基于整定模糊控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割策略的研究

盧 喬

（山西焦煤西山煤電晉興公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

受科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)等因素的影響，我國多數(shù)煤礦所使用的采煤機(jī)自動化程度較低，工作時需要人工對其截割路徑、進(jìn)給速度、截割轉(zhuǎn)速等進(jìn)行控制，但在實際工作中由于煤礦井下的粉塵濃度高、視野條件差等因素，極易導(dǎo)致綜采作業(yè)時采煤機(jī)發(fā)生觸頂、截割路徑偏差大、回采率低的問題，不僅嚴(yán)重影響了煤礦井下的綜采作業(yè)效率，而且也給工人的生產(chǎn)造成了較大的安全隱患。同時人工控制采煤機(jī)進(jìn)行綜采作業(yè)也容易導(dǎo)致截割過程中的塊煤率低下、粉塵量大，進(jìn)一步加劇了井下綜采作業(yè)的難度。因此為了提升井下采煤機(jī)綜采作業(yè)的自動化程度，降低截割過程中的能源消耗，本文提出了一種基于整定模糊控制的采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制策略，通過建立自動控制檔案，實現(xiàn)采煤機(jī)井下作業(yè)時根據(jù)截割阻力變化情況的自適應(yīng)截割控制，滿足綜采作業(yè)智能化的需求，提升煤炭生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

1 采煤機(jī)截割受力的分析

采煤機(jī)在工作時其截割電機(jī)所發(fā)出的截割轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)及截割滾筒后傳遞到煤層上，通過旋轉(zhuǎn)擠壓將煤炭從煤壁上剝離下來，截割作業(yè)過程中采煤機(jī)截割滾筒的受力分析如圖1 所示，由此可知，在截割作業(yè)過程中作用在采煤機(jī)截割滾筒上的力可表示為[1]：

式中：Fx為作用在截割機(jī)構(gòu)x軸方向上的分力，N；n為截割機(jī)構(gòu)同時參與截割的截齒的數(shù)量，個；Xi為第i個截齒所受的到的側(cè)向力，N；Fy為作用在截割機(jī)構(gòu)y軸方向上的分力，N；Zi為第i個截齒所受到的截割阻力，N；φi為第i個截齒的位置角，（°）；Yi為采煤機(jī)第i個截齒的進(jìn)給阻力，N；Fz為作用在截割機(jī)構(gòu)y軸方向上的分力，N。采煤機(jī)工作受力結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。圖中：vq表示采煤機(jī)的進(jìn)給速度，F(xiàn)f采煤機(jī)的推進(jìn)阻力[3]。

圖1 采煤機(jī)工作受力結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)采煤機(jī)在進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動時，還需要克服在前進(jìn)過程中的推進(jìn)阻力的作用，為了簡化分析，本文在設(shè)定采煤機(jī)在牽引方向上的載荷可表示為[2]：

式中：Ky為采煤機(jī)的進(jìn)給阻力系數(shù)；G為采煤機(jī)的整機(jī)重力，N；fq為采煤機(jī)的進(jìn)給摩擦阻力系數(shù)；β 為采煤機(jī)的工作傾角。

2 煤層的阻抗識別及截割參數(shù)的優(yōu)化

采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在進(jìn)行綜采作業(yè)時，其進(jìn)給速度vq和截割滾筒的截割轉(zhuǎn)速ω 是影響其綜采效率和塊煤率的主要因素。為了確保截割驅(qū)動電機(jī)的工作穩(wěn)定性，采煤機(jī)工作時所受到的截割阻抗直接會反應(yīng)到采煤機(jī)的截割滾筒上的受力。在采煤機(jī)的牽引速度和截割滾筒轉(zhuǎn)速一定的情況下，其截割載荷的大小主要取決于煤層的截割阻抗，因此可以利用采煤機(jī)工作時截割驅(qū)動電機(jī)工作電流的波動情況來表征煤層的截割阻抗的大小，本文通過搭建采煤機(jī)截割傳動試驗平臺對截割作業(yè)時的截割負(fù)載和截割驅(qū)動電機(jī)工作電流的關(guān)系進(jìn)行研究，其結(jié)果如圖2所示[4]。

