劉永剛，閆忠良，秦大同，胡明輝，葛帥帥，侯立良

?

采煤機(jī)無人自適應(yīng)變速截割控制方法

劉永剛，閆忠良，秦大同，胡明輝，葛帥帥，侯立良

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044)

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的無人自動(dòng)化采煤，并使采煤機(jī)在截煤時(shí)的塊煤率及截割比能耗等截割性能參數(shù)綜合較優(yōu),通過分析現(xiàn)有采煤機(jī)的工作原理及特性并建立采煤機(jī)變速截割仿真模型，得到煤層截割阻抗與截割電機(jī)定子電流的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出一種適用于滾筒采煤機(jī)的自適應(yīng)變速截割控制方法，通過劃分煤層截割阻抗范圍，對采煤機(jī)的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行分級(jí)優(yōu)化調(diào)節(jié)，根據(jù)采煤機(jī)截割電機(jī)定子電流及時(shí)間信號(hào)，結(jié)合所制定的控制策略實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)對煤層截割阻抗的自動(dòng)識(shí)別及自適應(yīng)調(diào)速控制，最后進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：該控制方法可取得較好效果并具有可行性，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割及無人化自動(dòng)采礦提供參考。

截割阻抗識(shí)別；截割參數(shù)；優(yōu)化；變速截割；自適應(yīng)控制

我國煤炭有90%是井工開采，但目前我國煤礦井下采掘裝備的智能化程度不高，導(dǎo)致我國煤礦開采災(zāi)害多、用人多、傷亡多、效率低[1]。滾筒采煤機(jī)是現(xiàn)代機(jī)械化采煤的主要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于不同地質(zhì)條件下的煤炭開采。滾筒采煤機(jī)生產(chǎn)的主要缺點(diǎn)是塊煤率低和工作面粉塵量較大，低塊煤率不僅增加采煤比能耗，而且降低了原煤的應(yīng)用范圍和使用價(jià)值，同時(shí)也是產(chǎn)生粉塵的一個(gè)重要原因，而粉塵又嚴(yán)重威脅著工人的身體健康和生命安全，因此，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高效截煤作業(yè)及其少人、無人的自動(dòng)化采礦成為研究熱點(diǎn)[2]。國內(nèi)外學(xué)者對采煤機(jī)高效截割以及自動(dòng)化采礦進(jìn)行了研究，如：劉丹丹等[3]提出基于磁流變閥觸覺技術(shù)的采煤機(jī)恒功率控制方法；趙奕輝等[4]設(shè)計(jì)了基于模糊控制的電牽引采煤機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)；谷勇[5]提出了基于模糊控制的采煤機(jī)截割自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)，取得了良好效果；黃華[6]采用模糊控制理論對采煤機(jī)截割路徑進(jìn)行跟蹤，調(diào)節(jié)采煤機(jī)牽引速度和滾筒高度；ZHOU等[7]提出一種基于模糊最優(yōu)化的記憶截割控制方法，仿真結(jié)果表明該方法高效可行；王剛等[8]對薄煤層工作面自動(dòng)化開采技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究；桓希傳等[9]探討了采煤機(jī)截割電機(jī)變頻調(diào)速的必要性，從原理上分析了用變頻調(diào)速控制采煤機(jī)截割電機(jī)的可行性；劉送永等[10]根據(jù)采煤機(jī)截割理論建立了滾筒截割比能耗與滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；劉春生等[11]根據(jù)滾筒的截煤和裝煤要求研究了牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系；馬正蘭等[12]開展了在不同截割阻抗煤質(zhì)條件下的截割速度和牽引速度的優(yōu)化研究，為變速截割技術(shù)的實(shí)施提供了理論依據(jù)；趙麗娟等[13]基于經(jīng)濟(jì)截割對采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；ORDIN等[14]以最大利潤為目標(biāo)對綜采工作面長度和工作效率進(jìn)行了優(yōu)化； VENKATARAMAN[15]利用旋轉(zhuǎn)截割試驗(yàn)臺(tái)研究了截割比能耗、可呼吸粉塵量與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，指出滾筒截割比能耗和可呼吸粉塵量與截齒的幾何形狀和尺寸、滾筒的截齒布置以及滾筒的牽引和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)；EINICKE等[16]對長壁開采的自動(dòng)化進(jìn)行了分析研究；澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)發(fā)起的“Landmark”項(xiàng)目，其目的也在于研究自動(dòng)化長壁開采技術(shù)[17]。此外，在采煤先進(jìn)技術(shù)及裝備等方面，國外學(xué)者和企業(yè)也進(jìn)行了大量研究[18]，但目前對采煤機(jī)無人自適應(yīng)變速截割的綜合研究還較少。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)無人化高效截割，本文作者提出一種適用于滾筒采煤機(jī)的無人自適應(yīng)變速截割控制方法。分析現(xiàn)有采煤機(jī)工作原理及特性，建立采煤機(jī)截割負(fù)載與截割電機(jī)定子電流的關(guān)系；對煤層按截割阻抗范圍進(jìn)行劃分并得到優(yōu)化后的采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上采用模糊控制技術(shù)結(jié)合所制定的控制策略實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割，并對具體調(diào)速方法和控制策略進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 采煤機(jī)載荷分析

