采煤机单神经元调高系统控制研究分析_安海峰.pdf

采煤机单神经元调高系统控制研究分析安海峰（晋能控股煤业集团马道头煤业有限公司，山西大同037101）摘要：采煤机调高控制系统对实现采煤机自动化综采具有重要的影响作用。采用电液比例阀的形式进行滚筒高度的闭环调节，并采用单神经元 PID 的策略进行控制。对其控制效果进行仿真分析，结果表明，单神经元 PID 控制均能够快速地达到系统稳定，并且超调量较小。关键词：采煤机；调高系统；电液比例阀；单神经元；PID 控制中图分类号：TD632.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0153-030引言采煤机是煤矿开采过程中重要的设备，采煤机的自动化程度对实现煤矿的自动化开采具有决定性的影响。我国具有大量的煤矿进行井下开采，开采效率受到较大的限制，必须提高煤矿综采的自动化水平，提高开采效率1。在采煤机的开采作业过程中，对采煤机自动化开采影响最大的是滚筒的调高控制。由于地下煤层的赋存条件不同，且地质结构多变，开采过程中需要提高滚筒的调高控制水平及效率2，从而提高采煤机的开采效率，保证煤矿自动化综采的实现。在采煤机滚筒调高控制系统中，常规换向阀控制的稳定性低，无法进行流量的精确控制，设计采用电液比例阀进行系统优化3，并运用单神经元控制策略对系统的调节进行控制。采用 MATLAB 软件对单神经元控制策略与常规 PID 控制的效果进行对比分析4，从而提高采煤机调高系统的控制精度及稳定性，提高煤矿的开采效率，实现工作面的自动化综采作业。1采煤机滚筒电液比例阀调高控制系统设计在采煤机滚筒的调高系统中，传统的采煤机采用电磁换向阀进行调高系统的控制，通过定量泵提供液压介质通过换向阀的动作对液压缸的伸缩进行控制5，实现滚筒的高度调节。这种控制方式由于换向阀的精度不足6，无法对液压系统的流量进行精确控制，造成调高系统的稳定性及控制精度较差7，无法适应采煤机自动化生产的需求。电液比例阀在多种自动化控制系统中具有较多的应用，输入与输出呈线性比例的关系，可以满足采煤机滚筒高度调节的精确化及自动化要求8。采用电液比例阀进行滚筒高度的调节，可以采用开环控制或闭环控制的方式。开环控制通过设定相应的控制信号进行电液比例阀的控制，对阀口的出入流量进行控制9，实现对采煤机滚筒的调节控制。开环控制的方式依赖于初始信号的控制，不能依据系统的变化进行动态调节。闭环控制的方式采用位移传感器监测液压缸活塞杆的实际运动位移量，并与输入的控制信号进行差值比对10，将误差信号经过 PID 控制或其他控制方式进行电液比例阀的调节，实现对滚筒高度的调节控制。闭环控制的方式可以依据系统的变化进行动态的反馈调节，采用闭环控制的方式对滚筒高度进行调节可以提高控制的精度及稳定性。2采煤机滚筒单神经元调高控制系统设计分析2.1单神经元 PID 控制系统的设计采用电液比例阀闭环控制的方式对采煤机滚筒调高系统的控制。在控制策略上，传统的 PID 控制是常用的控制方式，这种控制方式具有较好的鲁棒性及较高的可靠性，可以应用于滚筒高度的调节控制11。在 PID 控制系统中，对于系统的微分、比例及积分参数的设定，往往需要依据大量的测试及经验确定，且在采煤机的工况发生变化时，复杂的系统下对参数的调整较为困难。采煤机作业过程中滚筒高度的调节是复杂的非线性系统，常规的 PID 控制设定相应的参数后无法进行修改，不能进行控制精度的修正。神经网络是模仿生物神经网络行为特征，通过神经元进行系统学习的算法，在学习过程中可以不断地进行内部权值的调整，具有较好的非线性能力。将神经网络学习与 PID控制的方式相结合，利用各自的优点组成单神经元PID 的控制方式12，从而实现对 PID 系统中微分、比例及积分参数的动态调节。单神经元 PID 控制方式将PID 控制的三个参数通过自我学习记性更新，从而实现对采煤机不同工况的动态调整，实现对调高系统的精确控制。单神经元 PID 控制器的结构如下页图1 所示。在单神经元 PID 控制系统中，K 为比例系数，可以通过相应的学习规则更新不同的加权系数，单神经元 PID 控制系统具有较强的学习能力及自适应性，依据采煤机工况的变化记性在线学习进行参数的调整，提高控制系统的鲁棒性，在采煤机调高非线性系统中收稿日期：2022-04-15作者简介：安海峰（1992），男，河北阜平人，本科，毕业于临沂大学，助理工程师，研究方向为煤矿机电。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.062自动化系统设计机械管理开发第 38 卷具有较好的控制性能。2.2单神经元 PID 控制系统的性能分析采用单神经元 PID 控制对采煤机的调高系统进行控制，采用 MATLAB 软件对其控制性能进行分析。依据单神经元 PID 控制的框图，在 MATLAB 中建立控制模型如图 2 所示，并对其与 PID 控制的性能进行对比分析。为模拟采煤机不同工况下的控制性能，采用不同加载的方式对系统在阶跃信号及负载扰动下的性能进行分析。对单神经元 PID 控制及常规的 PID 控制在阶跃信号的响应进行分析，设置外负载初始的扰动为 200kN、仿真时间为 10 s，确定 PID 的调节参数分别为 3、1、0.01，对两种方式进行分析，得到响应曲线如图 3所示，其中曲线 1 表示常规 PID 控制曲线，曲线 2 表示单神经元 PID 控制曲线。从图 3 中可以看出，常规PID 控制响应曲线约在 4.5 s 时达到稳定，超调量为1.3 mm；单神经元 PID 控制响应曲线约在 1.5 s 时达到稳定，超调量为 1.1 mm。由此可知，单神经元 PID控制相对常规的 PID 控制方式具有较快的响应速度，且超调量小，具有较好的控制效果。当采煤机滚筒的负载发生变化时，调高系统要能及时地响应工况需求。