煤矿机械液压系统滑模控制研究

煤矿机械液压系统滑模控制研究

雷洋

 西安重装铜川煤矿机械有限公司 陕西省 铜川市 727100

摘要：本研究针对煤矿机械液压系统的控制问题，进行了深入的滑模控制理论分析，并结合实际工程应用，设计了相应的滑模控制器。滑模控制作为一种鲁棒的控制策略，能够在系统存在不确定性和外部干扰时，保证系统的稳定性和控制性能。本研究首先对液压系统的动态特性进行了建模，分析了系统的不确定性和非线性特点，为滑模控制的设计提供了理论基础。然后，根据滑模控制理论，设计了适用于煤矿机械液压系统的滑模控制器，并通过仿真实验验证了控制器的有效性和鲁棒性。最后，通过对实际运行数据的分析，进一步验证了所设计滑模控制器的优越性能。本研究不仅为煤矿机械液压系统的控制提供了新的理论和方法，也为滑模控制技术的工程应用提供了有益的参考。

关键词：煤矿机械液压系统；滑模控制；研究应用

引言

煤矿机械液压系统作为煤矿生产中的关键设备，其性能的稳定性和效率直接影响到煤矿的生产效率和安全。液压系统以其输出力与输入电流成正比、响应速度快、控制精度高和易于实现自动控制等优点，在煤矿机械中被广泛应用。然而，由于煤矿工作环境的复杂性和液压系统本身的非线性，如何实现精确控制以满足煤矿生产的高效率和安全性要求，成为了一个重要的研究课题。

一、煤矿机械液压系统概述

1.1 煤矿机械液压系统简介

煤矿机械液压系统是一种在煤矿生产中应用广泛的机械驱动系统。它主要是利用液体作为工作介质，通过液压油泵将油液从油箱中吸入系统，经过各种控制阀的调节，使油液的压力、流量和方向得到控制，从而驱动煤矿机械的各种运动部件。

1.2 煤矿机械液压系统的工作原理

煤矿机械液压系统的工作原理主要是基于帕斯卡原理。当系统中的液压油受到压力作用时，这个压力会均匀地传递到整个液体中，因此，只要知道液压油的压力和液体流动的方向，就可以控制煤矿机械的运动。在煤矿机械液压系统中，油泵将油液从油箱中吸入，然后通过压力控制阀来调节油液的压力，通过流量控制阀来调节油液的流量，通过方向控制阀来控制油液的流动方向。这样，就可以根据煤矿机械的需要，精确地控制其各种运动部件。

1.3 煤矿机械液压系统的应用

煤矿机械液压系统在煤矿生产中有广泛的应用。例如，它可以用于驱动煤矿机械的钻头、挖掘机、装载机等各种运动部件，从而提高煤矿的生产效率。此外，煤矿机械液压系统还可以用于控制煤矿机械的各种动作，例如，启动、停止、加速、减速等，从而保证煤矿生产的安全和稳定。

煤矿机械液压系统的应用，不仅可以提高煤矿的生产效率，还可以提高煤矿生产的安全性，减少煤矿生产中的事故发生，从而为我国煤矿产业的健康发展提供了有力保障。

二、滑模控制理论

2.1 滑模控制的基本原理

滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）是一种鲁棒的控制策略，主要用于解决非线性、不确定性系统控制问题。其基本原理在于，设计一个滑动面和相应的控制律，使得系统状态轨迹最终到达并保持在滑动面上。

具体来说，滑模控制首先定义一个滑动面（sliding surface）( s(t) = 0 )，系统状态( x(t) )在滑动面上的特点是( \dot{s}(t) = 0 )，即滑动方向上的加速度为零。为了使系统状态能够到达并保持在滑动面上，需要设计一个控制律( u(t) )，使得：

系统状态能够从初始状态( x(t_0) )出发，经过一段时间后到达滑动面( s(t) = 0 )；在滑动面( s(t) = 0 )上，系统状态能够保持动态平衡，即( \dot{s}(t) = 0 )。为了实现上述目标，滑模控制通常需要构造一个等效控制( u_{eq}(t) )和一个切换控制( u_s(t) )，其中：等效控制( u_{eq}(t) )是为了使系统状态能够到达滑动面而设计的，它使得系统在滑动面上的动态行为尽可能平滑；切换控制( u_s(t) )是为了克服系统的不确定性和外部干扰，保证系统状态能够保持在滑动面上。因此，滑模控制的总控制律可以表示为：( u(t) = u_{eq}(t) + u_s(t) )。

