張 鋒

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033699）

1 電液比例控制系統(tǒng)的組成

1.1 滾筒調(diào)高系統(tǒng)的工作原理

如圖1 所示，滾筒調(diào)高系統(tǒng)的主控件使用的不再是傳統(tǒng)的電磁電磁換向閥，而是電液比例方向閥。更換的目標(biāo)是提高控制精度，加強(qiáng)對(duì)大慣量的控制。改進(jìn)后的系統(tǒng)工作流程如下：采煤機(jī)調(diào)高時(shí)，使調(diào)高液壓缸的位移的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)被位移傳感器收集，將收集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與預(yù)期設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)，控制器把處理后的數(shù)據(jù)傳遞給電液比例方向閥，控制器電磁鐵達(dá)到調(diào)高控制的目標(biāo)[1-2]。

圖1 采煤機(jī)電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)

1.2 電液比例控制系統(tǒng)的硬件選取

1.2.1 比例放大器

本系統(tǒng)中比例放大器最大的特點(diǎn)是同時(shí)控制兩個(gè)先導(dǎo)闊的電磁鐵，該先導(dǎo)闊的型號(hào)是VTVSPA2-1-2X/V0/T1，該模擬放大器的格式是歐洲格式，使用規(guī)定的電壓是24 V，工作最大的功率是50 W，規(guī)定的輸入信號(hào)是±10 V，電磁鐵承受電流的最大值是18 A，電磁鐵可以使接受的電壓轉(zhuǎn)換成電流，轉(zhuǎn)換后的電流被傳輸給電液比例闊，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的移動(dòng)，能夠和輸入的電壓相匹配。系統(tǒng)中比例放大器自身帶有一個(gè)限流器的電源，能夠?qū)斎氲碾娏鬟M(jìn)行限制，提供內(nèi)部所需的正電源電壓和負(fù)電源電壓。該電流限制器還能夠防止因電流輸出中的濾波造成的電流[3-4]。

1.2.2 電液比例方向閥

該方向閥的生產(chǎn)廠家博世力士樂公司，使用的類型是先導(dǎo)型比例換向閥，型號(hào)是4WRZ10，該比例閥承擔(dān)的是該系統(tǒng)的放大功能，產(chǎn)生的作用是讓液壓力能夠和其控制的電信號(hào)相匹配，來帶動(dòng)液壓缸工作。該比例閥的有兩部分工作，一部分工作是電機(jī)械化的轉(zhuǎn)換，該工作是讓輸入的電壓或者電流進(jìn)入電機(jī)械化機(jī)器，然后產(chǎn)生相匹配的電磁力或者位移，實(shí)現(xiàn)控制器帶動(dòng)液壓缸工作[5-6]。其原理是電磁力或者位移讓放大器部分的阻尼產(chǎn)生改變，產(chǎn)生控制液壓的信號(hào)。

1.2.3 反饋元件

位移傳感器的生產(chǎn)公司是MTS 公司，生產(chǎn)的系列是Temposonics 磁致位移傳感器，這個(gè)傳感器的測(cè)量方式是非線性測(cè)量。該傳感器的非線性測(cè)量值為0.001%，重復(fù)精度的數(shù)值也是非常的低，為0.001%。鐵磁材料的感性原件是該公司傳感器的重要部分，通常叫做“波導(dǎo)管”，是可以行走的永磁鐵。當(dāng)信號(hào)從傳感器電子頭輸出，當(dāng)信號(hào)通過波導(dǎo)管時(shí)，波導(dǎo)管就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向是在徑向面上，新磁場(chǎng)與老磁場(chǎng)相互作用，二者相互抵消，就會(huì)讓波導(dǎo)管形成“磁致伸縮”現(xiàn)象。

