基于模糊控制的連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割方法

原鋼

(中煤科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

連續(xù)采煤機(jī)是主要用于煤礦井下短壁機(jī)械化開采和煤巷快速掘進(jìn)的裝備,具有截割、裝載、轉(zhuǎn)載、行走和除塵等多種功能[1]，是目前實(shí)現(xiàn)煤礦高效運(yùn)行不可或缺的設(shè)備。但是煤礦井下的工況復(fù)雜，地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變，導(dǎo)致連續(xù)采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)負(fù)載隨機(jī)變化，截割電動(dòng)機(jī)常常因?yàn)檫^載而損壞停機(jī)[2]，這嚴(yán)重影響了煤礦的生產(chǎn)效率和設(shè)備的使用壽命，如何提高連續(xù)采煤機(jī)的自適應(yīng)性，使截割工作高產(chǎn)高效并安全運(yùn)行，已成為煤礦采掘領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注和研究的課題。

目前針對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割的不穩(wěn)定問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張振東[3]對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割適應(yīng)性評(píng)價(jià)做出了系統(tǒng)研究分析，張艷軍等[4]對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，二者都提出和證明了解決連續(xù)采煤機(jī)截割不穩(wěn)定的最有效方法，即借鑒采煤機(jī)的“恒功率”控制思路[5]，根據(jù)截割電動(dòng)機(jī)負(fù)載狀態(tài)來調(diào)節(jié)采煤機(jī)的牽引速度，使采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)工作在額定功率范圍內(nèi)，但二者未提出具體的連續(xù)采煤機(jī)的恒功率截割方法。針對(duì)連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割的具體實(shí)現(xiàn)方法，劉映剛等[6]采用簡單的線性曲線方法來實(shí)現(xiàn)，該方法也是目前普遍采用的方法，以截割電動(dòng)機(jī)電流為橫坐標(biāo)，行走電動(dòng)機(jī)速度為縱坐標(biāo)建立了其一階線性關(guān)系表達(dá)式，但采用該方法后只能對(duì)較小范圍的截割電流實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，未能有效解決過載問題，恒功率截割實(shí)現(xiàn)效果較差。侯林[7]提出了一種基于PID的連續(xù)采煤機(jī)截割牽引反饋控制方法，但該方法目前只停留在仿真驗(yàn)證階段，且PID控制方法中參數(shù)的確定及修正較為復(fù)雜，不具備可操作性，優(yōu)化和開發(fā)周期較長。基于此，本文以EML340型連續(xù)采煤機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種基于模糊控制的連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割方法。通過建立截割電動(dòng)機(jī)電流和行走電動(dòng)機(jī)速度的模糊控制器實(shí)現(xiàn)行走電動(dòng)機(jī)速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使截割電動(dòng)機(jī)恒功率運(yùn)行。模糊控制器基于數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則建立，不僅可提升恒功率截割效率，而且具備一定的可調(diào)節(jié)性，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)的智能化和無人化奠定了基礎(chǔ)[8]。

1 恒功率截割原理

連續(xù)采煤機(jī)由行走電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行走，截割電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)截割滾筒進(jìn)行截割[9]，即邊行走邊截割煤巷并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)，截割電動(dòng)機(jī)的額定電流為108 A,行走電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 080 r/min。本文采用模糊控制來實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)的恒功率截割。恒功率截割就是在截割電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測截割電動(dòng)機(jī)電流，根據(jù)檢測到的電流值大小，通過變頻器來調(diào)節(jié)行走電動(dòng)機(jī)的速度，從而改變截割電動(dòng)機(jī)的功率，使截割電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持在額定范圍[10]。截割電動(dòng)機(jī)功率P的計(jì)算公式為[11]

(1)

式中：η為電動(dòng)機(jī)效率，對(duì)于單個(gè)電動(dòng)機(jī)而言為固定值；U為電源電壓，保持不變；I為電動(dòng)機(jī)電流；cosφ為功率因數(shù)，一般也是固定值。