2.2 滑模控制的设计方法

滑模控制的设计方法主要包括两个步骤：

设计滑动面和等效控制：首先根据系统动态特性设计一个合适的滑动面，然后根据滑动面的定义和系统动态方程设计等效控制( u_{eq}(t) )。设计切换控制：为了使系统能够克服不确定性、外部干扰等因素，需要设计一个切换控制( u_s(t) )。切换控制的设计方法通常有两种：一是基于系统不确定性的描述，二是基于李雅普诺夫理论。

2.3 滑模控制的优势和局限性

优势：鲁棒性：滑模控制对系统的不确定性、外部干扰等因素具有很强的鲁棒性，能够保证系统状态在滑动面上稳定运行。简单性：滑模控制算法相对简单，易于实现和分析。全局稳定性：滑模控制能够保证系统全局稳定。

局限性：抖振现象：由于滑模控制中的切换特性，系统状态在滑动面附近会产生抖振现象，这可能会影响系统的控制性能。系统动态特性的限制：滑模控制的设计依赖于系统动态特性，对于一些具有复杂动态特性的系统，滑模控制的设计和分析可能会变得复杂。对初始条件的敏感性：滑模控制对初始条件较为敏感，初始状态远离滑动面可能导致系统长时间才能到达滑动面。

三、煤矿机械液压系统滑模控制策略设计

3.1 系统建模

煤矿机械液压系统是一个高度复杂的动态系统，其滑模控制策略设计的首要步骤是建立精确的数学模型。系统建模主要包括对液压缸、液压泵、阀门、管道以及负载等组件的动态特性进行分析，从而得到系统的状态空间模型。在这个过程中，需要考虑到各种非线性因素，如液压油的非线性粘度、系统的摩擦和泄漏等。准确建模对于后续滑模控制策略的设计至关重要，它直接影响到控制效果的好坏。

在建立模型时，通常会采用一些简化的假设来降低模型的复杂性，如忽略油液的压缩性和温度变化对油液粘度的影响等。通过这些假设，可以将连续时间的复杂系统转化为易于处理离散时间系统，便于控制算法的实现。

3.2 滑模控制策略设计

滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）是一种鲁棒的控制方法，特别适用于那些存在不确定性和非线性的动态系统。在煤矿机械液压系统中，滑模控制能够确保系统在存在外部扰动和内部参数变化时，依然能够准确地跟踪期望的轨迹。

滑模控制策略设计包括确定滑模面和选择适当的控制律。滑模面是系统状态轨迹必须穿越的虚拟界面，通常选择为系统状态的函数，使得系统在该面上滑动时具有理想的动态特性。控制律的设计目标是使得系统状态能够快速且准确地到达滑模面，并在其上滑动，同时要求系统的抖振（sliding mode oscillation）尽可能小。在设计过程中，还需考虑到实际应用中可能存在的各种不确定性因素，如负载变化、液压元件的老化等，这些因素可能会导致系统偏离滑模面。因此，设计的滑模控制策略需要具有一定的鲁棒性，以确保在一定范围内系统性能不受这些不确定因素的影响。

3.3 滑模控制参数优化

滑模控制参数优化是为了提高控制策略在实际应用中的性能。这些参数包括滑模面的设计参数、控制律的系数等。优化的目标是使系统在满足性能指标的前提下，具有更好的鲁棒性和较小的抖振。

参数优化通常采用一些优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法、梯度下降法等。这些算法通过迭代搜索过程，寻找使得系统性能指标最佳的控制参数。在优化过程中，需要考虑到滑模控制参数与系统动态特性的匹配，以及参数之间的相互影响。为了实现参数的优化，首先需要定义性能指标，如系统的稳态误差、上升时间、调整时间、超调量等。然后，通过调节滑模控制参数，评估这些性能指标的变化，从而找到最优的参数组合。在实际应用中，还需要考虑到计算资源和实时性的要求，选择合适的优化算法和参数更新策略。

结语

滑模控制作为一种鲁棒性较强的控制策略，在煤矿机械液压系统中具有较好的应用前景。它能够有效地解决系统中的不确定性和非线性问题，保证系统的稳定性和准确性。本研究对煤矿机械液压系统滑模控制的研究取得了一定的成果，为后续的研究提供了理论和实践的基础。

参考文献

[1]李士道.机械液压系统质量分析及控制措施[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(17):29-30.

[2]赵光霞,宦小玉.煤矿机械液压系统的控制分析[J].现代制造技术与装备,2017(02):172-173.