2 PID 控制

PID 是常見的系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制方式，其中P 是比例控制，I 是積分控制，D 是微分控制。PID 字母中的分別表示三個(gè)環(huán)節(jié)，三個(gè)環(huán)節(jié)按字母的順序排列，第一個(gè)環(huán)節(jié)是比例環(huán)節(jié)、第二個(gè)環(huán)節(jié)是積分環(huán)節(jié)、第三個(gè)環(huán)節(jié)是微分環(huán)節(jié)，如圖2 所示。

圖2 PID 控制算法原理圖

控制系統(tǒng)的偏差：

式中：e（t）為控制偏差；r（t）為系統(tǒng)給定的輸入信號(hào)；c（t）為系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

PID 控制器會(huì)進(jìn)行偏差的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的形式有三種：比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)公式為：

式中：u（t）為輸出信號(hào)；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

公式中的所有環(huán)節(jié)都具有連續(xù)性。在計(jì)算機(jī)控制時(shí)不能被直接應(yīng)用，其原因是計(jì)算機(jī)控制不具有連續(xù)性，收集信息時(shí)候只能夠按照不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行收集。所以計(jì)算機(jī)應(yīng)用時(shí)應(yīng)該將上面的公式進(jìn)行離散化。

離散后的控制公式如下：

式中：k 為采樣序號(hào)；u（k）為第k 個(gè)采樣時(shí)測(cè)得的信號(hào)偏差值；e（k）為第k 個(gè)采樣時(shí)測(cè)得的信號(hào)偏差值；e（k-1）為第k-1 個(gè)采樣時(shí)測(cè)得的信號(hào)偏差值。

PID 控制器的輸出u（k）是能夠控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在精度不夠的情況下，可以相應(yīng)地減短采樣周期，u（k）是控制系統(tǒng)輸出的關(guān)鍵，與它相互匹配的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。因此該公式是PID 的控制算法。

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一定會(huì)把歷史的狀態(tài)加入其中，進(jìn)行整體的運(yùn)算，所以每次的計(jì)算結(jié)果都是與之前的狀態(tài)有關(guān)，這種形式的計(jì)算會(huì)加大計(jì)算機(jī)的工作量，因?yàn)閡（k）是與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)相互匹配的，在現(xiàn)實(shí)工作時(shí)，計(jì)算機(jī)偶爾也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，計(jì)算機(jī)計(jì)算u（k）的結(jié)果有較大的偏差時(shí)，PID 控制系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生大幅度的位移，為了減少這種情況的發(fā)生，增量式的PID 控制算法應(yīng)運(yùn)而生。

PID 控制算法的數(shù)值是收集數(shù)據(jù)時(shí)的控制值。但是增量PID 控制算法的數(shù)值是控制數(shù)值的增加量，在一些情況下，我們需要的數(shù)值不是控制數(shù)值，反而是增加量，所以在這種情況下要使用增量式控制算法。

3 仿真研究

采用PID 控制器會(huì)校正電液比例控制系統(tǒng)，根據(jù)上文所說的方式對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)的擬定。通過多次的試驗(yàn)，研究得出在Kp、Ki、Kd的數(shù)值依次為0.4，0.984，0.001 時(shí)，可以得到理想的校正曲線如圖3，在計(jì)算上述的數(shù)值時(shí)，會(huì)增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少超調(diào)量，并且系統(tǒng)運(yùn)行也是相對(duì)穩(wěn)定的，穩(wěn)態(tài)的誤差相應(yīng)就會(huì)減小。

圖3 PID 控制階躍響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

在采煤機(jī)滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上討論了電液比例調(diào)高控制系統(tǒng)，建立了相關(guān)的公式，分析出相互匹配的關(guān)系，該研究是在自適應(yīng)PID 控制器上，學(xué)習(xí)調(diào)整比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)三種參數(shù)。分析對(duì)比仿真結(jié)果，研究出單獨(dú)神經(jīng)元PID 控制器比以往的控制效果要好，其中較為明顯的是動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)精度和自適應(yīng)能力。將PID 控制器應(yīng)用在采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)上，可以提高調(diào)高系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)的控制準(zhǔn)確性。