毛化文

（晉能控股浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

由于井下工作環(huán)境的特殊性以及采煤機自動控制技術(shù)不夠成熟，目前對采煤機截割路徑、滾筒轉(zhuǎn)速以及采煤機推進(jìn)速度的判斷都需人工進(jìn)行控制。而實際操作過程中經(jīng)常發(fā)生因煤塵濃度高、工作環(huán)境視野范圍差而影響到采煤機司機的判斷，經(jīng)常發(fā)生采煤機作業(yè)時路徑偏差或切頂事故，很難保證采煤機的截割效率以及采煤機司機的安全工作環(huán)境?；诰C采工作面采煤機人工作業(yè)的現(xiàn)狀，進(jìn)行模糊控制，以實現(xiàn)采煤機的自動化調(diào)速，實現(xiàn)采煤機綜采作業(yè)的智能化作業(yè)，達(dá)到高效安全開采的效果。

1 采煤機截割狀態(tài)研究

對采煤機截割過程中煤層的直接受力部位為采煤機截割滾筒，采煤機滾筒通過截割電機截割轉(zhuǎn)矩力的大小不同來調(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)。因此對于采煤機滾筒來說控制方式有橫向以及縱向兩種，如圖1 所示，其作用力的大小為：

圖1 采煤機截割作業(yè)受力分析簡圖

式中：Fh為采煤機截割電機作用在橫軸上的截割力；n 為截割過程中截齒的數(shù)量；Xa為第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代表截割電機的縱向分力大小求和，通過對每個截齒的分力總和進(jìn)行疊加計算得出；Fn代表截割電機在縱向的截割分力；βa為截齒的方位角；Za代表a個截齒受到的摩擦阻力大??；Ya代表采煤機截齒的工作阻力大小，分別乘以正選值與余弦值進(jìn)行求和計算則可以得出總的摩擦力的大小。

通過上述對采煤機整體截割作業(yè)時的受力情況進(jìn)行分析，可以看出在采煤機推進(jìn)過程中，采煤機滾筒的截割速度以及采煤機的推進(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)想通過研究采煤機截割阻力與采煤機推進(jìn)速度及采煤機滾筒截割速度之間的關(guān)系，可以對采煤機作業(yè)速度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。通過對綜采工作面采煤機推進(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

綜采面采煤機的截割作業(yè)過程中，影響采煤機推進(jìn)速度以及采煤機滾筒的截割轉(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的推進(jìn)速度以及采煤機滾筒的截割速度，也就是對采煤機截割電機的電流波動產(chǎn)生影響。因此通過設(shè)計截割電機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，對提高采煤機截割電機的穩(wěn)定性以及綜采效率有著顯著效益。而對采煤機截割電機的優(yōu)化控制，即可以實現(xiàn)采煤機滾筒截割速度以及采煤機推進(jìn)速度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，具體研究結(jié)果如圖2 所示。

圖2 采煤機滾筒截割阻力與截割電機電流值關(guān)系示意

由圖2 中截割電機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，對采煤機截割電機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)整采煤機滾筒的截割速度以及采煤機的推進(jìn)速度，實現(xiàn)采煤機的自適應(yīng)控制效果[1]。具體設(shè)計為利用采煤機截割電機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)下采煤機截割速度以及采煤機推進(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自動調(diào)速設(shè)計

3.1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成

采煤機的截割模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成為三大部分，即模糊控制器、采煤機截割推進(jìn)電機以及速度調(diào)節(jié)器。其中模糊控制器為核心部分，實現(xiàn)對采煤機滾筒截割速度以及推進(jìn)速度的自動化調(diào)節(jié)，主要包括模糊化模塊、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)計的采煤機截割煤壁工作阻力的阻抗范圍，實現(xiàn)對采煤機滾筒截割速度以及采煤機牽引速度的調(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，從而實現(xiàn)對采煤機工作速度的調(diào)節(jié)效果[2]。

為實現(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)雜的不利工作環(huán)境影響，利用模糊控制器來實現(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)。通過采煤機截割電機截割作業(yè)時的設(shè)計轉(zhuǎn)速與實際工作過程中轉(zhuǎn)速的誤差值進(jìn)行差值計算，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。通過對采煤機的實時工況進(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)，實現(xiàn)對采煤機作業(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)計對采煤機滾筒截割速度以及采煤機牽引速度的調(diào)節(jié)效果，現(xiàn)對設(shè)計完成后的采煤機截割速度自動調(diào)節(jié)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證，具體驗證結(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)速實際效果來驗證系統(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 之后采煤機的截割阻力增大，而采煤機的推進(jìn)速度在30 s 后也隨之降低，呈現(xiàn)了一段時間滯后性，而采煤機截割滾筒的截割速度則在20 s 后同步降低。因此基本可以確頂模糊控制的可靠性，可以在保證采煤機截割作業(yè)穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)對采煤機作業(yè)參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，提高綜采工作效率。

圖4 采煤機截割速度及給進(jìn)速度隨截割阻力變化示意圖

可以看出利用模糊控制系統(tǒng)對采煤機的推進(jìn)速度以及滾筒截割進(jìn)行自動化控制，基本可以實現(xiàn)取代人工操作的效果，如下頁圖5 所示。曲線1 為模糊控制下的采煤機非標(biāo)功率下的速度調(diào)節(jié)；曲線2 為人工控制下的速度調(diào)節(jié)，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，可以實現(xiàn)對細(xì)微工作阻力的靈敏捕捉，實現(xiàn)對采煤機作業(yè)速度的靈活控制，使用效果顯著[3]。

圖5 采煤機在超載欠載下的工作曲線圖

4 結(jié)論

1）通過對采煤機截割作業(yè)時的截割狀態(tài)進(jìn)行研究，得出控制其截割作業(yè)的關(guān)鍵因子，即截割阻力對截割速度以及采煤機推進(jìn)速度的影響；

2）以截割電機作業(yè)時的截割速度以及采煤機推進(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現(xiàn)對輸入?yún)?shù)的調(diào)整，從而達(dá)到對截割電機的優(yōu)化調(diào)速效果；

3）該項設(shè)計通過模擬試驗成功達(dá)成了模糊控制系統(tǒng)對采煤機截割作業(yè)的調(diào)速優(yōu)化控制，起到了采煤機自動化、智能化作業(yè)效果，對煤礦企業(yè)的智能化高效發(fā)展具有重大意義。