理論與實踐：基于模糊PID算法的采煤機記憶截割路徑自適應(yīng)研究
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作者：鄭曉敏
隨著煤炭開采技術(shù)的提高，煤礦綜采工作面無人化開采將成為煤炭生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢。采煤機作為煤礦綜采工作面的核心設(shè)備，其自動化運行是實現(xiàn)綜采工作面無人化生產(chǎn)的關(guān)鍵，而實現(xiàn)采煤機的自動化運行的前提是采煤機滾筒截割路徑的自適應(yīng)調(diào)整。采煤機滾筒截割路徑自適應(yīng)調(diào)整的根本目的就是在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的煤層中，截割滾筒能夠自動適應(yīng)煤層頂板和底板的起伏變化，并判斷煤層的厚度，進而調(diào)整截割滾筒的高度，實現(xiàn)采煤機滾筒截割路徑的自適應(yīng)調(diào)整。
1 記憶截割路徑自適應(yīng)控制方案
采煤機滾筒截割路徑自適應(yīng)控制系統(tǒng)由記憶截割、路徑跟蹤和路徑自適應(yīng)3個部分組成，其控制流程如圖1所示。
1.1 采煤機記憶截割原理
采煤機沿水平方向牽引行走以及截割滾筒在垂直方向的高度調(diào)節(jié)是采煤機截割過程中最重要的兩個動作，其中通過截割滾筒的高度變化實現(xiàn)滾筒截割路徑的改變，進而使得采煤機截割滾筒避開煤層頂板、底板和斷層，避免采煤機截割到硬度較高的巖石而造成損壞。
采煤機記憶截割過程由操作人員控制采煤機沿工作面煤層進行切割，機載控制器記錄采煤機截割路徑中各記錄點的位置數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和動作指令。在自動化截割采煤時，采煤機按照存儲的采集數(shù)據(jù)和指令自動控制滾筒調(diào)高，實現(xiàn)采煤機自動運行。
1.2 截割路徑跟蹤
在采煤機記憶截割過程中，機載控制器實時讀取當(dāng)前滾筒位置和滾筒推移油缸位移量。在截割滾筒移動到a記憶點時，機載控制器會讀取記憶路徑中的a+l記憶點對應(yīng)地調(diào)高油缸位移量，根據(jù)a與a+l記憶點油缸推移量差值和水平距離，機載控制器計算油缸調(diào)控電磁換向閥的通斷時間。在采煤機截割滾筒運行到a+l記憶點時，機載控制器制定a+l到a+2點間的運行方案，以此類推。這種控制方案計算量小且無累計誤差，從而保證截割路徑跟蹤精度。
1.3模糊PID控制組成和原理
采煤機截割路徑的自適應(yīng)依據(jù)是記憶截割過程中采煤機的狀態(tài)信息，其中主要數(shù)據(jù)為滾筒截割負載，其調(diào)整的對象為截割滾筒的高度。在路徑的自適應(yīng)過程中，判斷是否截割到硬度較高的巖石是控制的關(guān)鍵，在滾筒截割到巖石后其截割電機電流將迅速升高并超出正常范圍。試驗表明截割電機電流與截割負載存在對應(yīng)關(guān)系，因此建立截割電機電流與截割負載的數(shù)學(xué)模型，由機載控制器采集到的截割電機電流計算出采煤機的截割負載。根據(jù)機載控制器采集到的采煤機狀態(tài)信息，運用模糊PID控制算法調(diào)整推移油缸電磁換向閥通斷時間。通過調(diào)節(jié)電磁換向閥通斷時間實現(xiàn)截割滾筒高度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)截割路徑自適應(yīng)。模糊PID控制流程圖如圖2所示，滾筒調(diào)高機構(gòu)工作原理如圖3所示。
2 模糊PID控制器的設(shè)計
為了使路徑自適應(yīng)控制結(jié)果達到要求，本控制結(jié)構(gòu)采用二維輸入和三維輸出控制器，把滾筒記憶截割高度與實際截割高度誤差e及其變化率ec作為輸入，PID控制的3個調(diào)節(jié)參數(shù)變化值△kp、△k1和△kD作為輸出。通過PID控制的3個調(diào)節(jié)參數(shù)變化值與截割高度誤差e及其變化率ec的模糊關(guān)系，機載控制器對采集的信息和記憶信息不斷檢測并計算偏差e及其變化率ec的值，然后根據(jù)專家整理好的模糊關(guān)系對△kp、△k1和△kD，進行修改，進而實現(xiàn)對3個調(diào)節(jié)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。
2.1 輸入輸出語言變量的模糊化
設(shè)定調(diào)高偏差e及其變化率ec經(jīng)過模糊后為E和Ec，其中輸入偏差e的基本論域為[一e，e]，E論域為[一3，一2，-1，0，1，2，3]，輸入偏差變化率ec的基本論域為[-ec，ec]，Ec論域為[一3，一2，-l，0，1，2，3]。
輸出△kp基本論域為[-m，m]，量化論域△kp一[-3，-2，-l，0，1，2，3]，輸出△k1和△kD的模糊量化原理與△kP相同。
2.2硝定輸入輸出變量的模糊子集及其隸屬度函數(shù)
輸入變量E和Ec與輸出變量△kP、△k1和△kD的模糊子集同為[NB，NM，NS，ZO，
PS，PM，PB l，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。
