張志忠
(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心,山西 陽(yáng)泉045000)
采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架為綜采工作面的三大機(jī)電設(shè)備,號(hào)稱工作面的“三機(jī)”。在實(shí)際生產(chǎn)中,采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架三機(jī)的匹配程度直接決定工作面煤炭的生產(chǎn)效率和安全程度,即要求實(shí)現(xiàn)三機(jī)聯(lián)動(dòng),完成對(duì)三機(jī)的協(xié)調(diào)控制。目前,刮板輸送機(jī)和液壓支架目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制,而對(duì)于采煤機(jī)而言其單機(jī)控制功能還未真正意義上實(shí)現(xiàn),更別說(shuō)與刮板輸送機(jī)和液壓支架的三機(jī)聯(lián)動(dòng)控制[1]。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化控制的關(guān)鍵在于解決其根據(jù)工作面煤層、地質(zhì)等條件對(duì)其滾筒高度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。為此,本文研究滑模控制理念在采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)中的應(yīng)用,具體闡述如下。
采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制對(duì)象可以是搖臂、也可以是系統(tǒng)的截割部,還可以是采煤機(jī)本身,其控制目的是要求自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)能夠根據(jù)煤層厚度、硬度以及地質(zhì)等條件完成對(duì)滾筒截割高度的自適應(yīng)控制,從而保證采煤機(jī)的最佳截割效果,提升綜采工作面煤炭資源的回采率。目前,針對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)主要是對(duì)設(shè)備的搖臂高度進(jìn)行調(diào)整,其具有調(diào)高范圍大、裝煤效果好等優(yōu)勢(shì)。而且,調(diào)整采煤機(jī)搖臂的調(diào)高方式其對(duì)應(yīng)的調(diào)高油缸的安裝方式和位置相對(duì)靈活[2]。本文所研究采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制對(duì)象為搖臂,且調(diào)高油缸的安裝方式為水平安裝。
目前,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高功能主要基于記憶切割技術(shù),其對(duì)應(yīng)的控制原理框圖如圖1所示。
圖1 基于記憶切割技術(shù)的自動(dòng)調(diào)高控制原理框圖
如圖1所示,基于記憶切割技術(shù)的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)主要包括有控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)等分系統(tǒng)。其中,反饋系統(tǒng)主要基于煤巖界面自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集部件對(duì)所截割煤層的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集;控制系統(tǒng)根據(jù)反饋系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)完成對(duì)搖臂的自動(dòng)調(diào)高控制和采煤機(jī)牽引速度、牽引方向的控制。分析圖1可知,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高功能需對(duì)實(shí)時(shí)截割煤層的特性進(jìn)行充分掌握,對(duì)采煤機(jī)滾筒的負(fù)載特性進(jìn)行充分掌握,在此基礎(chǔ)上還需有效、可靠自動(dòng)調(diào)高控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割高度的控制。
目前,針對(duì)采煤機(jī)滾筒負(fù)載特性和工作面煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟。本文將重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究。
采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)包括通過(guò)基于換向閥對(duì)調(diào)高油缸進(jìn)行控制的繼電器控制系統(tǒng),還包括通過(guò)基于電液比例實(shí)現(xiàn)的連續(xù)控制系統(tǒng)。兩種液壓控制系統(tǒng)的對(duì)比具體闡述如下:
基于換向閥實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高功能的液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)。但是,此種液壓控制系統(tǒng)無(wú)法結(jié)合采煤機(jī)的記憶截割功能完成對(duì)工作面煤層的截割??偟膩?lái)說(shuō),基于換向閥對(duì)調(diào)高油缸的控制其整體控制性能較差,無(wú)法適應(yīng)采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜工況。
基于電液比例閥實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂或者截割部的自動(dòng)調(diào)高能夠復(fù)現(xiàn)上一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)的截割參數(shù),包括截割深度、截割速度以及搖臂高度等。
綜上所述,本文將采用以電液比例或伺服液壓控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高功能。