圖2 滾筒負(fù)載與電機(jī)電流值的關(guān)系曲線

根據(jù)煤層的阻抗特性，及圖2 所示（圖中電流的曲線僅表示電流變化趨勢，不表示具體值）的采煤機(jī)滾筒負(fù)載和采煤機(jī)截割驅(qū)動電機(jī)電流的關(guān)系，將井下煤層的截割阻抗劃分為五個等級，在每個阻抗等級中分別設(shè)定一個最適應(yīng)的采煤機(jī)截割滾筒的轉(zhuǎn)速和采煤機(jī)的牽引速度，采煤機(jī)控制系統(tǒng)自動根據(jù)截割阻力的變化判斷出所處的截割阻抗范圍，然后選擇所匹配的截割控制參數(shù)，實現(xiàn)自適應(yīng)控制調(diào)整，井下煤層的阻抗劃分范圍如圖3 所示。

圖3 井下煤層截割阻抗區(qū)間劃分

通過對采煤機(jī)在不同截割阻抗下的電機(jī)工作特性及整機(jī)工作時的動態(tài)截割特性的研究[3]，建立了不同截割阻抗下的采煤機(jī)截割轉(zhuǎn)速ω 和進(jìn)給速度vq的最優(yōu)工作參數(shù)表，其對應(yīng)關(guān)系如圖4 所示，通過此對應(yīng)關(guān)系可以實現(xiàn)由截割控制系統(tǒng)根據(jù)截割阻抗精確調(diào)整所需的截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

3 基于整定模糊的自適應(yīng)截割策略

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，同一區(qū)間內(nèi)煤層的截割阻抗的變化情況較大且頻繁，為了提升截割控制系統(tǒng)工作時電機(jī)的調(diào)速性能，在該控制系統(tǒng)中采用了整定模糊控制器來實現(xiàn)對截割速度和進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)。其工作時以截割電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差及偏差變化率為輸入變量[4]，經(jīng)過模糊控制器的模糊推理后，進(jìn)行整定參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)對電機(jī)工作調(diào)速性能的優(yōu)化控制，其自適應(yīng)截割控制策略的控制原理如圖5 所示。

圖4 采煤機(jī)截割參數(shù)的分級優(yōu)化

圖5 整定模糊控制的自適應(yīng)截割策略原理

為了驗證該自適應(yīng)截割控制策略的控制效果，本文以某截割試驗平臺為基礎(chǔ)對采煤機(jī)在不同阻抗下的調(diào)速控制策略的實際工作情況進(jìn)行分析驗證，其結(jié)果如圖6 所示（圖中①③分別表示截割阻抗為1 級、3 級的情況）。

由試驗驗證結(jié)果可知，當(dāng)截割阻抗發(fā)生變化后，采煤機(jī)的牽引速度的截割轉(zhuǎn)速均能及時發(fā)生對應(yīng)的調(diào)整，首先是截割滾筒轉(zhuǎn)速降低，然后在是牽引速度降低，如此可在確保截割穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上大幅降低采煤機(jī)工作參數(shù)以調(diào)整對綜采效率帶來的影響。

圖6 采煤機(jī)截割參數(shù)隨阻抗的變化情況

4 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)以截割電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差及偏差變化率為輸入變量，經(jīng)過模糊控制器的模糊推理后，進(jìn)行整定參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)對電機(jī)工作調(diào)速性能的優(yōu)化控制；

2）通過對截割阻抗劃定區(qū)間并設(shè)定不同區(qū)間內(nèi)采煤機(jī)最優(yōu)運(yùn)行控制參數(shù)的方案，能夠降低綜采時采煤機(jī)速度調(diào)節(jié)時間，確保綜采作業(yè)效率；

3）該自適應(yīng)截割控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)對采煤機(jī)綜采作業(yè)的自適應(yīng)控制，極大提升了采煤機(jī)工作時的自動化和智能化程度，具有極大的應(yīng)用推廣價值。