由式(1)可以看出，電動(dòng)機(jī)的功率與電流呈近似線性關(guān)系，因此，恒功率截割中使截割電動(dòng)機(jī)的輸出功率在額定范圍可等效為使截割電動(dòng)機(jī)的輸出電流保持在額定范圍，恒功率截割就是保證連續(xù)采煤機(jī)截割過程中截割電動(dòng)機(jī)電流的恒定。

2 恒功率截割方法實(shí)現(xiàn)

本文采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割，通過建立合理的模糊推理模型來實(shí)現(xiàn)行走電動(dòng)機(jī)速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保證截割電動(dòng)機(jī)電流在恒定范圍內(nèi)，也就是使截割電動(dòng)機(jī)功率保持在恒定范圍內(nèi)。模糊控制的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)符合實(shí)際的模糊控制器，模糊控制器設(shè)計(jì)主要包括確定輸入和輸出變量、確定隸屬函數(shù)、建立模糊規(guī)則及清晰化等過程。模糊控制器設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 模糊控制器設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow of fuzzy controller

按照上述設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割模糊控制器。模糊控制器主要包括Mamdani型和T-S型，本文中設(shè)計(jì)的連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割模糊控制器屬于Mamdani型[12]。

2.1 輸入和輸出變量確定

輸出量：為行走電動(dòng)機(jī)理想速度與當(dāng)前速度的比例值，即當(dāng)前速度乘以該比例值得出理想速度,設(shè)其模糊控制量為F,其模糊論域?yàn)閇0.4,1.2](因?yàn)楹愎β式馗钪饕欠乐菇馗铍妱?dòng)機(jī)過載，即實(shí)際情況主要是行走電動(dòng)機(jī)減速，所以，論域的加速范圍即比例值大于1的范圍僅為1～1.2),比例因子為1。

綜上，將連續(xù)采煤機(jī)的恒功率截割模糊控制器確定為一個(gè)雙輸入、單輸出的結(jié)構(gòu)。

2.2 輸入、輸出隸屬函數(shù)確定

輸入變量：電流差值e的模糊子集確定為N(負(fù))、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)共5個(gè)[13]，對(duì)應(yīng)論域?yàn)閇-1,0,1,2,3,4,5,6]。電流差值變化率ec的模糊子集確定為N(負(fù))、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)共5個(gè)，對(duì)應(yīng)論域?yàn)閇-1,0,1,2,3,4,5,6]。

輸出變量：速度比例值Δv的模糊子集定為N(負(fù))、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)共5個(gè)，對(duì)應(yīng)論域?yàn)閇1.2,1.1,1,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4]，將輸入和輸出變量的隸屬函數(shù)都確定為高斯函數(shù)。

將設(shè)計(jì)論域值輸入隸屬函數(shù)得出隸屬度,見表1—表3。

表1 電流偏差e的隸屬度Table 1 Membership of current deviation e

表2 電流偏差變化率ec的隸屬度Table 2 Membership of current deviation change rate

表3 速度比例值Δv的隸屬度Table 3 Membership of speed proportional value Δv

2.3 模糊控制規(guī)則建立

模糊控制規(guī)則的建立直接關(guān)系到輸出量的準(zhǔn)確性，反映了模糊控制器的有效性。在建立模糊控制規(guī)則時(shí)，要遵循如下原則：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，模糊控制量的選擇以消除誤差為主；當(dāng)誤差較小、誤差變化率較大時(shí)，模糊控制量的選擇以保證控制器的穩(wěn)定為主，防止輸出量超調(diào)[14]。

模糊控制規(guī)則一般是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中提取出來的。本文的二維輸出系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表述如下：IFAandBThenC，設(shè)計(jì)的模糊控制器的模糊控制規(guī)則見表4。

表4 模糊控制規(guī)則Table 4 Fuzzy control rules

(1) 當(dāng)偏差E為負(fù)(N)、偏差變化率EC為負(fù)(N)時(shí)，截割電動(dòng)機(jī)電流有不斷減小的趨勢(shì)，為了盡快扭轉(zhuǎn)這種趨勢(shì)，輸出量F的變化必須取負(fù)(N),即加快行走電動(dòng)機(jī)速度，防止截割電動(dòng)機(jī)欠載運(yùn)行。

