自整定PID在采煤机自动控制系统的应用

梁 凯

(西山煤电(集团)有限责任公司 职业病防治所，山西 太原 030053)

0 引言

采煤机是煤炭开采最重要的设备之一，其控制性能关系到采煤效率和设备安全。采煤机自动控制系统中，截割部的滚筒调高和牵引部的电机调速是重要内容。采用PID控制器进行控制，对控制对象的数学模型准确性要求较高，参数整定比较困难，若参数选择不合适将会导致控制性能下降。将模糊算法、RBF神经网络算法与传统PID控制器相结合，使控制器具有参数自整定功能，改善了PID控制器的控制性能，使采煤机在采煤过程中自适应调整参数，提高了控制性能和设备安全性。

1 采煤机自动控制系统

采煤机自动控制系统的主要功能是对牵引部、截割部的控制以及对采煤机本身各类运行状态的感知。图1为采煤机自动控制系统结构，通过安装在采煤机机身各部位的旋转编码器、电流传感器、温度传感器和倾角传感器采集采煤机的运行状态，将工作面位置、电机电流、电机温度和采煤机姿态等信息通过模数转换或CAN通信接口上传至控制器，控制器将采煤机此时的运行状态和自动截割相关算法结合起来，计算出下次截割动作和牵引动作应执行的控制指令，并通过调高PID控制器向滚筒油缸和截割电机发出截割和调高指令，通过调速PID控制器向牵引电机发出转向和调速指令，完成对采煤机的自动控制。在自动控制过程中，所有的控制参数和运行数据都会通过保护逻辑进行处理，对异常或故障发出报警信号或停机指令。除上述基本的控制、监测和保护等功能外，在采煤机自动控制系统基础上发展的智能控制系统还增加了记忆截割和远程监控平台，控制器通过CAN总线将采煤机实时控制参数和运行数据发送给远程监控平台。

图1 采煤机自动控制系统结构

2 自整定PID控制器

PID控制是经典控制理论中一种简单有效的控制方法。如图2(a)所示，它首先取得被控量的给定值和实际值之差，然后对其进行比例、积分和微分运算，然后将三个运算结果相加作为控制器的输出值，被控对象在此控制指令下进行调整，在闭环反馈的作用下，被控量经过多次调整，逐步接近给定值，直到达到控制目标。传统的PID控制器只适用于线性时不变系统，然而在采煤机的运动过程中，由于某些不可预知的因素或被控对象的非线性特性，控制系统的数学模型可能会发生明显变化，因此传统PID控制已经不能满足采煤机智能化要求。自20世纪初开始就出现了一些对传统PID控制方法进行改进的控制思想，将传统的PID控制器与模糊控制、神经网络算法等结合起来，形成了一系列控制参数自整定的PID控制方法，体现了采煤机智能化的发展方向。图2(b)为基于RBF神经网络算法的自整定PID控制器结构图，在传统PID控制器的基础上，RBF神经网络模型以控制器输出u、控制对象输出yout、RBF神经网络模型输出和控制对象输出之差ymout-yout作为输入，输出为对PID参数的调整，在每一次闭环反馈的调整过程中，神经网络算法都会改变一次PID参数，使得PID参数迅速收敛于合适的值，这样就加快了动态调整的时间，在被控对象发生变化后依然能够保持控制的有效性。

图2 传统PID控制器和自整定PID控制器结构

3 自整定PID在采煤机调高中的应用

随着我国智能化矿山的建设，采煤机作为煤炭领域的重要设备，逐步发展出了多种智能化技术，包括记忆截割技术、液压支架和采煤机联动技术、工作面显示与信息传输技术等。其中记忆截割技术是采煤机一项重要的智能化技术，它通过人工示范第一刀，将采煤机工作面位置、行走方向、自身姿态等信息与第一刀的截割动作进行对比分析，并与控制器调取的存储在内部的滚筒姿态进行对比。随着采煤机在工作面的行进，煤层的厚度和煤岩硬度不断发生变化，采煤机的调高摇臂会将截割滚筒的载荷返送给油缸，油缸在此反作用力的影响下经常损坏，因此在采煤过程中，滚筒的调高需要同步进行。控制器通过调整PID参数，使得滚筒调高的控制性能得到改善，实现自适应截割。滚筒调高是记忆截割技术中重要的控制过程，其工作原理为：通过传感器采集调高油缸的位置信息，通过A/D模块转换为数字信号处理器可接收的数字信号，控制系统经过模糊PID算法得出相应的控制信号，通过D/A转换器变换为模拟信号，然后经过驱动电路放大，对滚筒液压换向阀进行控制，液压换向阀在控制电压的作用下改变油缸的伸缩长度，从而改变调高油缸的高度。

4 自整定PID在采煤机调速中的应用

从技术发展的角度来看，我国生产的采煤机调速经历了液压调速、滑差调速和电气调速的过程。目前采用电气调速的国产采煤机已经占据了主要的市场，从调速电气设备原理来看，又分为交流变频调速方式、开关磁阻电机调速方式和电磁转差离合器调速方式，其中应用最为广泛的是交流变频调速，该方式效率高、性能好、成本低，对于异步电机的适应性强。但是由于变频器的机械特性，采煤机在大倾角工作面启动和停止时，若液压闸和变频器对电机的励磁配合不当，会产生转矩过大、电机堵转，导致牵引装置内部的齿轮损伤、负载突变时还会导致采煤机滑坡。为避免上述现象的发生，技术人员在采煤机大倾角启停过程中会根据采煤机机型和工作面倾角等现场情况拟定励磁时间和松闸时间，实现开环调速，这种方法的缺点一是依赖工作人员的经验，二是随着工作面的变化还得重新调整参数。有研究人员将模糊自整定PID控制器和串级控制结合起来，通过变频器输出电流的变化改变采煤机牵引部的运动状态，当采煤机工作在大倾角工作面时改善了动态调节过程，使得采煤机平滑调速，避免下滑。液压调速适用于大惯量采煤机控制系统，具有力矩大、控制精度高的特点，有研究人员将RBF神经网络和PID控制器结合起来，对电液恒功率系统进行调速设计，相比于传统的PID控制器，该控制方式具有更高的精度和响应特性。

5 结束语

传统PID控制器的参数是固定的，在采煤机滚筒调高和牵引部调速等非线性时变系统应用场景中性能不够优秀。将模糊算法、RBF神经网络算法等与传统PID控制器结合起来，使得控制器具有参数自整定的功能，在采煤机滚筒调高、变频调速和电液恒功率调速中发挥了突出的作用，实现了提高控制精度，降低故障率的控制效果。随着我国智慧矿山的发展，采煤机的智能化控制将越发体现出其省人工、高效率的优势。