采煤機(jī)主要由牽引部、截割部及調(diào)高機(jī)構(gòu)等組成。本文主要對采煤機(jī)牽引部、截割部及其自適應(yīng)變速截割調(diào)速控制進(jìn)行研究，牽引電機(jī)和截割電機(jī)均為采用矢量控制變頻調(diào)速的異步電機(jī)。

1.1 采煤機(jī)滾筒載荷

采煤機(jī)截割電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)搖臂內(nèi)惰輪傳遞后用以驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)并截割煤層，滾筒上截齒與煤層之間產(chǎn)生相互作用力，因此，滾筒采煤機(jī)截割滾筒在工作過程中所受的載荷即為各截齒的合力。由圖1可得到滾筒所受三向力為

式中：n為截煤區(qū)參與截割的截齒數(shù)(個(gè))；ψ為第個(gè)截齒的位置角((°))；X為第個(gè)截齒的側(cè)向力(N)；Z為第個(gè)截齒的截割阻力(N)；Y為第個(gè)截齒的進(jìn)給阻力(N)。滾筒主要受到的力為進(jìn)給阻力F(N)、側(cè)向力F(N)及截割阻力F(N)。

(a) 滾筒橫向受力；(b) 滾筒縱向受力；(c) 整機(jī)受力

圖1 滾筒及整機(jī)受力分析

Fig. 1 Force analysis of shearer and drum

1.2 采煤機(jī)整機(jī)載荷

牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，除克服摩擦力及重力的分力外，還要克服滾筒截煤時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)給阻力等。不考慮滾筒調(diào)高及進(jìn)刀等，對整機(jī)受力模型進(jìn)行簡化，采煤機(jī)整機(jī)僅有牽引方向受力q，可表示為

式中：K為進(jìn)給阻力系數(shù)；為整機(jī)重力(N)；q為摩擦阻力系數(shù)；為采煤機(jī)工作面傾角((°))。

1.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

采煤機(jī)的截割運(yùn)動(dòng)參數(shù)直接影響截割負(fù)載及截割性能等。固定在滾筒上的截齒除了隨滾筒繞其軸線旋轉(zhuǎn)外，還必須隨采煤機(jī)一起沿工作面作直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

式中：為滾筒截齒軸坐標(biāo)；為滾筒截齒軸坐標(biāo)；為采煤機(jī)滾筒半徑(m)；為滾筒工作時(shí)間(s)；q為采煤機(jī)牽引速度(m/min)；為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)。

1.4 采煤機(jī)仿真模型的建立

根據(jù)采煤機(jī)滾筒和整機(jī)的載荷分析及其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用Matlab/Simulink工具建立滾筒采煤機(jī)變速截割系統(tǒng)的仿真模型，為進(jìn)行理論研究和仿真分析奠定基礎(chǔ)，所建模型的主要參數(shù)見表1。

表1 采煤機(jī)仿真模型主要參數(shù)