(2) 當(dāng)偏差E為正大(PB)、偏差變化率EC為正大(PB)時(shí)，截割電動(dòng)機(jī)電流有不斷增大的趨勢(shì)，為了盡快扭轉(zhuǎn)這種趨勢(shì)，輸出量F的變化必須取正大(PB),即快速降低行走電動(dòng)機(jī)速度，防止截割電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行。

(3) 當(dāng)偏差E為負(fù)(N)、偏差變化率EC為正大(PB)時(shí)，截割電動(dòng)機(jī)電流有快速增大的趨勢(shì)，為了盡快扭轉(zhuǎn)這種趨勢(shì)，輸出量F的變化取正中(PM),即降低行走電動(dòng)機(jī)速度，防止截割電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行。

依此類推，按照表4中規(guī)則逐一確定各種情況下輸出量的取值，共生成20條模糊控制規(guī)則。

2.4 模糊推理及合成

對(duì)于雙輸入、單輸出的模糊控制系統(tǒng)，每一條規(guī)則對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系為

Ri=EiECiFi

(2)

式中：Ri為每條規(guī)則對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系，i=1,2，…，20；Ei，ECi，F(xiàn)i分別為每條規(guī)則對(duì)應(yīng)的偏差、偏差變化率和輸出量的模糊表示。

上述每一條規(guī)則所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系合并后可得到總的模糊關(guān)系為

(3)

(4)

2.5 模糊決策

圖2 模糊控制器輸出曲面Fig.2 Output surface of fuzzy controller

由面積中心法進(jìn)行決策后，可以得到每個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)的模糊輸出量F′,實(shí)際決策中由輸入量得到輸出量需要經(jīng)過大量復(fù)雜計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)[16]。因此，選取輸入變量論域上的各個(gè)點(diǎn)，利用Matlab生成的模糊控制規(guī)則求出輸出變量論域上的點(diǎn)，進(jìn)而得到模糊控制查詢表，見表5。實(shí)際操作中，若輸入量量化后的點(diǎn)不在表中，可對(duì)其進(jìn)行四舍五入，取相近的點(diǎn)進(jìn)行取值，也可以根據(jù)實(shí)際情況縮小論域各點(diǎn)之間的間隔，擴(kuò)大點(diǎn)的范圍。

表5 模糊控制查詢表Table 5 Fuzzy control query table

查詢表5得出的值是模糊論域F′的值，輸出量的比例因子為1,實(shí)際的速度比例調(diào)節(jié)值由模糊值乘以比例因子得出，因此，上述模糊值即是最終的實(shí)際速度調(diào)節(jié)比例值。

3 驗(yàn)證分析

模糊控制器的設(shè)計(jì)是為了在連續(xù)采煤機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)截割電動(dòng)機(jī)電流不正常時(shí)，行走電動(dòng)機(jī)能自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度，使截割電動(dòng)機(jī)電流處于額定范圍，從而實(shí)現(xiàn)恒功率截割。實(shí)際按照?qǐng)D3所示流程將模糊控制應(yīng)用到連續(xù)采煤機(jī)的恒功率截割中。將表5存入控制器程序中，實(shí)際驗(yàn)證時(shí)，截割電流通過傳感器實(shí)時(shí)測量得出，截割電流變化率在程序中計(jì)算得出，然后將這2個(gè)輸入量模糊化，再通過查表可得到輸出量，即速度的比例調(diào)節(jié)值，將該值乘以現(xiàn)有的行走電動(dòng)機(jī)速度得到修正后的速度，便實(shí)現(xiàn)了行走電動(dòng)機(jī)速度跟隨截割電流變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。當(dāng)煤層導(dǎo)致截割電動(dòng)機(jī)電流變化時(shí)，行走電動(dòng)機(jī)速度可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整而無需人工干預(yù),以保證截割電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行。模糊控制表可根據(jù)具體的工況進(jìn)行調(diào)整，即重新設(shè)置輸入、輸出變量的論域和隸屬函數(shù)，可以產(chǎn)生更加符合實(shí)際工況的模糊關(guān)系，所以，使用模糊控制實(shí)現(xiàn)恒功率截割的方法具有可調(diào)節(jié)性。

