基于模糊控制實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動化調(diào)速控制

段興堯

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

由于煤礦井下工作環(huán)境特殊、采煤機(jī)自動控制技術(shù)仍不成熟，當(dāng)前對采煤機(jī)的截割路徑、滾筒轉(zhuǎn)速以及推進(jìn)速度判斷等都需進(jìn)行人工控制。然而在煤礦井下實(shí)際開采過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因煤塵濃度高、工作環(huán)境視野范圍差影響采煤機(jī)司機(jī)判斷的情況，采煤機(jī)作業(yè)路徑偏差、切頂?shù)仁鹿室矔r常發(fā)生，難以保證采煤機(jī)的截割效率，同時也無法確保采煤機(jī)司機(jī)安全工作。本文基于綜采工作面采煤機(jī)人工作業(yè)現(xiàn)狀，通過模糊控制實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動化調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)綜采智能化作業(yè)，達(dá)到高效安全開采的效果。

1 采煤機(jī)截割狀態(tài)分析

采煤機(jī)截割過程中，煤層的直接受力部位為采煤機(jī)截割滾筒。采煤機(jī)滾筒通過改變截割電機(jī)截割轉(zhuǎn)矩力的大小來調(diào)節(jié)對煤壁的截割狀態(tài)，從而進(jìn)行煤壁的截割作業(yè)。采煤機(jī)滾筒控制方式有兩種，分別為橫向和縱向，如圖1 所示，其作用力的大小為：

圖1 采煤機(jī)截割作業(yè)受力分析簡圖

式中：Fh為采煤機(jī)截割電機(jī)作用在橫軸上的截割力；n為截割過程中截齒的數(shù)量；Xa代表第a 個截齒所承受的橫向分力的大小，求和計算則為總的橫向合力；Fz為截割電機(jī)的縱向分力和，通過對每個截齒的分力總和進(jìn)行矢量疊加計算得到；Fn代表截割電機(jī)在縱向的截割分力和；βa為截齒的方位角；Za為a 個截齒受到的摩擦阻力大?。籝a為采煤機(jī)截齒的工作阻力大小，分別同正弦值、余弦值相乘后進(jìn)行求和計算可以求得總摩擦力大小。

通過上述對采煤機(jī)整體截割作業(yè)時的受力情況進(jìn)行分析，可以看出在采煤機(jī)推進(jìn)過程中，采煤機(jī)滾筒的截割速度以及采煤機(jī)的推進(jìn)速度，總會受到截割煤壁時產(chǎn)生的摩擦阻力的影響，因此設(shè)想通過研究采煤機(jī)截割阻力與采煤機(jī)推進(jìn)速度及采煤機(jī)滾筒截割速度之間的關(guān)系，可以起到對采煤機(jī)作業(yè)速度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)的效果。通過對綜采工作面采煤機(jī)推進(jìn)過程中的牽引速度以及滾筒截割速度進(jìn)行參數(shù)收集，并利用壓力傳感器收集采煤機(jī)截割煤壁時的工作阻力參數(shù)來進(jìn)行截割負(fù)載與截割參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

2 截割負(fù)載與截割參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

綜采面采煤機(jī)的截割作業(yè)過程中，影響采煤機(jī)推進(jìn)速度以及采煤機(jī)滾筒的截割轉(zhuǎn)速的主要原因在于對煤壁截割時產(chǎn)生的截割阻力，這也是截割負(fù)載中最大的影響因素。而截割阻力直接影響著采煤機(jī)的推進(jìn)速度以及采煤機(jī)滾筒的截割速度，也就是對采煤機(jī)截割電機(jī)的電流波動產(chǎn)生影響。因此通過設(shè)計截割電機(jī)工作時的電流波動效果來分析截割煤層過程中受到的截割阻力的大小，對提高采煤機(jī)截割電機(jī)的穩(wěn)定性以及綜采效率有著顯著效益。而對采煤機(jī)截割電機(jī)的優(yōu)化控制，即可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，具體研究結(jié)果見下圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)滾筒截割阻力與截割電機(jī)電流值關(guān)系示意

由圖2 中截割電機(jī)電流變化情況與截割煤壁過程中受到的截割阻力情況進(jìn)行對比可以看出兩者具備一定的相關(guān)性，因此設(shè)想通過設(shè)定一定的截割阻力范圍，對采煤機(jī)截割電機(jī)工作過程中遭受到的截割阻抗大小的不同即截割阻力的變化情況進(jìn)行自動識別，通過自身所處的截割阻抗范圍自動調(diào)整采煤機(jī)滾筒的截割速度以及采煤機(jī)的推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)控制效果[1]。具體設(shè)計為利用采煤機(jī)截割電機(jī)在不同截割阻力下的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，設(shè)計出不同阻力狀態(tài)下采煤機(jī)截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的最優(yōu)截割參數(shù)，通過這種不同阻力下的工況進(jìn)行截割控制系統(tǒng)的自動調(diào)整，設(shè)計出合理的截割速度以及推進(jìn)速度。