2 煤層截割阻抗識(shí)別及截割參數(shù) 優(yōu)化

2.1 截割電機(jī)定子電流與煤層截割阻抗的關(guān)系

不考慮采煤機(jī)滾筒調(diào)高等，在采煤機(jī)正常截煤時(shí)，牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速是影響采煤機(jī)截割性能的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

采煤機(jī)的截割負(fù)載是煤的物理機(jī)械性質(zhì)在采煤機(jī)截割過程中的綜合體現(xiàn)，并隨其變化而變化。截割阻抗綜合地反映了被開采煤層可截割性，可用截割阻抗表征煤巖的物理機(jī)械性質(zhì)。

1) 滾筒上工作的截齒所受瞬時(shí)截割力為

式中：0ij為第條截線上第個(gè)工作的銳利截齒所承受的截割力(N)；和為自由指標(biāo)，為截齒對應(yīng)的截線號(hào)和截線上的截齒號(hào)；cp?0為截齒磨鈍時(shí)牽引力增量；為截割阻抗系數(shù)，可由經(jīng)驗(yàn)公式得到=150。

2) 瞬時(shí)切削厚度為

式中：h為瞬時(shí)切削厚度(mm)；m為第截線上的截齒數(shù)(個(gè))；為第條截線上第個(gè)截齒的圓心角((°))；q為采煤機(jī)牽引速度(m/min)；為滾筒工作時(shí)間(s)；為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)。

3) 滾筒的負(fù)載轉(zhuǎn)矩即滾筒上受到的瞬時(shí)阻力矩為

式中：Z為瞬時(shí)阻力矩(N?m)；為滾筒的直徑(m)；Z為載齒所受瞬時(shí)截割力(N)。

由式(3)~(5)可知：當(dāng)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，其截割負(fù)載與牽引速度q、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒工作時(shí)間以及截割阻抗有關(guān)；而滾筒的工作時(shí)間僅與某一時(shí)刻截入煤層的截齒位置和數(shù)量有關(guān)，影響滾筒截割載荷的周期性波動(dòng)，對平均載荷的影響可以忽略。

綜上所述，當(dāng)采煤機(jī)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其截割負(fù)載僅與煤層的截割阻抗有關(guān)。采煤機(jī)的截割負(fù)載可用截割電機(jī)定子電流及其持續(xù)時(shí)間表征。因此，可通過采煤機(jī)截割電機(jī)定子電流及其持續(xù)時(shí)間反映所截煤層的截割阻抗。

為了驗(yàn)證采煤機(jī)截割電機(jī)定子電流與截割負(fù)載之間的關(guān)系，搭建采煤機(jī)變速截割傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，獲得截割負(fù)載與采煤機(jī)截割電機(jī)定子電流間的關(guān)系，如圖2和圖3所示。

由圖2及圖3可知：截割負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，截割電機(jī)定子電流與截割負(fù)載變化趨勢一致，時(shí)間上約有0.1 s延遲。由理論分析及試驗(yàn)結(jié)果可知，截割電機(jī)定子電流均值能夠反映截割負(fù)載，進(jìn)而為間接識(shí)別煤層的截割阻抗提供依據(jù)。

2.2 煤層按截割阻抗范圍劃分

不考慮夾矸等情況，煤層按其截割阻抗可分為三大類：≤180 N/mm的煤層稱為軟煤層；為180~240 N/mm的煤層稱為中硬煤層；為240~360 N/mm的煤層稱為硬煤層[19]。

1—滾筒負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2—定子電流均值。

1—截割負(fù)載；2—定子電流均值。

由于煤層是非均勻的，呈各向異性，且煤層的物理性質(zhì)不穩(wěn)定，硬度變化很大，即截割阻抗為變量。采煤機(jī)在截割煤層過程中不可能針對每一確切的截割阻抗的煤調(diào)節(jié)牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速，因此，針對適合使用滾筒采煤機(jī)開采的截割阻抗范圍為180~360 N/mm的中硬煤層及硬煤層，采用分級(jí)區(qū)域劃分的方法將煤層截割阻抗劃分為5個(gè)等級(jí)范圍，見圖4；對應(yīng)于所劃分的每個(gè)截割阻抗等級(jí)范圍，對滾筒采煤機(jī)截煤時(shí)的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，使采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割更具有可行性。