鑒于采煤機(jī)在實(shí)際截割過(guò)程中截割部的負(fù)載特性相對(duì)復(fù)雜,導(dǎo)致其液壓伺服控制系統(tǒng)的控制參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)受到較大的擾動(dòng),從而無(wú)法保證采煤機(jī)按照預(yù)期完成其滾筒的自動(dòng)調(diào)高功能。目前,工業(yè)生產(chǎn)中可靠性較高的控制策略包括有PID控制策略、模糊PID控制策略以及滑??刂撇呗缘?。
經(jīng)對(duì)當(dāng)前可應(yīng)用于采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制策略研究可知,目前主要以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的應(yīng)用最為廣泛。但是,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制還無(wú)法很好地適應(yīng)采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的參數(shù)突變性和非線性的問(wèn)題[3]。因此,急需將一種有效控制策略應(yīng)用于采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高控制中,滑??刂凭哂休^強(qiáng)的不確定動(dòng)態(tài)特性,尤其適用于非線性系統(tǒng)中。因此,為提升采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,本文將滑??刂评砟顟?yīng)用于自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)中。
從理論上講,滑??刂朴址Q為變結(jié)構(gòu)控制,其可有效解決在實(shí)際控制過(guò)程中所存在的模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)不符的問(wèn)題。鑒于采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)本身就屬于非線性、參數(shù)時(shí)變的控制系統(tǒng),尤其是設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各類液壓元器件的相關(guān)系數(shù)、介質(zhì)溫度等工況參數(shù)的變化對(duì)整體運(yùn)行的影響較大。因此,將滑??刂评砟顟?yīng)用于采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制是提升其控制效果最有效的方法。采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2中,f1為外界對(duì)采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的擾動(dòng);y為伺服控制系統(tǒng)對(duì)調(diào)高油缸控制的位移量。基于滑??刂茖?shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高功能需完成兩個(gè)核心步驟:
1)建立采煤機(jī)伺服控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù);
2)設(shè)計(jì)可匹配的滑??刂破?,并提出有效的滑??刂埔?guī)律。
綜合上述兩步驟的結(jié)果最終得出滑??刂坪瘮?shù),如式(1)所示:
式中:kv是與采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸活塞左右兩個(gè)腔內(nèi)的有效面積相關(guān)的系數(shù),結(jié)合所研究采煤機(jī)的相關(guān)參數(shù),取200;wh為采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)中調(diào)高油缸的固有頻率,取26 Hz;ξh為調(diào)高液壓系統(tǒng)的阻尼比,取0.2。
為驗(yàn)證3.1中針對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高所設(shè)計(jì)滑??刂撇呗缘目刂菩Ч竟?jié)將對(duì)滑??刂破骱蛡鹘y(tǒng)PID控制器下對(duì)應(yīng)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比,主要考核項(xiàng)為對(duì)比兩種控制策略下采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)是否能夠按照預(yù)定路徑對(duì)截割高度進(jìn)行調(diào)整,并具體分析兩種控制策略下的控制誤差[4]。
假設(shè)采煤機(jī)按照正弦曲線的路徑對(duì)工作面的煤層進(jìn)行截割,即驗(yàn)證滑??刂坪蛡鹘y(tǒng)PID控制下采煤機(jī)截割高度是否與正弦曲線相匹配,仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示。
圖3 不同控制策略下軌跡的跟蹤情況對(duì)比
圖4 不同控制策略下對(duì)應(yīng)的跟蹤誤差情況對(duì)比
由仿真結(jié)果可知,當(dāng)滑模形成后,基于滑模控制下采煤機(jī)截割部與設(shè)定正弦曲線的匹配程度更好,且基于滑??刂频母櫿`差在系統(tǒng)形成滑模后其比傳統(tǒng)PID控制跟蹤誤差小的多[5]。也就說(shuō),基于滑??刂颇軌虮WC采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)獲得更好的控制效果。
采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備,其生產(chǎn)效率直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。為保證采煤機(jī)能夠根據(jù)其實(shí)際工況對(duì)其截割高度進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速控制,將滑??刂评砟顟?yīng)用于采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)中。經(jīng)仿真分析可知,基于滑??刂颇軌虼_保采煤機(jī)截割部按照預(yù)定路徑完成截割任務(wù),且跟蹤誤差遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)PID控制下的誤差。