采煤机滚筒自动调高控制系统优化技术

第3期（总第226期）机械工程与自动化2021年6月MECHANICAL

ENGINEERING

&

AUTOMATIONNo.

3Jun.文章编号：1672-6413（2021）03-0159-03采煤机滚筒自动调高控制系统优化技术杨亚东（太重煤机有限公司矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室，山西

太原030032）摘要：针对采煤机自动调高控制系统的工作特点和控制要求，首先分析了采煤机滚筒调高系统的组成结构和

工作原理，然后对调高控制系统的控制原理、各元件传递函数等进行了研究，并进一步分析了模糊PID算

法的控制原理及参数调整原则。在此基础上，利用Simulink软件分别建立了基于常规PID算法和模糊PID

算法的系统仿真模型并进行了仿真分析。仿真结果显示，模糊PID算法比常规PID算法有更快的响应速度

和更小的超调量，且抗负载干扰能力更强，能快速达到系统稳定状态，因此更加适合滚筒调高自动控制。关键词：采煤机；自动调高控制系统；模糊PID；滚筒中图分类号：TD421.

6+1

:

TP273

文献标识码：A0引言地下煤层的地质赋存状况变化较大，同一煤层在

开采过程中的厚度、倾角等存在较大变化，为最大程度

地采收当前工作面的煤炭资源，且避免滚筒截割煤岩，

要求滚筒高度依据当前位置的煤层状况进行及时调

整。调整方式分为两种，即采煤机司机手动调整和控

制系统自动调整。前者对司机的经验、操作熟练度等

要求较高,稳定性较差;后者可利用新的采煤工艺技术

实现滚筒高度的自动化快速调整，因此该技术成为采

煤机自动控制研究的热点。采煤机实际工况复杂多变，因此要求控制系统在时

变性和非线性条件下仍具有良好的控制稳定性。目前

常用的PID闭环反馈算法可一定程度满足稳定性要求,

但其控制参数仍依赖于人为经验设定，可能因参数设置

不当而出现控制不稳定现象口勺，因此仍需对常规的滚

筒自动调高控制系统进行优化，本文将对此进行研究。1滚筒自动调高系统组成及原理采煤机滚筒调高系统主要由液压系统、电气系统、

检测装置和机械执行机构等组成，如图1所示。其中，

液压系统包括阀组、泵、电机等，电气控制系统包括

PID控制器、D/A及A/D转换器、功率放大器等，检

测装置采用线性传感器，机械执行机构包括调高油缸、

摆臂等［4-6］。自动論高控制原理如下:控制器接收外部调整指

比,得出位移偏差，然后经过PID处理后再次输出控制

信号，阀芯微动,滚筒位置做出微调。上述过程动态进

行，由此可保证滚筒调高过程的自动化和稳定性。令，经过D/A转换将数字控制信号放大后作用在电液

比例阀相应位置的电磁铁上，控制阀芯按指定数值位

移，然后液压泵将高压乳化液注入阀芯移动后形成液压

管路，并进入调高液压缸的相应腔体内，控制油缸杆伸

出或缩回，滚筒高度相应调整，同时，油缸内的线性传感

器将位移信号传回电气控制系统，经A/D转换后进入

控制器，控制器将实际位移信号与输入位移指令进行对

收稿日期：2021-01-18；修订日期：2021-04-01图1采煤机滚筒自动调高系统组成示意图2自动调高控制系统数学模型2.

1

控制原理根据上述自动调高控制原理，可绘制滚筒调高系

作者简介：杨亚东（1979-）,男，山西乡宁人，高级工程师，硕士，主要从事采煤机设计方面的工作。

•

160

•机械工程与自动化2021年第3期统控制原理图，如图2所示。在此基础上，还需求取各

控制环节的数学传递函数,为后续建模研究提供基础。2.2

传递函数模型(1)

PID控制器。PID控制算法种类较多，相应

传递函数也不相同，需根据受控系统特性进行选择。

首先以常规PID算法为例，其传递函数如式(1)所示：G5=Kp(1

+

£

+

")・

⑴其中：瓦为常规PID算法的比例系数；匚、耳分别为

积分和微分常数。K八匚、兀三个参数一般需根据经

验进行设定。(2)

功率放大器。由于控制器输出功率较小，因

此需通过功率放大器将输出的电压信号按比例放大为

电流信号,特定大小的电流作用在电液比例阀的电磁

铁上产生磁力，并控制阀芯按比例位移值移动。由于

该环节主要是通过比例运算进行功率放大，因此其传

递函数表示如下：G.=Km

.