圖4 煤層按截割阻抗范圍劃分

2.3 截割參數(shù)分級(jí)優(yōu)化

采煤機(jī)在截割煤層過程中的截割性能與采煤機(jī)的截割參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。對于某一種類型的采煤機(jī)，只能改變其截割參數(shù)即牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速。因此，塊煤率、截割比能耗w等截割性能參數(shù)便主要與采煤機(jī)的牽引速度q、滾筒轉(zhuǎn)速和截割阻抗有關(guān)。

塊煤率以切削總面積表征：

截割比能耗w為

(8)

式中：為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)；q為采煤機(jī)牽引速度(m/min)；為滾筒直徑(mm)；為滾筒螺旋葉片的升角(rad)；為滾筒每條截線上的截齒數(shù)(個(gè))；為煤體破碎時(shí)的崩落角(rad)；為綜合考慮煤的壓張情況、脆塑性、截割條件等參數(shù)的修正系數(shù)；為截齒的齒刃寬度(mm)；為截割阻抗(N/mm)。

以塊煤率和截割比能耗H綜合最優(yōu)為目標(biāo)，以牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)變量，有

以截割電機(jī)功率和截割力、牽引電機(jī)功率和牽引力等為約束條件，利用模擬退火的粒子群算法對采煤機(jī)截煤時(shí)的截割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲取該截割阻抗范圍內(nèi)較優(yōu)的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(10)

式中：1和2分別為塊煤率、截割比能耗權(quán)重系數(shù)，具體數(shù)值可根據(jù)煤礦企業(yè)的具體生產(chǎn)要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來確定。經(jīng)過優(yōu)化后，各截割阻抗范圍所對應(yīng)的采煤機(jī)截煤時(shí)的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速及其截割性能參數(shù)見表2。

表2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及截割性能參數(shù)分級(jí)優(yōu)化

3 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割

3.1 煤層截割阻抗識(shí)別數(shù)據(jù)庫建立

采煤機(jī)截割電機(jī)的定子電流均值和持續(xù)時(shí)間可以作為識(shí)別所截煤的截割阻抗的參數(shù)。而采煤機(jī)截割同一介質(zhì)的時(shí)間一般大于3 s，由介質(zhì)性質(zhì)波動(dòng)引起的異常截割電流持續(xù)時(shí)間一般小于3 s[20]。由于煤的不均勻性和滾筒參數(shù)的影響，截割電機(jī)定子電流均值也會(huì)有波動(dòng)，同時(shí)為了便于識(shí)別，這里采用截割電機(jī)定子電流均值對時(shí)間的積分作為識(shí)別煤的截割阻抗的參數(shù)，積分時(shí)間選取3 s。

在采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和截割參數(shù)給定情況下，影響截割電機(jī)定子電流均值對時(shí)間的積分的參數(shù)便是截割阻抗。以截割阻抗范圍⑤(見圖4)時(shí)采煤機(jī)的截割參數(shù)為例，牽引速度q=2.84 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速=26.7 r/min。設(shè)采煤機(jī)以上述的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速開始截煤，煤質(zhì)均勻，即煤的截割阻抗為一定值，取360 N/mm，則可得到一確定的截割電機(jī)定子電流均值對時(shí)間的積分值，=1 015 A?s。同理，可得到各個(gè)截割阻抗區(qū)間節(jié)點(diǎn)(180，216，252，288，324和360N/mm)所對應(yīng)的積分值，并以此建立該運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的數(shù)據(jù)庫5，作為識(shí)別截割阻抗范圍的標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 截割電機(jī)定子電流積分值數(shù)據(jù)庫D5

同理，可以得到采煤機(jī)在另外4組牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下截煤時(shí)，各個(gè)截割阻抗范圍節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的截割電機(jī)定子電流對時(shí)間的積分值數(shù)據(jù)庫。

3.2 截割阻抗范圍的模糊識(shí)別

以表3中參數(shù)為例，設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊識(shí)別控制器。以截割電機(jī)定子電流均值對時(shí)間的積分為輸入，值域?yàn)閇590 , 1020] A?s；以截割阻抗范圍為輸出，值域?yàn)閇1 , 5]；建立該條件下的單輸入單輸出模糊識(shí)別控制器5。