圖3 模糊控制驗(yàn)證流程Fig.3 Verification process of fuzzy control

目前EML340型連續(xù)采煤機(jī)應(yīng)用廣泛，為了驗(yàn)證基于模糊控制的連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割方法的實(shí)際效果，在陜西陜煤集團(tuán)的小保當(dāng)煤礦選取編號(hào)為XBD-2的EML340型連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先按照文獻(xiàn)[6]中提出的簡單線性曲線法采掘100 m進(jìn)尺，然后按照?qǐng)D3的實(shí)現(xiàn)流程將模糊控制器所得結(jié)果應(yīng)用到行走電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)中進(jìn)行優(yōu)化，采樣時(shí)間為100 ms。將編寫的控制表程序下載到控制器中[17]，同樣采掘100 m進(jìn)尺，分別對(duì)2種情況下的行走速度、截割電流和過載停機(jī)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中行走電動(dòng)機(jī)速度和截割電動(dòng)機(jī)電流每4 m采集一次，即采集25次數(shù)據(jù)。過載停機(jī)設(shè)定值為截割電流Ij>150 A時(shí)停機(jī)保護(hù)，然后人為降速繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2種方法的行走電動(dòng)機(jī)速度和截割電動(dòng)機(jī)電流對(duì)比如圖4、圖5所示。

圖4 2種方法的行走電動(dòng)機(jī)速度對(duì)比Fig.4 Speed comparison of walking motor of two methods

圖5 2種方法的截割電動(dòng)機(jī)電流對(duì)比Fig.5 Comparison of cutting motor current of two methods

由圖4可知，采用線性曲線法時(shí)，行走電動(dòng)機(jī)速度幾乎保持在1 100 r/min不變。由圖5可知，截割電動(dòng)機(jī)的電流在100～165 A內(nèi)大幅不穩(wěn)定變化，最大電流超出了額定電流的52%，這就必然導(dǎo)致過載停機(jī)。而采用模糊控制方法調(diào)節(jié)行走電動(dòng)機(jī)速度后，行走電動(dòng)機(jī)速度隨著截割電流的變化而自適應(yīng)改變，通過調(diào)速，截割電動(dòng)機(jī)電流穩(wěn)定在了100～118 A范圍內(nèi)，最大電流只超過額定電流的9%，較好地實(shí)現(xiàn)了截割電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行，避免了過載停機(jī)現(xiàn)象。由圖5可知，采用線性曲線法時(shí)，截割電動(dòng)機(jī)電流大于150 A的次數(shù)達(dá)到6次，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致停機(jī)，停機(jī)次數(shù)高達(dá)6次；采用模糊控制方法后停機(jī)次數(shù)為0，且截割電動(dòng)機(jī)電流最大值大大減小，提升了安全裕量。實(shí)驗(yàn)說明采用模糊控制器輸出結(jié)果調(diào)節(jié)行走電動(dòng)機(jī)速度后，截割電流實(shí)現(xiàn)了恒定，連續(xù)采煤機(jī)較好地實(shí)現(xiàn)了恒功率截割[18]，降低了過載停機(jī)故障率，大大提高了煤礦的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

(1) 為了避免連續(xù)采煤機(jī)的過載問題，以EML340型連續(xù)采煤機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種基于模糊控制的連續(xù)采煤機(jī)恒功率截割方法。根據(jù)實(shí)際情況，將截割電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流和額定電流差值及差值變化率作為輸入變量，行走電動(dòng)機(jī)的速度比例值作為輸出變量，將其設(shè)計(jì)為一個(gè)雙輸入、單輸出的模糊控制器，采用模糊控制方法調(diào)節(jié)行走電動(dòng)機(jī)速度以達(dá)到截割電流的恒定，從而實(shí)現(xiàn)恒功率截割。

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用模糊控制后，截割電動(dòng)機(jī)電流過載次數(shù)明顯減少，電流基本保持在恒定范圍，較好地實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采煤機(jī)的恒功率截割。

(3) 后續(xù)可改進(jìn)相關(guān)參數(shù)，以進(jìn)一步提高模糊控制器性能，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的恒功率截割。