基于模糊PID 的掘錨一體機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳新銳

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦，山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

目前，煤巷掘進(jìn)應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備為掘錨一體機(jī)，但是我國(guó)針對(duì)掘錨一體機(jī)的研究還處于起步階段，尤其是對(duì)該設(shè)備的控制技術(shù)還未能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其功率的最佳匹配控制。比如：當(dāng)煤層或者巖層硬度較高時(shí)，設(shè)備仍以高速運(yùn)轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致設(shè)備電機(jī)燒壞；而當(dāng)煤層或者巖層硬度較低時(shí)，不能及時(shí)調(diào)高掘進(jìn)速度，從而降低設(shè)備的掘進(jìn)效率[1]。本文著重對(duì)掘錨一體機(jī)的功率匹配控制進(jìn)行研究。

1 掘錨一體機(jī)總功率需求

本文以ZJM4200 掘錨機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合模糊控制理論對(duì)掘錨一體機(jī)的掘進(jìn)功率、掘進(jìn)速度與所處工作面煤層或者巖層的硬度之間的關(guān)系進(jìn)行研究。此外，為保證掘錨一體機(jī)的輸出功率能夠根據(jù)工作面煤層或者巖層硬度的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，采用模糊控制理論與PID 控制相結(jié)合的方式，保證掘錨一體機(jī)功率匹配控制的穩(wěn)定性和可靠性。

為實(shí)現(xiàn)掘錨一體機(jī)的上述控制需求，需精確采集掘錨一體機(jī)大臂的截割位移、垂直擺角等參數(shù)，實(shí)時(shí)獲取掘錨一體機(jī)的電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度以及液壓油壓力等參數(shù)。

根據(jù)掘錨一體機(jī)功率分配原則，要求掘錨一體機(jī)截割功率為其額定功率的85%，即對(duì)應(yīng)掘錨一體機(jī)最佳截割電流值為135 A。也就是說(shuō)，當(dāng)截割功率為其額定功率的85%時(shí)既可滿足掘錨一體機(jī)的截割要求，又可為其保留足夠的功率余量，以確保其使用煤層或者巖層硬度的變化[2]。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，得出不同煤巖層硬度下截割速度與截割深度和截割電流之間的關(guān)系如表1 所示。

表1 截割速度與截割電流、截割深度之間的關(guān)系

2 掘錨一體機(jī)PID 控制器的設(shè)計(jì)

2.1 掘錨一體機(jī)功率匹配控制原理

掘錨一體機(jī)電機(jī)電流值的采集是基于電流互感器實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)電流互感器所采集到的電機(jī)電流值進(jìn)行分析掌握掘錨一體機(jī)電機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率，進(jìn)而間接地反應(yīng)出掘錨一體機(jī)實(shí)時(shí)面對(duì)的煤層或者巖層的硬度。

一般的，在煤巖層硬度相對(duì)穩(wěn)定的工作面工作時(shí)，掘錨一體機(jī)截割電機(jī)的電流值相對(duì)穩(wěn)定，而當(dāng)煤巖層硬度發(fā)生突變時(shí)掘錨機(jī)截割電機(jī)的電流值會(huì)發(fā)生突變。通過(guò)對(duì)截割電流值變化量或變化率進(jìn)行計(jì)算，基于模糊控制理論的PID 控制系統(tǒng)對(duì)掘錨一體機(jī)截割部換向閥的開口大小進(jìn)行控制，從而通過(guò)對(duì)掘錨一體機(jī)大臂下擺速度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘錨一體機(jī)截割電機(jī)輸出功率的控制，從而達(dá)到掘錨一體機(jī)高效掘進(jìn)的目的[3]。功率匹配控制原理如下：當(dāng)控制系統(tǒng)所檢測(cè)到掘錨一體機(jī)截割電流值小于其電機(jī)的額定電流值時(shí)，通過(guò)增大掘錨一體機(jī)大臂的擺動(dòng)速度，增大其截割深度，對(duì)應(yīng)的截割阻力也增大，從而使其截割電流值增大，最終保證掘錨一體機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到掘錨一體機(jī)截割電流值大于其電機(jī)的額定電流值時(shí)，通過(guò)減小掘錨一體機(jī)大臂的擺動(dòng)速度，使其截割部所承受的載荷減小，對(duì)應(yīng)電機(jī)的電流值也減小。

