龐燕飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔州朔煤王坪煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

煤炭作為現(xiàn)階段我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分，其直接影響著我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。掘進(jìn)機(jī)是煤炭開采中的重要機(jī)械設(shè)備，代替了傳統(tǒng)的爆破作業(yè)模式，增加了煤炭井下開采的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了安全、快速、高效開采。全斷面掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓為一體的大型機(jī)械，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了提高掘進(jìn)機(jī)的控制水平，必須將掘進(jìn)速度與掘進(jìn)機(jī)自身的電液控制相匹配，保證其能夠穩(wěn)定地開展工作[2]。全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)一般設(shè)置有兩種驅(qū)動(dòng)方式，一種是液壓驅(qū)動(dòng)，另一種是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)相比較電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著大功率傳輸、過(guò)載保護(hù)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。隨著煤炭開采環(huán)境以及開采難度的不斷加大，對(duì)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)提出了更高的要求。本文通過(guò)對(duì)全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的電液控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提出了基于模糊-PID 算法控制全斷面推進(jìn)系統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)，能夠促進(jìn)全斷面掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)概述

1.1 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

全斷面掘進(jìn)機(jī)作為煤炭開采巷道掘進(jìn)的主要設(shè)備，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了集機(jī)電液一體化。本文研究的全斷面掘進(jìn)機(jī)是主要針對(duì)其推進(jìn)部分進(jìn)行的，使其更加適合煤礦井下的開采環(huán)境。全斷面掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)是由敏感液壓泵、比例調(diào)速閥、敏感多路閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及其他配件組成的。在其工作的過(guò)程中通過(guò)對(duì)比例調(diào)速閥的動(dòng)作來(lái)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)油缸的運(yùn)動(dòng)方向以及流量的大小[3]。其中敏感液壓油泵結(jié)構(gòu)采用的是斜盤式軸向柱塞泵，實(shí)現(xiàn)了輸出流量與驅(qū)動(dòng)速度比例呈正比且能夠無(wú)級(jí)調(diào)速。敏感液壓油泵中有負(fù)載傳感閥、功率控制閥以及壓力切斷閥等，負(fù)載傳感閥通過(guò)對(duì)壓力的感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，以達(dá)到調(diào)整調(diào)節(jié)泵的輸出量[4]。當(dāng)液壓泵的輸出功率低于設(shè)定的切斷功率時(shí)，液壓泵的流量與負(fù)載傳感閥的壓力無(wú)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)其他執(zhí)行元件的工作狀態(tài)不受其干擾。當(dāng)液壓泵的輸出功率高于設(shè)定值時(shí)，PLC 控制器會(huì)根據(jù)壓力數(shù)據(jù)的大小對(duì)相對(duì)應(yīng)的液壓閥進(jìn)行控制，保證其在一定的控制范圍內(nèi)。例如對(duì)液壓缸進(jìn)行調(diào)整，使其液壓油減少或者增加保持在一定的壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定。全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)如圖1所示。敏感多路閥實(shí)現(xiàn)了對(duì)全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)、電比/流量可調(diào)、壓力/電比例可調(diào)等。

圖1 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)

1.2 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)工作原理

全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)在工作過(guò)程中是通過(guò)以下方式來(lái)運(yùn)行的：全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的前支撐部分有上、下兩個(gè)部分，上、下兩部分的支撐是半圓弧形的，前下支撐是由左、右兩個(gè)支撐靴組成的。當(dāng)全斷面掘進(jìn)機(jī)要實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作時(shí)，要利用上、下兩個(gè)支撐進(jìn)行調(diào)整。推進(jìn)動(dòng)作時(shí)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的支點(diǎn)是前后撐靴。利用前后撐靴的反作用力以及傳遞反扭距實(shí)現(xiàn)全斷面掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)動(dòng)作。掘進(jìn)機(jī)完成機(jī)身狀態(tài)的調(diào)整后，撐靴支撐到巖壁且達(dá)到相應(yīng)的壓力后關(guān)閉換向閥等。在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓油的壓力和流量等進(jìn)行準(zhǔn)確控制。刀盤在推進(jìn)油缸的作用下，開展切削工作，滾刀對(duì)巖面進(jìn)行切削，切削出來(lái)的巖石經(jīng)過(guò)收集后到達(dá)收集口，再通過(guò)運(yùn)輸螺旋機(jī)將其輸送到轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程。全斷面推進(jìn)系統(tǒng)掘進(jìn)過(guò)程如圖2 所示。