由式(4)~(6)可知滾筒負(fù)載與截割阻抗之間呈線性關(guān)系，并由圖2和圖3得到截割電機(jī)定子電流與負(fù)載變化趨勢一致，呈近似線性關(guān)系，且輸出為用數(shù)值表示的截割阻抗范圍，故選擇trapmf型隸屬度函數(shù)曲線，該制器的隸屬度函數(shù)見圖5。

(a) 輸出變量I與隸屬度的關(guān)系；(b) 輸出變量Q與隸屬度的關(guān)系

所設(shè)計(jì)的單輸入單輸出模糊控制器5的模糊控制規(guī)則見表4。

模糊控制器的輸出變量截割阻抗，利用開關(guān)選擇器選擇并輸出相應(yīng)截割阻抗范圍對應(yīng)的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。在所定義的整個(gè)煤層的截割阻抗范圍(180~360 N/mm)，牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速的輸出見圖6。

表4 模糊控制器F5的控制規(guī)則

1—牽引速度；2—滾筒轉(zhuǎn)速。

3.3 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

在煤層截割阻抗范圍內(nèi)分級(jí)劃分和識(shí)別以及牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速分級(jí)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)滾筒采煤機(jī)按煤層截割阻抗的自適應(yīng)變速截割。

對煤層截割阻抗范圍內(nèi)分級(jí)劃分的目的在于更好地實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)變速截割控制。采煤機(jī)實(shí)際截煤過程中不可能針對某一確定截割阻抗確定牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。由于煤的不穩(wěn)定性，煤層截割阻抗變化較大，其截割阻抗范圍的變化如圖7所示。

對于給定的煤層，其截割阻抗范圍為180~360 N/mm。由于滾筒采煤機(jī)在開始截煤作業(yè)時(shí)不知所截煤層的截割阻抗范圍，為保護(hù)采煤機(jī)工作安全，選取初始截割參數(shù)為截割阻抗范圍⑤時(shí)的優(yōu)化參數(shù)。具體自適應(yīng)變速控制策略如下：

1) 采煤機(jī)初始滾筒轉(zhuǎn)速=26.7r/min，牽引速度q=2.84 m/min，此時(shí)，選用模糊控制器5。

2) 采煤機(jī)開始檢測截割電機(jī)定子電流，采樣時(shí)間為3 s，并求得積分值，作為模糊控制器5的輸入。

圖7 煤層截割阻抗范圍變化示意圖

3) 采用所選擇的模糊控制器識(shí)別煤層截割阻抗所屬范圍，若判斷為范圍⑤，則不改變牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速以及模糊控制器。

4) 若模糊控制器5判斷煤層截割阻抗不為范圍⑤，假設(shè)為范圍③，則調(diào)節(jié)牽引速度q=3.61 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速=31.1r/min，同時(shí)關(guān)閉范圍⑤所對應(yīng)的模糊控制器5，而選擇模糊控制器3，并繼續(xù)檢測在該牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下截割電機(jī)定子電流積分值。

5) 若煤層截割阻抗范圍不變，則式(3)不改變牽引速度q、滾筒轉(zhuǎn)速以及模糊控制器。

6) 若煤層截割阻抗范圍發(fā)生變化，則按步驟(4)調(diào)節(jié)采煤機(jī)的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速，同時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模糊控制器，并繼續(xù)檢測截割電機(jī)定子電流積分值。

采煤機(jī)按截割阻抗范圍自適應(yīng)變速截割控制的控制策略示意圖見圖8。

采煤機(jī)根據(jù)煤層截割阻抗范圍變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)變速截割控制的關(guān)鍵在于：建立采煤機(jī)在不同牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下截煤時(shí)各截割阻抗節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的截割電機(jī)定子電流均值積分的數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的模糊控制器，并根據(jù)所識(shí)別的煤層截割阻抗范圍選擇相應(yīng)模糊識(shí)別控制器，輸出相應(yīng)牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。