3 基于模糊控制下的采煤機(jī)自動調(diào)速設(shè)計

3.1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成

采煤機(jī)的截割模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成為三大部分，即模糊控制器、采煤機(jī)截割推進(jìn)電機(jī)以及速度調(diào)節(jié)器。模糊控制器為核心部分實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒截割速度以及推進(jìn)速度的自動化調(diào)節(jié)，主要由模糊化模塊、模糊控制依據(jù)算法以及決策模塊三部分組成。其中模糊化模塊即對控制輸入量的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定存儲；模糊控制的依據(jù)算法是通過設(shè)計的采煤機(jī)截割煤壁工作阻力的阻抗范圍，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)滾筒截割速度以及采煤機(jī)牽引速度的調(diào)節(jié)；決策模塊是通過工作阻抗的調(diào)節(jié)量輸出具體的參數(shù)調(diào)節(jié)值，從而實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)工作速度的調(diào)節(jié)效果[2]。

為實(shí)現(xiàn)上述截割控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化操控的效果，基于井下復(fù)雜的工作環(huán)境影響，利用模糊控制器來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對截割速度以及推進(jìn)速度的自動化調(diào)節(jié)。通過采煤機(jī)截割電機(jī)截割作業(yè)時的設(shè)計轉(zhuǎn)速與實(shí)際工作過程中轉(zhuǎn)速的誤差值進(jìn)行差值計算，將這一差值作為模糊控制系統(tǒng)的輸入變量，經(jīng)過模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行推導(dǎo)計算后，對輸入的截割速度以及推進(jìn)速度的參數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)截割控制系統(tǒng)的優(yōu)化精確控制效果，具體操作如圖3 所示。通過對采煤機(jī)的實(shí)時工況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過模糊控制器利用截割阻力范圍對輸入變量進(jìn)行調(diào)整，從而輸出調(diào)整后的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)作業(yè)速度的自動化調(diào)節(jié)效果。

圖3 模糊控制下的自動截割調(diào)速流程圖

3.2 截割效果仿真模擬

為確定模糊控制設(shè)計對采煤機(jī)滾筒截割速度以及采煤機(jī)牽引速度的調(diào)節(jié)效果，現(xiàn)對設(shè)計完成后的采煤機(jī)截割速度自動調(diào)節(jié)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，具體驗(yàn)證結(jié)果如圖4 所示，通過利用不同阻力下模糊控制器的自動調(diào)速實(shí)際效果來驗(yàn)證系統(tǒng)的控制性能。可以看出，在截割阻力未變化的前20 s 內(nèi)，采煤機(jī)滾筒的截割速度以及推進(jìn)速度均未發(fā)生變化；在20 s 之后采煤機(jī)的截割阻力增大，而采煤機(jī)的推進(jìn)速度在30 s 后也隨之降低，呈現(xiàn)了一段時間的滯后性，而采煤機(jī)截割滾筒的截割速度則在20 s 后同步降低。因此基本可以確定模糊控制的可靠性，可以在保證采煤機(jī)截割作業(yè)穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)作業(yè)參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，提高綜采工作效率。

圖4 采煤機(jī)截割速度及給進(jìn)速度隨截割阻力變化示意圖

下頁圖5 為采煤機(jī)在超載欠載下的工作曲線圖由圖5 可知，采用模糊控制系統(tǒng)對采煤機(jī)的推進(jìn)速度以及滾筒截割進(jìn)行自動化控制，基本可以實(shí)現(xiàn)取代人工操作的效果。在超載作業(yè)工況下或欠載工況下模糊控制的調(diào)節(jié)速度要明顯高于人工控制，可以實(shí)現(xiàn)對細(xì)微工作阻力的靈敏捕捉實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)作業(yè)速度的靈活控制，使用效果顯著[3-4]。

圖5 采煤機(jī)在超載欠載下的工作曲線圖

4 結(jié)語

本文通過對采煤機(jī)截割作業(yè)時的幾種截割狀態(tài)進(jìn)行研究，得出控制截割作業(yè)的關(guān)鍵因子，即截割阻力對截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的影響。以截割電機(jī)作業(yè)時的截割速度以及采煤機(jī)推進(jìn)速度的初始值做輸入變量，通過模糊控制器利用截割阻抗范圍實(shí)現(xiàn)對輸入?yún)?shù)的調(diào)整，從而達(dá)到對截割電機(jī)的優(yōu)化調(diào)速目的，并通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)對采煤機(jī)截割作業(yè)的調(diào)速優(yōu)化控制，起到了采煤機(jī)自動化、智能化作業(yè)效果，對煤礦產(chǎn)業(yè)智能化、高效化發(fā)展具有重大意義。