(2)其中:K况为功率放大系数。(3)

电液比例换向阀。相比于调高液压缸，电液比

例换向阀的响应速度更快，频率更高，其在控制系统中

的作用类似于比例环节，因此该元件的传递函数如下：G2=Kw

.

⑶其中：心为比例阀增益系数。(4)

阀控调高液压缸。阀控非对称调高液压缸是

控制系统的重要组成部分，假设系统供液的压力、温

度、密度均恒定不变，回液压力为零，且换向阀阀口为

紊流，液压缸各处泄漏为层流，则该部分传递函数表示

如下：KqXv

Kce

/

V,53

—

丄畧丄就

切

5

其中：Kg为流量增益系数；X。为换向阀阀芯位移值，为非对称液压缸两腔的平均面积,mm2

；Kcg为

总流量系数;Ai为非对称液压缸无杆腔面积

为液压缸的等效容积,mn?

©为压力介质的体积弹性

模量；現为外负载力，N；切为液压缸的固有频率，

Hz；&为液压缸的阻尼比。(5)

位移传感器。位移传感器安装在液压缸活塞

尾部,一般采用磁致伸缩式，可将活塞的位移信号转化

为电压信号输出，其响应速度较快，可简化处理为比例

环节,传递函数表示如下：G,=Kf

.

(5)其中：K于为传感器增益。3模糊PID优化控制算法对于具备非线性和时变性特点的系统，若要获得

稳定的控制性能，需对PID参数进行动态调整，而模

糊控制算法可满足此要求。3.1

模糊PID控制原理模糊PID控制以偏差幺和偏差变化率匕作为输

入信号，然后利用既定的模糊控制规则，对PID算法

中的K八匚、耳三个参数进行修正，最终输出动态修

正后的控制信号，由此可保证PID控制器时刻处于最

优工作状态。对于采煤机调高控制系统，可将滚筒边缘与顶板

岩石之间的距离作为偏差信号一并将其变化率ec作

为信号，然后输入模糊控制器中，模糊控制器将PID

算法参数的调整量△兀作为输出，并分别

输入至比例一积分一微分控制器中，由于检测信号不

断更新，因此可获得动态修正的控制信号输出，如图3

所示。图2滚筒调高系统控制原理图图3模糊PID优化控制原理图3.

2

参数调整原则模糊控制器设计中,为保证控制性能满足滚筒调高

生产要求,对参数K.d

的调整应遵循以下原则：(1)

当输入信号值幺偏大时，说明滚筒高度过低，

需要快速调高滚筒，且避免过大超调。因此，应将比例

常数Kp取较大值，以提高相应速度；积分常数T,取

极小或零值，即取消积分功能，以保证较小的超调量；

微分常数Td取中值，避免由于值过大而快速微分饱和。(2)

当输入信号值幺较小时，说明滚筒与顶板距

离较小，此时需保持滚筒高度和调高系统的稳定性和

抗干扰能力，避免振荡，因此应将Kp和匚取较大值。

Td的取值应参考偏差变化率匕的大小，当ec较小时，

Td取较大值，反之，儿取较小值。(3)

当输入信号e和匕均处于中等水平时，为保

证获得适当的响应速度，并减小控制结果的超调量，

Kp应取值偏小，匚、耳取值应适中。4仿真分析根据上述研究结果，利用MATLAB/Simulink软

件分别建立滚筒调高控制系统模型，包括常规PID算

法和模糊PID优化算法两种，具体仿真结果如下。4.

1

系统响应为对比两种算法对系统响应速度和超调量的影

响，分别给定相同的目标阶跃信号，仿真时间10

s,相

应调高油缸位移响应曲线如图4所示。由图4可知：

模糊PID算法的响应速度更快，约1.5

s即达到系统

稳定，超调量也更小，最大超调量仅为0.