3.4 采煤機(jī)電機(jī)調(diào)速控制方法

采煤機(jī)截煤時(shí)，若煤層截割阻抗發(fā)生變化，如由范圍①變化至范圍③，則相應(yīng)的采煤機(jī)的牽引速度q由4.73 m/min降至3.61 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速由 38.2r/min降至31.1 r/min。牽引電機(jī)和截割電機(jī)均采用矢量控制變頻調(diào)速，在進(jìn)行調(diào)速時(shí)會(huì)對電機(jī)本身及采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，應(yīng)采用合適的電機(jī)調(diào)速控制方法。

為提高電機(jī)調(diào)速性能，調(diào)速系統(tǒng)的速度控制器采用參數(shù)自整定模糊PI控制器。系統(tǒng)以電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值及其變化率為輸入，經(jīng)模糊推理后，調(diào)整PI控制器參數(shù)。交流變頻電機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，能夠提高電機(jī)調(diào)速的控制效果，其結(jié)構(gòu)見圖9。

圖8 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

圖9 參數(shù)自整定模糊PI控制器結(jié)構(gòu)圖

要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制，需對調(diào)速系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，而不同形式的轉(zhuǎn)速信號(hào)也會(huì)影響調(diào)速效果。給定電機(jī)不同形式的轉(zhuǎn)速信號(hào)和調(diào)速控制方法見 圖10。

對采煤機(jī)截煤時(shí)的牽引調(diào)速過程進(jìn)行仿真，給定煤層的截割阻抗為252N/mm，滾筒轉(zhuǎn)速為38 r/min，牽引速度q由4.73 m/min降至3.61 m/min，此時(shí)，牽引速度及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)見圖11。同理可得截割電機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速由38.2r/min降至31.1 r/min時(shí)不同調(diào)速方法的滾筒轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，見圖12。

由圖11及圖12可知：牽引電機(jī)和截割電機(jī)采用參數(shù)自整定的PI控制時(shí)，電機(jī)的響應(yīng)速度和超調(diào)比僅有PI控制的電機(jī)響應(yīng)均為優(yōu)；而對于同為參數(shù)自整定的PI控制的電機(jī)調(diào)速，給定斜坡形式的調(diào)速信號(hào)其電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波動(dòng)最小。由于牽引部、截割部電機(jī)功率、系統(tǒng)慣量等不同，兩者的響應(yīng)曲線變化幅度有所不同。綜上可知：選擇斜坡形式的轉(zhuǎn)速信號(hào)給定方式并結(jié)合參數(shù)自整定PI控制的電機(jī)調(diào)速控制方法，其調(diào)速效果較優(yōu)。

1—階躍信號(hào)/PI控制；2—階躍信號(hào)/自整定PI控制；3—階梯信號(hào)/自整定PI控制；4—斜坡信號(hào)/自整定PI控制。

(a) 牽引速度響應(yīng)；(b) 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

(a) 滾筒轉(zhuǎn)速響應(yīng)；(b) 截割電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

4 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割試驗(yàn)研究

利用已搭建的采煤機(jī)變速截割傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架對采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。由于受目前條件限制，試驗(yàn)臺(tái)架僅有截割電機(jī)，其功率為 15 kW，采用變頻控制，牽引電機(jī)的調(diào)速則通過程序?qū)崿F(xiàn)。在試驗(yàn)過程中所采用的采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略示意圖如圖13所示，變速截割控制試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

由圖13和圖14可知：17 s時(shí)煤層截割阻抗發(fā)生變化(這里以階躍載荷的形式給定)，3 s后控制器判定煤層截割阻抗由范圍①變化至范圍③，并輸出相應(yīng)的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速；先對牽引速度q進(jìn)行調(diào)節(jié)，由4.73 m/min降至3.61 m/min，此時(shí)截割負(fù)載下降；然后，調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速由38.2r/min降至31.1 r/min，截割負(fù)載有所上升，截割電機(jī)定子電流變化趨勢與截割負(fù)載一致。