圖2 全斷面推進(jìn)系統(tǒng)掘進(jìn)過(guò)程

2 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的工作環(huán)境在井下，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到對(duì)瓦斯的防護(hù)、井下濕潮的環(huán)境。全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)在工作時(shí)需要進(jìn)行大量的采集、傳輸工作，并實(shí)施控制，將其在顯示屏上進(jìn)行顯示。在電力供電方面選擇的是交流1 140 V高壓供電，利用變壓器將其降到220 V 和127 V，再通過(guò)開關(guān)電源等對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓至24 V，以保證各部件的供電。全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)需要多種傳感器進(jìn)行對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用GUC1200A型位移傳感器安裝到掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)缸前段對(duì)油缸的行程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GPD60 壓力傳感器安裝到推進(jìn)系統(tǒng)的各個(gè)液壓管路中，對(duì)管路中液壓油的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GWD70 溫濕度傳感器對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)環(huán)境中的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)工作環(huán)境中溫濕度過(guò)高的現(xiàn)象。掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的核心控制器采用西門子S7-300PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖3 所示。全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度控制模式采用速度控制和壓力控制相結(jié)合的方式，同時(shí)結(jié)合模糊-PID 控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)井下復(fù)雜作業(yè)的實(shí)時(shí)調(diào)控。

圖3 PLC 硬件現(xiàn)場(chǎng)安裝

3 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)模糊-PID 控制仿真模擬

全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)模糊-PID 控制模型如圖4 所示。為了保證其能夠有效地進(jìn)行使用，利用Simulink 環(huán)境下聯(lián)合AMESim 仿真。通過(guò)AMESim 將全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)壓力以及流量采集出來(lái)，利用Simulink 構(gòu)建PID 控制算法，結(jié)合采集到的推進(jìn)壓力以及流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID 運(yùn)算，利用Zigler-Nichols 對(duì)PID 的參數(shù)進(jìn)行整定運(yùn)算。PID 參數(shù)如表1 所示。

表1 PID 參數(shù)參考

圖4 全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)模糊-PID 控制模型

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行建模，在Simulink 中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，階躍信號(hào)設(shè)置為1 mm/s，在5 s 左右對(duì)系統(tǒng)施加120 kN 的擾動(dòng)負(fù)載，最終取得了PID 與模糊-PID 的速度響應(yīng)曲線對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 PID 與模糊-PID 速度響應(yīng)曲線

通過(guò)圖5 速度響應(yīng)曲線對(duì)比能夠反映出PID 控制算法和模糊-PID 控制算法相比較，模糊-PID具有更加良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且其控制的穩(wěn)定性也優(yōu)于PID 控制算法，更好地驗(yàn)證了模糊-PID 的有效性和實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

全斷面掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備，其對(duì)煤炭的開采速度有著至關(guān)重要的作用，為了保證全斷面掘進(jìn)機(jī)能夠提高其掘進(jìn)速度和掘進(jìn)效率，本文對(duì)全斷面掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，闡述了掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)以及其工作原理，結(jié)合液壓和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全斷面掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)，采用模糊PID 控制方式實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)更加精準(zhǔn)的控制和更加可靠的控制。最后利用模擬仿真分析對(duì)比模糊-PID 控制與普通PID 控制的優(yōu)劣，驗(yàn)證了模糊-PID 控制更加具有可靠的有效性和較高的實(shí)用性，為全斷面掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，促進(jìn)了煤礦更加朝著自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。