采煤機截割高度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的研究

劉 杰

（西山煤電集團公司官地礦， 山西 太原 030022）

引言

隨著科技水平的不斷發(fā)展，煤礦井下綜采作業(yè)自動化程度得到了極大地提高，采煤機作為一種高效的煤炭綜采設備，在煤礦井下占據(jù)著十分重要的地位，其工作時的穩(wěn)定性和自動化程度直接決定了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和安全性。采煤機在工作中主要是依靠調(diào)節(jié)懸臂的角度實現(xiàn)不同高度煤炭的截割，但由于煤礦井下地質(zhì)條件復雜，通常采用人工控制的方式進行截割作業(yè)，在實際應用中，人工極易疲勞，經(jīng)常發(fā)生觸頂事故，導致截齒損壞，極大影響了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和安全性。因此本文根據(jù)長期工作經(jīng)驗，在對采煤機調(diào)高系統(tǒng)進行深入分析的基礎上，提出了一種截割高度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，利用變結構控制的原理，實現(xiàn)井下復雜條件下的精確高度控制。實際應用表明，該控制系統(tǒng)具有結構簡單、控制精度高，對復雜環(huán)境適應性好的優(yōu)點，具有極大的應用推廣價值。

1 變結構控制原理

變結構控制是一種新的基于非線性化特性的控制原理[1]，適用于在控制邏輯中存在不確定性大的控制結構，在控制過程中通過不斷切換系統(tǒng)信號控制量來確?？刂茢?shù)據(jù)沿著理論的控制曲線進行，確保了當系統(tǒng)受到外界的干擾作用時能夠快速回到既定的控制滑模面。

采用變結構控制對采煤機工作過程中的懸臂高度進行調(diào)節(jié)的機理是，以懸臂驅(qū)動油缸活塞桿的位移傳感器監(jiān)控數(shù)據(jù)為基本的調(diào)整函數(shù)[2]，以此為基礎建立變結構控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，然后設定采煤機懸臂工作過程中的控制切換函數(shù)和變結構控制規(guī)律，獲得最終的具有數(shù)據(jù)修正的采煤機變結構控制邏輯，滿足對采煤機工作時懸臂調(diào)節(jié)高度的精確、穩(wěn)定控制，變結構控制邏輯如圖1所示。

圖1 變結構調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)示意圖

2 采煤機變結構調(diào)高控制系統(tǒng)的仿真分析

該采煤機變結構調(diào)高控制系統(tǒng)中，根據(jù)采煤機所用的執(zhí)行油缸，在仿真分析時設定其工作時的固有頻率為25 Hz，其液壓控制系統(tǒng)的阻尼比[3]為0.3，執(zhí)行油缸的活塞截面積為16×10-3m2，活塞桿的截面積為4×10-3m2，利用仿真分析測試系統(tǒng)分別對采用變結構調(diào)高控制和傳統(tǒng)控制方式的控制效果進行仿真分析，不同控制方式下的采煤機調(diào)高機構位移跟蹤量變化情況如圖2所示。

圖2 不同控制方式下采煤機調(diào)高機構位移跟蹤曲線示意圖

由仿真分析結果可知，當采用傳統(tǒng)的控制方式時，采煤機的調(diào)高機構對位移跟蹤的修正緊跟理論輸出的控制量，但在位移跟蹤發(fā)生變化的位置，傳統(tǒng)控制方式的位移跟蹤和實際理論控制值之間有約0.2 m的差值，并且在變化時會有約0.15 s的提前或者滯后量，極易導致采煤機截割滾筒在工作時出現(xiàn)觸頂、提前落刀，影響煤炭回采率。當采用變結構控制時，采煤機調(diào)高機構在控制下能夠很好地與理論輸出控制量相匹配，僅在位移量變化時出現(xiàn)約0.05 s的提前量或者滯后量，對采煤機調(diào)高機構高度調(diào)節(jié)影響可以忽略不計，完全能夠滿足在煤礦井下對采煤機搖臂的調(diào)高控制要求。

3 采煤機變結構調(diào)高控制系統(tǒng)的試驗驗證

在仿真分析的基礎上，本文以煤礦井下采煤機為試驗對象，對該控制系統(tǒng)在采煤機上的實際應用情況進行驗證，對采煤機搖臂調(diào)節(jié)油缸位移的監(jiān)測采用了德國進口的拉繩位移傳感器[4]，其具有0.0005%的重復精度，測量線性度好，對井下惡劣環(huán)境的適應性強，能夠最大限度地確保對采煤機搖臂調(diào)節(jié)位移控制的精確性。在試驗時將該位移傳感器設置在執(zhí)行油缸的活塞桿上，同時在執(zhí)行油缸的進液口和出液口位置均設置有壓力傳感器，滿足對工作過程中執(zhí)行油缸工作壓力的監(jiān)測，采煤機在工作過程中執(zhí)行油缸活塞桿的目標跟蹤曲線如圖3所示。

圖3 不同控制方式下采煤機調(diào)高機構位移跟蹤曲線示意圖

由仿真分析結果可知，當采用變結構調(diào)高控制系統(tǒng)后，采煤機調(diào)高機構在工作過程中的位移變化情況完全按照目標位移曲線進行，在調(diào)整過程中的偏差小于1 mm，受擾動情況下能夠快速進行跟蹤數(shù)據(jù)的修正，使其滿足對目標位移曲線高精度跟蹤調(diào)整的控制效果。

4 結論

1）變結構控制是一種新的具有非線性化特性的控制原理，適用于在控制邏輯中存在不確定性大的控制結構，在控制過程中通過不斷切換系統(tǒng)信號控制量來確?？刂茢?shù)據(jù)沿著理論的控制曲線進行，控制精度高；

2）當采用變結構控制時，在位移量變化時出現(xiàn)約0.05 s的提前量或者滯后量，對采煤機調(diào)高機構高度調(diào)節(jié)影響可以忽略不計，完全能夠滿足在煤礦井下對采煤機搖臂的調(diào)高控制要求；

3）當采用變結構控制時，采煤機調(diào)高機構在工作過程中的位移變化情況完全按照目標位移曲線進行，在調(diào)整過程中的偏差小于1 mm，受擾動情況下能夠快速進行跟蹤數(shù)據(jù)的修正。