采煤自动化应用以促进资源保护研究

康俊伟

摘 要：滚筒式采煤机在采煤工作中起到至关重要的作用，其工作效率的高低直接影响着综合采煤工作的自动化水平。本文以MG200/466-WD型采煤机为例，对其自动化程度进行了研究。针对滚筒采煤机由于调节滚筒时速度较慢而导致的摇臂抖动问题，笔者设计了一种改进的单神经元PID控制策略对采煤系统进行控制，使滚筒调整的速度明显加快，摇臂抖动问题从根源上得到改善。

关键词：滚筒式采煤机;PID控制策略;摇臂抖动

煤炭是重要能源，我国大部分的电能需要依赖焚烧煤炭产生，我国煤炭资源丰富，但石油燃气资源相对较少。在未来很长一段时间内，煤炭会是国内能源的主要组成部分，以煤炭为基础、多种能源并存的发展计划与战略布局会一直指导国内的能源市场。煤炭的高效开采是国内能源安全可持续发展不可缺少的必要条件。而我国煤炭开采效率并不是很高，安全事故频发，由于过度开采导致的资源浪费与环境污染问题日益突出。目前国内大多数开采煤炭的机器自动化程度不高，多数时候需要人为操控，不能高效地开采煤炭，亟需一种高效的采煤自动化设备与控制策略来提高煤炭开采的效率并保障人员安全。

一、滚筒式采煤机调高控制系统

滚筒式采煤机调高控制系统较为复杂，包含机械、液压与控制模块，在采煤机带有大功率惯性负载的情况下，运用传统PID控制策略很难高效控制采煤机工作，会使滚筒式采煤机超调量较大且性能较低。滚筒式采煤机液压升高系统使用电液比例控制技术，在调高过程中可以较为精准地控制调高过程。

（一）滚筒式采煤机调高控制系统的控制模块

滚筒式采煤机液压升高系统精准控制调高过程中有两个控制模块——开环控制与闭环控制。

开环控制模块：先对控制信号进行设置，而后再对控制的阀门进行变动调节，实现对阀门流量的调节与控制，最终使采煤机的滚筒调高装置得到较好的调节。

闭环控制模块：滚筒式采煤机的调高控制系统整体是一个闭环控制系统。其中，活塞杠的移动位置大小由位置传感器来检测得到，得到此检测信号后，将此信号与设定的控制信号相减做差，将此差值信号称为系统的误差信号。最后将误差信号送入PID控制模块或其他改进的控制策略中，实现误差信号逐步减小，得到理想的输出信号，完成对采煤机滚筒的调高控制。

（二）滚筒式采煤机调高控制系统的主要装置

滚筒式采煤机调高控制系统的主要装置有以下几个：功率放大装置、电液比例控制装置、比较装置以及位置传感装置等。因为滚筒切割煤炭时会受到阻力与摩擦力的影响，笔者需要将外部的负载扰动加入进来考虑。下面将对滚筒式采煤机的调高控制系统的装置挑选重点的来介绍。

1.功率放大装置

功率放大装置通常是对输入信号进行调节的元件，它可以调整原设定信号的大小，从而达到使电磁铁的磁力发生变化的目的，并且还能通过输出信号来对电液比例控制模块进行改变。功率放大装置是滚筒式采煤机调高控制装置不可或缺的重要组成部分。在整个系统中，功率放大装置由电液比例方向阀来确定，可以由功率放大装置来初步建立整个系统的数学模型，这个环节是一个比例环节。

2.位置传感装置

系统使用的位置传感装置采用液压缸活塞缸的位置信号作为输入信号，将比较装置给出的电压差值信号作为输出信号，此装置的响应时间大大低于机械装置的响应时间，因此能将此装置代表的模块简化为另一个比例环节。

3.常规PID控制器

在连续的控制过程里，将系统反馈的偏差值进行比例、积分与微分的组合运算，三者的各自占比与谁先谁后通过经验来确定，最后将运算后的结果信号给到被控对象来输出，这种控制过程被称为PID控制器。

在控制器中，给定输入量后，将控制系统实际输入值与反馈回的输出量做减法，得到误差信号e（t）。通过调节与控制系统的误差信号e（t），最后得到PID控制器的控制输出。这种控制策略称之为PID控制。

二、单神经元PID算法

滚筒式采煤机调节系统是非线性系统，常规PID控制已经无法满足精确控制的需求。因为在运用常规PID控制策略时，比例环节、积分环节与微分环节的系數确定后便无法变动。在非线性系统中，确定的PID参数不能使系统稳定并精确控制。因此，亟需一种可以在控制过程中实时根据外部扰动的变化PID参数而变化的控制系统。现如今，神经网络的发展如火如荼，在各种领域中起到了很好的作用。它最主要的特点是可以实时学习系统的内部参数，不断根据外界环境来调整神经元之间的权重，最终得到一个鲁棒性强、精确度高的模型。由于神经网络具有这个优势，可以弥补传统PID控制策略在非线性系统时无法实时改变PID参数的缺点，所以将PID控制策略与神经网络结合起来，提出一种单神经元PID控制算法，使PID控制中的比例环节、积分环节与微分环节的系数可以实时调整。神经元的三个权重对应与PID控制三个环节的系数，可以通过神经网络在线学习的能力不断更新三个控制参数。

单神经元PID控制策略的三个权重值可以在不同的规则下不断调节，相应地，它们所对应的三个控制参数也可以根据外部环境的扰动变化而不断调整到最佳值，来实现较为精确的控制，得到最好的输出结果。正因如此，单神经元PID控制策略是一个鲁棒性很强的控制器，在非线性系统中可以收到很好的控制效果。

三、结 语

滚筒式采煤机在采煤工作中起到了至关重要的作用，其工作效率的高低直接影响着综合采煤工作的自动化水平。针对滚筒采煤机由于上下调节滚筒时速度较慢而导致的摇臂产生抖动的问题，基于常规PID控制策略，笔者设计的这种改进的单神经元PID控制策略对采煤系统进行控制，使滚筒向上调整的速度更快，向下调整时活塞杆的速度也明显地加快，从而使摇臂抖动问题从根源上得到了改善。

参考文献：

[1]王慧，赵国超，宋宇宁，金鑫.采煤机调高过程的轨迹跟踪模糊PID控制[J].电子测量与仪器学报，2018，32（08）：164-171.

[2]汪亮培.采煤机电液比例调高控制仿真研究[D].安徽理工大学，2019.

（作者单位：山西焦煤西山煤电马兰矿）