結(jié)果表明：截割電機(jī)定子電流可以反映煤層截割阻抗變化；驗(yàn)證了采煤機(jī)截割電機(jī)調(diào)速控制方法的有效性；本文所提出的采煤機(jī)無人自適應(yīng)變速截割控制方法可自動(dòng)適應(yīng)不同硬度煤層的截割要求，為最終實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)無人開采提供參考。

圖13 采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制策略

1—滾筒轉(zhuǎn)速；2—滾筒載荷；3—一軸轉(zhuǎn)速；4—一軸轉(zhuǎn)矩；5—牽引速度；6—定子電流。

5 結(jié)論

1) 針對煤層截割阻抗變化的問題，對煤層截割阻抗進(jìn)行區(qū)域劃分，并進(jìn)行了牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的分級(jí)優(yōu)化。

2) 采用截割電機(jī)定子電流均值對時(shí)間積分的方法識(shí)別煤層截割阻抗范圍，并利用仿真模型獲得了截割電機(jī)定子電流積分值數(shù)據(jù)庫，建立了煤層阻抗識(shí)別的模糊控制器。

3) 基于煤層截割阻抗劃分，提出按截割阻抗范圍進(jìn)行自適應(yīng)變速截割的控制策略和采煤機(jī)電機(jī)調(diào)速控制方法。

4) 搭建了采煤機(jī)變速截割傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，并對所提出的控制方法和策略進(jìn)行了驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)變速截割控制以及無人化采煤提供了研究思路和參考。

[1] 葛世榮. 智能化采煤裝備的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2014, 42(9): 7?11. GE Shirong. Key technology of intelligent coal mining equipment[J]. Coal Science and Technology, 2014, 42(9): 7?11.

[2] 方新秋, 何杰, 郭敏江, 等. 煤礦無人工作面開采技術(shù)研究[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2008, 26(9): 56?61. FANG Xinqiu, HE Jie, GUO Minjiang, et al. Study on unmanned workface mining technology[J]. Science & Technology Review, 2008, 26(9): 56?61.

[3] 劉丹丹, 趙燦, 湯春瑞. 基于磁流變閥的采煤機(jī)恒功率控制應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2009, 34(7): 988?992. LIU Dandan, ZHAO Can, TANG Chunrui. Application of constant power control of shearer based on magnetorheological valve[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(7): 988?992.

[4] 趙奕輝, 高曉光, 劉志明. 基于模糊控制的電牽引采煤機(jī)恒功率自動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 煤礦機(jī)電, 2012(4): 41?43. ZHAO Yihui, GAO Xiaoguang, LIU Zhiming. Constant power automatic control system of electric haulage shearer based on fuzzy control[J]. Colliery Mechnical & Electrical Technology, 2012(4): 41?43.

[5] 谷勇. 基于模糊控制的采煤機(jī)截割自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)[J]. 煤礦機(jī)械, 2013, 34(12): 151?153. GU Yong. Constant power automatic control system of electric haulage shearer based on fuzzy control[J]. Coal Mining Machinery, 2013, 34(12): 151?153.

[6] 黃華. 基于模糊控制理論的采煤機(jī)自適應(yīng)截割控制研究[J]. 煤礦機(jī)械, 2014, 35(6): 110?112. HUANG Hua. Research of adaptive cutting control of shearer based on fuzzy theory[J]. Coal Mining Machinery, 2014, 35(6): 110?112.

[7] ZHOU Xin, WANG Zhongbin, TAN Chao, et al. A novel approach for shearer memory cutting based on fuzzy optimization method[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2013, 5(5): 319272.

[8] 王剛, 方新秋, 謝小平, 等. 薄層無人工作面自動(dòng)化開采技術(shù)應(yīng)用[J]. 工礦自動(dòng)化, 2013, 39(8): 9?13. WANG Gang, FANG Xinqiu, XIE Xiaoping, et al. Application of automatic mining technology of unmanned coal face of thin seam[J]. Industry and Mine Automation, 2013, 39(8): 9?13.

[9] 桓希傳, 曹廣海, 王濤. 采煤機(jī)截割電機(jī)變頻調(diào)速控制的探討[J]. 山東煤炭科技, 2009(1): 99?100. HUAN Xichuan, CAO Guanghai, WANG Tao. Discusses on variable frequency speed control for cutting motor of shearer[J]. Shandong Coal Science and Technology, 2009(1): 99?100.

