基于RBF的掘进机自适应PID推进控制系统

苏国亮

(山西焦煤集团 岚县正利煤业有限公司，山西 吕梁 033500)

煤矿掘进机在工作时主要依靠旋转的截割机构将岩层进行破碎作业，掘进机工作时的掘进速度、工作压力以及岩层硬度直接影响掘进机截割机构的输出转矩，决定着掘进机的实际工作效率[1]. 目前，对掘进机联合控制系统的研究，并没有对速度和压力之间的相互影响因素进行分析，当作用在截割机构上的载荷冲击忽然增大、截割机构推进油缸运行速度变小时，系统仍然会按预定的速度控制程序给出推进速度增加的信号，导致掘进速度出现反复的波动，严重影响掘进机的工作效率，降低了系统的工作可靠性。

为优化掘进机控制系统结构，提升掘进效率，以掘进机的掘进速度和系统的工作压力为研究对象，将系统的压力作为掘进机掘进速度调节的反馈信号，利用神经网络对PID自适应控制进行调整，实现利用PID对系统溢流阀和速度调节阀的控制，精确调整比例阀的开口大小，确保掘进机的掘进速度和自适应控制器所设定的运行速度的吻合。

1 掘进机液压推进系统的工作原理

掘进机推进系统的液压原理见图1，在执行推进作业时，液压泵工作，将液压油从油缸中抽出通过比例调速阀及电磁换向阀进入到推进油缸的无杆腔内，推进掘进机执行机构前进，在无杆腔进油的过程中同步调整溢流阀的压力，确保无杆腔推进过程中压力的稳定。设置在进油管路上的压力变送器和执行油缸上的速度变送器分别实时监测系统的压力和活塞杆的行程，经过自适应控制器的分析，发出反馈信号给调速阀，完成对液压控制系统的调整。在该液压推进控制系统中将在某个单位时间内的无杆腔工作压力的均值作为调整推进速度的联合控制输入信号，系统的实际工作压力大于设定压力时推进速度的增量将保持恒定不变，如果实际工作压力小于系统设定压力，则系统的推进速度将由RBF-PID自适应控制器进行反馈调节控制。

1—安全阀 2—液压泵 3—比例调速阀 4—电磁换向阀 5—比例溢流阀 6—压力变送器 7—执行油缸 8—速度变送器图1 掘进机推进系统的液压原理图

2 掘进机液压推进系统的建模

掘进机液压推进系统在工作中，系统比例调速阀的流量方程可表示为：

q2=kq2y2

式中：

kq2—单位阀芯位移所对应的流量，L/min·mm；

y2—比例溢流阀的阀芯的位移，mm；

q2—比例调速阀的流量，L/min.

节流阀工作时阀芯的运动方程可表示为[2]：

式中：

D2—流体流动时的黏性摩擦系数；

FM2—阀芯运动时电磁铁作用在阀芯上的推力，N；

k2—阀芯上复位弹簧的刚度，N/mm；

m2—节流阀的阀芯质量，kg.

推动油缸的连续性流量方程可表示为：

式中：

A—活塞杆的横截面积，m2；

Ctc—液压油的黏滞阻尼系数；

E—液压油的体积弹性模量；

V—推动缸高压腔的容积,L；

pL—负载的压力，MPa.

推动油缸的活塞杆运动方程可表示为：

式中：

M—活塞杆及执行机构的总重量,kg；

FL—执行机构作用在活塞杆上的负载，N；

K—弹簧的负载刚度，N/mm；

BV—弹簧的阻尼系数；

x—活塞杆的位移,mm.

3 推进系统的RBF-PID自适应控制原理

RBF-PID自适应控制器包括PID控制器以及RBF神经网络控制器两个部分。RBF神经网络控制器根据输入的数据信息分析识别出该目标数据的近似数学模型，然后利用该数据模型替代所输入的控制目标，同时对PID控制器的控制参数进行分析，实现数据目标的自适应调整，掘进机自适应推进控制系统的工作原理见图2.

图2 掘进机推进系统的自适应控制原理示意图

由图2可知，在该控制模式下，系统将掘进机的实际推进速度和推进油缸活塞杆的速度对比，计算出两者之间的差值并输入到自适应控制器中，在神经网络控制器的作用下对输入PID控制器中的数据信息进行不断调整，确保掘进机的实际推进速度与系统设定速度的差值维持在要求的范围内。系统同时会对推动油缸无杆腔处的压力变化情况进行不间断监测，若压力已达到系统设定的压力则将对掘进机的推进速度进行降速调整，避免作用在截割滚筒上的压力过大损坏截齿，当压力小于设定压力时则增加推进速度，确保截割效率。

4 掘进机液压推进系统工作特性的仿真分析

利用AMEsim仿真分析软件建立掘进机液压系统的系统模型，利用MATLAB仿真分析软件建立自适应控制系统的模型[3]，在进行联合仿真分析时将应用系统中压力调节阀和调速阀系统设定的目标值作为MATLAB的设定输出值[4]，液压推进系统速度变化曲线见图3.

图3 掘进机液压推进系统速度变化曲线图

由图3可知，当在进行仿真分析时，将速度调节阀的目标速度设置为0.8 mm/s，在仿真开始的第4 s给系统一个60 kN的负载扰动，在联合自适应控制器的作用下系统仅需约0.1 s即可恢复到稳定运行状态并快速达到设定的速度。

推进油缸在负载突变情况下的控制输出量变化曲线见图4. 由图4可知，在作用于截割机构上的负载发生突然增大时，系统并没有将油压信号作为速度调整的执行信号，而仅将其作为一个速度调节的参考量，当压力达到设定值时控制器所输出的速度调节增量为零，见图4b)中的虚线。由此表明，在采用基于RBF的掘进机自适应PID推进控制系统调节的情况下能够有效避免工作中掘进机掘进速度与工作压力之间的协调性，避免出现压力及速度突变的情况，维持掘进机截割推进系统的平稳运行。

5 结 论

通过对掘进机液压推进系统工作原理的分析，建立了液压推进系统的数学模型，利用AMEsim及MATLAB仿真分析软件对掘进机掘进推进系统工作特性进行了分析，结果表明：

图4 压力突变时的控制器输出变化情况图

1) 在作用于掘进机截割机构上的负载出现突变时，该控制系统能够对其进行快速响应，并确保推进系统的速度快速、平稳地达到设定值。

2) 利用系统工作压力的变化作为速度调节修正信号，在两者之间建立动态联系能够有效降低推进速度的调整误差，确保速度调整的准确性。

3) 基于RBF的掘进机自适应PID推进控制系统能有效地提升掘进速度和工作压力的匹配性，对外界负载扰动的抑制作用明显，有效提升了掘进机的掘进效率。