对外负载扰动时两种控制方式的性能进行分析，设定系统在稳态 6 s 时负载产生突变，对系统的响应进行分析，得到响应曲线如图 4 所示，同样曲线 1 表示常规 PID 控制曲线，曲线 2 表示单神经元 PID 控制曲线。从图 4 中可以看出，当负载发生扰动时，常规 PID 控制再次达到稳定所需时间为4 s，系统的超调量为 0.1 mm；单神经元 PID 控制再次达到稳定时所需时间为 2 s，超调量为 0.05 mm。由此可知，单神经元 PID 控制具有较强的学习能力，能够快速地达到系统稳定，并且超调量较小，对系统的扰动作用具有较强的适应性，能够提高采煤机调高系统的适应性。3结语煤矿综采自动化的发展水平对煤矿的生产效率具有重要的影响，采煤机作为综采的关键设备，必须提高采煤机的自动化水平。在采煤机的调高控制系统中，常规的换向阀无法进行高精度准确的滚筒高度调节，影响采煤机的作业自动化及效率。采用电液比例阀的形式进行滚筒高度的调节，并采用闭环的控制方式，提高控制系统的精度。依据常规 PID 控制结合神经网络学习的方式，将单神经元 PID 控制应用于采煤机的高度调节中。采用 MATLAB 对调高系统在阶跃信号及扰动信号的控制性能进行分析，结果表明，单神经元 PID 控制均能够快速地达到系统稳定，并且超调量较小，且对系统的扰动作用具有较强的适应性，能够提高采煤机提高系统的控制精度，实现采煤机的自动化开采。参考文献1吴贝强.采煤机自适应调高控制系统的性能分析J.机械管理开发，2022，37（2）：290-291；295.2张耀明.自动化工作面电牵引采煤机控制系统优化设J.煤炭科技，2020，41（5）：36-38.3吴宁，杨波.大采高智能化采煤控制技术在黄陵二号煤矿的发展J.陕西煤炭，2019，38（6）：103-106.4宋宏志，谭国俊，李广超，等.开关磁阻电动机牵引采煤机控制系统J.煤矿机械，2009，30（10）：120-122.5李春龙.基于分级数字化监控的电牵引采煤机控制技术研究J.山东煤炭科技，2018（8）：137-139；142.6庞英华，贾国梅.MGTY300/700 电牵引采煤机控制中心试验台的研制与应用J.煤矿机械，2009，30（7）：131-132.7张旭辉，姚闯，刘志明，等.面向自动化工作面的电牵引采煤机控制系统设计J.工矿自动化，2017，43（4）：1-5.图 1单神经元 PID 控制结构图 2单神经元 PID 控制仿真模型图 3两种控制方式响应曲线图 4负载扰动下的响应曲线X1（k）X2（k）X3（k）W3（k）W2（k）W1（k）r（k）e（k）Ku（k）u（k）y（k）受控对象转换器单神经元 PID 控制器ScopeScope1u（k）PID21Saturationsingle_pidS-FunctionUnit Delay2Unit Delay1Unit Delayr（k）y（k）121z1z1z1.41.21.00.80.60.40.20.0-0.2012345678910时间/s活塞杆位移响应 y/mm1 号2 号1.41.21.00.80.60.40.20.0-0.2活塞杆位移响应 y/mm012345678910时间/s1 号2 号1542023 年第 6 期8尹红敏.露天采煤机连续采煤智能控制系统研究与设计D.邯郸：河北工程大学，2016.9耿泽昕，宋建成，许春雨，等.自动化采煤控制系统设计J.工矿自动化，2016，42（4）：11-14.10蒋南云，曹金花，黄霞，等.采煤机控制柜连接器生产线平衡优化设计J.煤矿机械，2014，35（2）：15-17.11马毅飞.基于嵌入式技术的电磁调速采煤机控制装置研究D.邯郸：河北工程大学，2013.12谢子殿，沈显庆，王蕴恒.电牵引采煤机电气控制技术M.南京：东南大学出版社，2011.（编辑：李俊慧）Research on the Control of Single Neuron Height Adjustment System of Coal Mining MachineAn Haifeng（Jinneng Holding Coal Group Madaotou Coal Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037101）Abstract:The coal mining machine height adjustment control system has an important influence on the realization of automatic coal miningmachine integrated mining.The closed-loop adjustment of the drum height is carried out in the form of electro-hydraulic proportional valveand controlled by the strategy of single neuron PID.Simulation analysis of its control effect shows that the single neuron PID control is allable to achieve system stability quickly and with a small overshoot.Key words:coal mining machine;height adjustment system;electro-hydraulic proportional valve;single neuron;PID controlResearch on Safety Optimization of Automatic Control System for Coal Mining MachinesLi Rongtao（Shanxi Coal Transportation and Sales Group Gao