[10] 劉送永, 杜長龍, 崔新霞, 等. 采煤機(jī)滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2008, 36(8): 62?64. LIU Songyong, DU Changlong, CUI Xinxia, et al. Analysis and research on cutting drum movement parameters of coal drum shearer[J]. Coal Science and Technology, 2008, 36(8): 62?64.

[11] 劉春生, 侯清泉. 采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速與牽引速度范圍匹配[J]. 煤礦機(jī)械, 2002(6): 11?12. LIU Chunsheng, HOU Qingquan. The match of shearer drum rotational speed and traction speed[J]. Coal Mining Machinery, 2002(6): 11?12.

[12] 馬正蘭, 杜長龍, 劉送永. 高煤塊率采煤機(jī)變速截割的理論研究[J]. 煤炭工程, 2009(12): 91?92. MA Zhenglan, DU Changlong, LIU Songyong. Study on high lump coal rate shearer with variable speed[J]. Coal Engineering, 2009(12): 91?92.

[13] 趙麗娟, 劉旭南, 馬聯(lián)偉. 基于經(jīng)濟(jì)截割的采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2013, 38(8): 1490?1495. ZHAO Lijuan, LIU Xunan, MA Lianwei. Optimization research on shearer’s kinematic parameters based on economical cutting[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(8): 1490?1495.

[14] ORDIN A A, METEL’KOV A A. Optimization of the fully-mechanized stoping face length and efficiency in a coal mine[J]. Journal of Mining Science, 2013, 49(2): 254?264.

[15] VENKATARAMAN M. Effect of rate of sumping on fragmentation process in laboratory rotary cutting simulator[D]. USA: West Virginia University. College of Mineral and Energy Resources, 2003: 67?68.

[16] EINICKE G A, RALSTON J C, HARGRAVE C O, et al. Longwall mining automation: an application of minimum-variance Smoothing[J]. IEEE Control System Magazine, 2008, 28(6): 28?37.

[17] KELLY M S, HAINSWORTH D W. Outcomes of the landmark longwall automation project with reference to ground control issues[C]//24th Interantional Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, 2005: 66?73.

[18] OSBORNE D. The coal handbook: towards clean production[M]. Philadelphia: Woodhead Publishing Limited, 2013: 193?225.

[19] 劉春生. 滾筒式采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2013: 19?20. LIU Chunsheng. Working mechanism of drum shearer[M]. Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 2013: 19?20.

[20] 蘇秀平. 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2013: 16?19. SU Xiuping. Study on key technologies of auto-height adjustment for shearer[D]. Xuzhou: China University of Mining & Technology. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2013: 16?19.

(編輯 陳燦華)

Adaptive control method of unmanned shearer with variable speed cutting

LIU Yonggang, YAN Zhongliang, QIN Datong, HU Minghui, GE Shuaishuai, HOU Liliang

(State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

In order to achieve shearer’s unmanned cutting and obtain the integrated optimal cutting performance parameters such as lump coal rate and energy consumption rate, the relationship between coal seam cutting impedance and cutting motor stator current was acquired by analyzing current shearer’s working theory and building the simulation model. Furthermore, an adaptive control method of shearer with variable speed cutting was presented. The coal seam cutting impedance was divided into different ranges, and each range corresponds to the optimized hauling speed and drum rotation speed. The ranges were identified by using fuzzy control technology based on the cutting motor stator current and the duration time, coal seam cutting impedance identification and adaptive speeds control were implemented with specific strategy. At last, the simulation and experiment were conducted. The results show that this method is favorable and feasible, which provides theoretical reference to the implement of shearer high efficiency cutting and unmanned mining.

cutting impedance identification; cutting parameters; optimization; variable speed cutting; adaptive control

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.014

TD421

A

1672?7207(2017)06?1513?09

2016?07?10；

2016?09?22

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB046304)(Project(2014CB046304) supported by the National Basic Research Program(973 Program) of China)

劉永剛，博士，副教授，從事動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及其綜合控制研究；E-mail：andyliuyg@cqu.edu.cn