng)模糊滑?？刂葡到y(tǒng)原理

液壓缸總泄漏系數(shù)Ctp1流量系數(shù)Cd0.7液壓缸摩擦力Ff(N)350活塞有效面積A(m2)0.113油液彈性模量K(MPa)1000油液密度ρ(kg/m3)900

圖3　仿真模型

目前，采煤機(jī)調(diào)高控制大多采用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)，因此通過(guò)比較傳統(tǒng)PID控制器與本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊滑?？刂破鞯男盘?hào)跟蹤效果，來(lái)分析控制器的控制效果，確定設(shè)計(jì)的控制器是否可行。

圖4　控制輸入

首先，對(duì)控制器輸入脈沖方波，仿真時(shí)間為10s?？刂戚斎肭€見(jiàn)圖4，滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)際上是開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制軌跡變化。設(shè)置理想的脈沖曲線，脈沖的周期為2s，脈沖范圍為-60～60。

位置跟蹤曲線見(jiàn)圖5。根據(jù)控制的輸入信號(hào)，可以推斷理論的位置曲線應(yīng)為脈沖量，在0～4s內(nèi)，滑模控制的位置峰值更接近理想曲線，響應(yīng)速度更快；4～10s內(nèi)，滑?？刂茰?zhǔn)確的控制效果可以保持，穩(wěn)定性也較好，總體上優(yōu)于PID控制。

圖5　位置跟蹤

跟蹤誤差如圖6所示，基于PID控制的跟蹤誤差在過(guò)渡階段波動(dòng)較大。0～4s內(nèi)，兩種控制的跟蹤誤差都出現(xiàn)4個(gè)波峰，但滑?？刂频牟▌?dòng)幅度相對(duì)較??；4～10s內(nèi)，跟蹤誤差的趨勢(shì)與之前一致?？芍？刂聘櫺Ч谩?/p>

圖6　跟蹤誤差

滑模面形成過(guò)程如圖7所示，0～2s處于滑模面形成階段，模糊滑模控制器運(yùn)用模糊規(guī)則逼近系統(tǒng)的控制率，并通過(guò)自適應(yīng)算法不斷調(diào)整切換系數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)，使滑模面快速形成。

圖7　滑模面形成過(guò)程

5結(jié)論

(1)分析了采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制的理論前提，依據(jù)采煤機(jī)調(diào)高電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器，確定了滑?？刂坡珊颓袚Q控制律，利用自適應(yīng)算法估計(jì)了切換項(xiàng)系數(shù)，分析了控制器的穩(wěn)定性。

(2)以采煤機(jī)記憶截割的調(diào)高系統(tǒng)為理論依據(jù)，研究了控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性。通過(guò)仿真研究了脈沖方波控制輸入下控制器的跟蹤誤差與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制器穩(wěn)定、有效。

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(編輯張洋)

Control Strategy of Shearer Automatic Height Adjusting Based on Adaptive Fuzzy Sliding-mode Variable Structure

Mao JunYang ZhenhuaPan Dewen

Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000

Abtract: Owing to the problems of automatic height adjusting of shearer and mining coal working surface unmanned, control system of adaptive fuzzy sliding-mode variable structure was put forward, which was based on electro-hydraulic position servo system. The conditions of the shearer automatic height adjusting were analyzed. By establishing mathematical model of the shearer height adjusting system, the control variables of the shearer height adjusting system were gained. An automatic height adjusting controller that adopted the adaptive fuzzy sliding-mode variable structure control strategy was designed, and its stability was analyzed. MATLAB was used for automatic height adjusting controller simulation. The results show that the control system of adaptive fuzzy sliding mode variable structure achieves accurate tracking of shearer cutting along a predetermined trajectory. Compared with the PID control technology, the tracking error is small, and the control effect is ideal.

Key words:shearer; automatic height adjusting; adaptive fuzzy sliding-mode; control strategy

收稿日期：2015-04-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304107)；遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2012118)；遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(LT2013009)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271.4

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.014

作者簡(jiǎn)介：毛君，男，1960年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及仿真、機(jī)電一體化。發(fā)表論文100余篇。楊振華(通信作者)，男，1991年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。潘德文，男，1990年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。