11；而常规

PID算法的对应参数分别为3.

9

s和0.22。由此可

知，相比于常规PID控制，模糊PID控制系统的响应

速度和稳定性都更佳。4.2

抗负载扰动能力为对比两种算法在外负载扰动下的抗干扰能力，

在前述阶跃信号基础上，6

s时将外负载由200

kN突

变至400

kN,响应曲线如图5所示。由图5可知：模

糊PID算法可在1.

6

s内快速恢复稳定，且波动幅度

较小，而常规PID算法的平衡时间达到2.2

s。因此

2021年第3期机械工程与自动化•

161

•说明模糊PID算法对负载较大扰动工况有良好的适

应性。5结论(1)

相比于常规PID算法，模糊PID优化算法可

对PID算法中的Kp工和Tj三个参数进行在线动态

调整，从而适应滚筒调高控制系统的非线性、时变性、

强扰动等特性，使控制过程更稳定。(2)

系统建模仿真结果显示，模糊PID优化算法

比常规PID算法有更快的响应速度和更小的超调量，

且抗负载干扰能力更强，能快速达到系统稳定状态，因

此更加适合滚筒调高自动控制。参考文献：[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

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Technology

of

Automatic

Height

Control

System

of

Shearer

DrumYANG

Ya-dong(Laboratory

of

Mining

Equipment

and

Intelligent Manufacturing,Taiyuan

Heavy

Industry

Co.

,

Ltd.

,Taiyuan

030032,China)Abstract:

According

to

the

working

characteristics

and

control

requirements

of

the

shearer

automatic

height

adjustment

control

system,

firstly,

the

composition

structure

and

working

principle

of

the

shearer

drum

height

adjustment

system

are

analyzed,

and

then

the

control

principle

of

the

height

adjustment

control

system

and

the

transfer

function

of

each

component

are

studied.

Further

analyze

the

control

principle

and

parameter

adjustment

principle

of

fuzzy

PID

algorithm.

On

this

basis,

Simulink

software

was

used

to

establish

system

simulation

models

based on conventional

PID

algorithm and

fuzzy

PID

algorithm and

perform

simulation

analysis.

The

simulation

results

show

that

the

fuzzy

PID

algorithm

has

faster

response

speed

and

smaller

overshoot

than

the conventional

PID

algorithm,

and

has

stronger

anti-load

interference

ability,

and

can quickly

reach

the

stable

state

of

the

system,

so

it

is

more

suitable

for

the

automatic

control

of

the

drum

ds:

shearer；

automatic

height

adjustment

control

system；

fuzzy

PID；

drum(上接第158页)[3]

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of

Household

Natural

GasConcentration

Monitoring

DeviceLI

Zhi-wei,

LIU

Hong-jiang,

ZHAO

Zhan-guo(Henan

Technical

Institute, Zhengzhou

450042,

China)Abstract:

Natural

gas

as

a

clean

energy

has

been

widely

used

in

national

production

and life,

but

as

a

colorless

and

tasteless

combustible

gas,

leakage

and

explosion

will

bring

great

harm.

In

order

to

effectively

detect

the

concentration

of

natural

gas,

a

household

natural

gas

concentration

monitoring

device

is

desigend,

MQ-5

sensor

is

used

to

detect

the

concentration

of

natural

gas,

and

the

detection

signal

is

transferred

to

STC89C52

single

chip

computer

through

A/D

conversion,

and

the

single

chip

computer

carries

out

operation

processing.

If

the

detection

value

is

higher

than

the

preset

value

of

the

alarm,

the

audible

and

visual

alarm

shall

be

carried

out,

the

execution

action shall

be

started,

the

natural

gas

valve

shall

be

closed,

and

the

natural

gas

concentration

value

can

be

displayed

in

real

time

through

the

LCD1602

liquid

crystal

display

screen

in

the

whole

process.

After

testing,

the

system

achieves

the

expected

function,

can detect

the

concentration

of

natural

gas

in

the

environment

in

real

time

and

alarm,

reduce

the

incidence

of

dangerous

accidents,

and

the

design

cost

is

low,

stable

ds:

household

natural

gas

；

concentration

detection

device

；

monitoring

system