通過隸屬函數(shù)實現(xiàn)精確量的模糊化，本系統(tǒng)中輸入變量E和Ec與輸出變量△kp、△k1和△kD的隸屬函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)，如圖4所示，根據(jù)三角形隸屬函數(shù)的曲線特征得到的輸入變量E和Ec隸屬函數(shù)見表1，得到的輸出變量△kp、△k1和△kD，的隸屬函數(shù)見表2。
2.3 制定模糊規(guī)則
總結(jié)專家、現(xiàn)場人員和工程人員的技術(shù)知識和操作經(jīng)驗，獲取3個調(diào)整參數(shù)控制規(guī)則，得到針對△kp、△k1和△kD自整定的模糊控制表見表3。
2.4 模糊PID參數(shù)計算
采煤機在運行過程當(dāng)中，機載控制器不斷地計算滾筒記憶截割高度與實際截割高度偏差e和偏差變化率ec，并對其模糊化，然后通過模糊控制查詢表得到△kP、△k1和△kD的值，根據(jù)kp=k'P+{E，Ec} △kp、k1=k’1+{E，Ec、}△k1和kD =k'D+ {E，Ec} △kD調(diào)整公式得出最佳的PID參數(shù)值，最終完成對PID控制器參數(shù)的調(diào)整。
3模糊PID控制算法截割路徑自適應(yīng)仿真和分析
為了驗證采用模糊PID控制算法實現(xiàn)采煤機滾筒調(diào)高的效果，在采煤機滾筒調(diào)高實驗平臺對其進行實驗，設(shè)定實驗工作面長度為100 m，走向長為800 m，煤層厚度為3.5～4.5 m，得到采煤機路徑自適應(yīng)仿真路線如圖5所示。其中圖中實線為煤層與巖層的分界線，“*”所代表的曲線為經(jīng)模糊PID控制算法調(diào)整后的實際運行曲線，由此表明使用模糊PID控制算法調(diào)整后的滾筒截割路徑能較好的避開巖層，有效地保護采煤機截割部件，并且調(diào)整后的截割路徑平滑，有利于采煤機截割路徑控制，符合截割路徑的自適應(yīng)要求。利用Matlab中動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink完成對控制系統(tǒng)的動態(tài)建模和仿真，以采煤機試驗平臺為分析研究實例，其滾筒調(diào)高系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為X(S) /Q (S)一50000/[S (0. 94S2+ 2S+1000)】=50000 /den(S)。得到原系統(tǒng)、常規(guī)PID控制系統(tǒng)和模糊PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線對比如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，采用模糊PID算法的截割路徑自適應(yīng)控制達到了調(diào)整量小和調(diào)整速度快的目的。
4 結(jié)論
(1)基于模糊PID控制算法的采煤機記憶截割路徑自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)在MG900/2210 - WD型電牽引采煤機1：6樣機模型構(gòu)成的采煤機試驗系統(tǒng)上進行了驗證，該試驗系統(tǒng)具有和真實采煤機相同的控制功能，并完善了采煤機的原有傳感體系。實驗結(jié)果證明了該控制方法的可行性，其控制精度滿足設(shè)計要求。
(2)在Matlab進行動態(tài)仿真，得到原系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線、PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線和模糊PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，通過響應(yīng)曲線對比分析，該系統(tǒng)具有超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間少、響應(yīng)速度快和穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點，動態(tài)特性和靜態(tài)特性能均得到明顯改善，能更好地滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。、
5摘要
針對綜采工作面采煤機滾筒截割路徑不確定的特點，以采煤機記憶截割路徑相應(yīng)位置的截割參數(shù)為基礎(chǔ)，利用模糊PID算法對截割滾筒油缸進行控制，使得在記憶截割路徑的對應(yīng)參數(shù)和實際路徑對應(yīng)參數(shù)不一致時，實現(xiàn)采煤機滾筒截割路徑自適應(yīng)調(diào)整。通過輸入現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采煤機滾筒截割路徑仿真試驗結(jié)果表明，該算法可以使采煤機在復(fù)雜地質(zhì)條件的煤層中快速調(diào)整截割路徑，調(diào)整后的路徑平穩(wěn)且可靠。