2.2 掘錨一體機(jī)模糊PID 控制器的設(shè)計(jì)

掘錨一體機(jī)的截割速度在一定程度上與煤巖層的硬度相關(guān)。為了保證巷道的掘進(jìn)效率不受影響，需根據(jù)巷道煤巖層的硬度對(duì)其大臂垂直擺動(dòng)速度進(jìn)行高效控制。具體控制流程如下。

掘錨一體機(jī)模糊控制器通過(guò)采集到截割電機(jī)的實(shí)時(shí)電流值（電流值可通過(guò)表1 中的關(guān)系進(jìn)行換算）與所檢測(cè)到大臂的擺動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比結(jié)果模糊控制器得出對(duì)應(yīng)的控制結(jié)果，并控制電比例閥的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大臂擺動(dòng)液壓缸伸縮速度的控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)掘錨一體機(jī)大臂擺動(dòng)速度的控制[4]。

針對(duì)掘錨一體機(jī)，為其大臂垂直擺動(dòng)速度的控制設(shè)計(jì)如式（1）所示的傳遞函數(shù)：

2.3 掘錨一體機(jī)模糊PID 控制系統(tǒng)的仿真分析

設(shè)定掘錨一體機(jī)的大臂的初始擺動(dòng)速度為7 m/min，截割電機(jī)的初始電流值為135 A，為驗(yàn)證傳統(tǒng)掘錨一體機(jī)功率匹配控制和基于模糊控制理論與PID 控制器相結(jié)合控制系統(tǒng)的控制效果，在上述初始條件下延時(shí)5 s 給定階躍信號(hào)，對(duì)比不同控制系統(tǒng)下大臂擺動(dòng)速度和截割電機(jī)電流值的控制效果。經(jīng)仿真分析可知：

2.3.1 掘錨一體機(jī)大臂擺動(dòng)速度仿真

仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 大臂擺動(dòng)速度仿真結(jié)果

如圖1 所示，對(duì)于大臂擺動(dòng)速度的控制而言，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下掘錨一體機(jī)在5.9 s 左右可穩(wěn)定在階躍信號(hào)下對(duì)應(yīng)大臂的擺動(dòng)速度3.5 m/min，而采用模糊控制理論和PID 控制器相結(jié)合的控制系統(tǒng)在5.6 s 即可達(dá)到平衡狀態(tài)。而且，在模糊控制理論下大臂擺動(dòng)速度的振幅較小，振蕩較少。

2.3.2 掘錨一體機(jī)截割電機(jī)電流仿真

仿真結(jié)果如圖2 所示。

對(duì)于截割電機(jī)的控制而言，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下掘錨一體機(jī)在7.3 s 左右可重新穩(wěn)定于135 A，而采用模糊控制理論和PID 控制器相結(jié)合的控制系統(tǒng)在7.0 s 即可達(dá)到平衡狀態(tài)。而且，在模糊控制理論下大臂擺動(dòng)速度的振幅較小，振蕩較少[5]。

圖2 截割電機(jī)電流曲線

通過(guò)仿真分析可知，基于模糊控制理論和PID控制器相結(jié)合的控制系統(tǒng)可確保掘錨一體機(jī)功率匹配控制的振幅小于3%，且從突變工況到最終趨于穩(wěn)定所需時(shí)間小于0.6 s。

3 掘錨一體機(jī)功率匹配控制系統(tǒng)的應(yīng)用

將上述控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際掘進(jìn)任務(wù)中，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集得出如表2 所示的結(jié)果。

表2 掘錨一體機(jī)功率匹配應(yīng)用效果

表2 與表1 對(duì)比可得，在相同截割速度和同等硬度的煤巖層下表2 中的實(shí)際截割深度與截割電流值與表1 中的理論值幾乎一致，即證明所提出了功率匹配控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效、安全生產(chǎn)，要求掘錨一體機(jī)可根據(jù)所截割煤巖的硬度對(duì)其截割速度、截割深度進(jìn)行調(diào)整。本文所設(shè)計(jì)的基于模糊控制理論和PID控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)可確保掘錨一體機(jī)功率匹配控制的振幅小于3%，且從突變工況到最終趨于穩(wěn)定所需時(shí)間小于0.6 s，可實(shí)現(xiàn)對(duì)掘錨一體機(jī)功率的精準(zhǔn)控制。