采煤机截割高度自动调节控制系统的研究

刘 杰

（西山煤电集团公司官地矿， 山西 太原 030022）

引言

随着科技水平的不断发展，煤矿井下综采作业自动化程度得到了极大地提高，采煤机作为一种高效的煤炭综采设备，在煤矿井下占据着十分重要的地位，其工作时的稳定性和自动化程度直接决定了煤矿井下的综采作业效率和安全性。采煤机在工作中主要是依靠调节悬臂的角度实现不同高度煤炭的截割，但由于煤矿井下地质条件复杂，通常采用人工控制的方式进行截割作业，在实际应用中，人工极易疲劳，经常发生触顶事故，导致截齿损坏，极大影响了煤矿井下的综采作业效率和安全性。因此本文根据长期工作经验，在对采煤机调高系统进行深入分析的基础上，提出了一种截割高度自动调节控制系统，利用变结构控制的原理，实现井下复杂条件下的精确高度控制。实际应用表明，该控制系统具有结构简单、控制精度高，对复杂环境适应性好的优点，具有极大的应用推广价值。

1 变结构控制原理

变结构控制是一种新的基于非线性化特性的控制原理[1]，适用于在控制逻辑中存在不确定性大的控制结构，在控制过程中通过不断切换系统信号控制量来确保控制数据沿着理论的控制曲线进行，确保了当系统受到外界的干扰作用时能够快速回到既定的控制滑模面。

采用变结构控制对采煤机工作过程中的悬臂高度进行调节的机理是，以悬臂驱动油缸活塞杆的位移传感器监控数据为基本的调整函数[2]，以此为基础建立变结构控制系统的状态方程，然后设定采煤机悬臂工作过程中的控制切换函数和变结构控制规律，获得最终的具有数据修正的采煤机变结构控制逻辑，满足对采煤机工作时悬臂调节高度的精确、稳定控制，变结构控制逻辑如图1所示。

图1 变结构调节控制系统示意图

2 采煤机变结构调高控制系统的仿真分析

该采煤机变结构调高控制系统中，根据采煤机所用的执行油缸，在仿真分析时设定其工作时的固有频率为25 Hz，其液压控制系统的阻尼比[3]为0.3，执行油缸的活塞截面积为16×10-3m2，活塞杆的截面积为4×10-3m2，利用仿真分析测试系统分别对采用变结构调高控制和传统控制方式的控制效果进行仿真分析，不同控制方式下的采煤机调高机构位移跟踪量变化情况如图2所示。

图2 不同控制方式下采煤机调高机构位移跟踪曲线示意图

由仿真分析结果可知，当采用传统的控制方式时，采煤机的调高机构对位移跟踪的修正紧跟理论输出的控制量，但在位移跟踪发生变化的位置，传统控制方式的位移跟踪和实际理论控制值之间有约0.2 m的差值，并且在变化时会有约0.15 s的提前或者滞后量，极易导致采煤机截割滚筒在工作时出现触顶、提前落刀，影响煤炭回采率。当采用变结构控制时，采煤机调高机构在控制下能够很好地与理论输出控制量相匹配，仅在位移量变化时出现约0.05 s的提前量或者滞后量，对采煤机调高机构高度调节影响可以忽略不计，完全能够满足在煤矿井下对采煤机摇臂的调高控制要求。

3 采煤机变结构调高控制系统的试验验证

在仿真分析的基础上，本文以煤矿井下采煤机为试验对象，对该控制系统在采煤机上的实际应用情况进行验证，对采煤机摇臂调节油缸位移的监测采用了德国进口的拉绳位移传感器[4]，其具有0.0005%的重复精度，测量线性度好，对井下恶劣环境的适应性强，能够最大限度地确保对采煤机摇臂调节位移控制的精确性。在试验时将该位移传感器设置在执行油缸的活塞杆上，同时在执行油缸的进液口和出液口位置均设置有压力传感器，满足对工作过程中执行油缸工作压力的监测，采煤机在工作过程中执行油缸活塞杆的目标跟踪曲线如图3所示。

图3 不同控制方式下采煤机调高机构位移跟踪曲线示意图

由仿真分析结果可知，当采用变结构调高控制系统后，采煤机调高机构在工作过程中的位移变化情况完全按照目标位移曲线进行，在调整过程中的偏差小于1 mm，受扰动情况下能够快速进行跟踪数据的修正，使其满足对目标位移曲线高精度跟踪调整的控制效果。

4 结论

1）变结构控制是一种新的具有非线性化特性的控制原理，适用于在控制逻辑中存在不确定性大的控制结构，在控制过程中通过不断切换系统信号控制量来确保控制数据沿着理论的控制曲线进行，控制精度高；

2）当采用变结构控制时，在位移量变化时出现约0.05 s的提前量或者滞后量，对采煤机调高机构高度调节影响可以忽略不计，完全能够满足在煤矿井下对采煤机摇臂的调高控制要求；

3）当采用变结构控制时，采煤机调高机构在工作过程中的位移变化情况完全按照目标位移曲线进行，在调整过程中的偏差小于1 mm，受扰动情况下能够快速进行跟踪数据的修正。