采煤機(jī)記憶截割技術(shù)研究

高穎 張謙

摘 要：為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采煤，需要實(shí)現(xiàn)煤巖分界面的自動(dòng)確定。本文介紹了采煤機(jī)記憶截割的工作原理，并根據(jù)采煤機(jī)截割系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇了迭代學(xué)習(xí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)記憶截割。此外，還建立了截割系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，以采煤機(jī)搖臂擺角作為控制量，并通過(guò)MATLAB仿真進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，基于迭代學(xué)習(xí)控制的采煤機(jī)記憶截割能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤巖分界面的軌跡跟蹤。

關(guān)鍵詞：記憶截割;迭代學(xué)習(xí);煤巖分界面

中圖分類號(hào)：TD421.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0072-02

Study on Memory Cutting Technology of Shearer

Abstract： In order to realize the automation of coal mining， it is necessary to realize the automatic determination of coal-rock interface. In this paper， the working principle of memory cutting of shearer was introduced. According to the characteristics of shearer cutting system， iterative learning control was selected to realize memory cutting. In addition， the dynamic equation of the cutting system was established， and the swing angle of the shearer rocker arm was taken as the control variable， which was verified by the simulation of MATLAB. The simulation results showed that the memory cutting of shearer based on iterative learning control could track the trajectory of coal-rock interface.

Keywords： memory cutting;iterative learning;coal-rock interface

1 研究背景

煤炭是我國(guó)最主要的一次能源，占我國(guó)一次能源消費(fèi)總量的70%以上，因此，煤炭開(kāi)采仍然是一個(gè)重要工程。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，采煤機(jī)的功能是在綜采工作面進(jìn)行采煤、落煤、裝煤，由采煤機(jī)上的截割滾筒進(jìn)行煤炭截割，然后煤炭掉落到刮板輸送機(jī)進(jìn)行傳輸，從而完成煤炭的開(kāi)采。采煤司機(jī)需要實(shí)時(shí)操縱采煤機(jī)進(jìn)行煤炭的開(kāi)采，采煤司機(jī)所處環(huán)境惡劣，且其人身安全不能得到保證。因此，如何使采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采煤是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

采煤機(jī)截割滾筒高度的自動(dòng)調(diào)整是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采煤的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)行采煤機(jī)截割滾筒高度調(diào)整的目的是在綜采工作面盡可能多地截割煤炭，提高開(kāi)采效率及原煤質(zhì)量，同時(shí)盡量避免巖石夾矸等損傷截割滾筒。因此，采煤機(jī)截割滾筒高度的調(diào)整就是如何精確地確定煤巖分界面，使得截割滾筒沿著煤巖分界面進(jìn)行煤炭開(kāi)采。

2 確定煤巖分界面的方法

在煤炭開(kāi)采工作中，一般是采煤司機(jī)觀察煤巖分界面，手工控制截割滾筒的高度。這種操作方式存在兩方面的問(wèn)題：一是采煤司機(jī)所處環(huán)境差，依靠截割噪聲來(lái)判斷截割狀態(tài)，精確率偏低;二是在采煤過(guò)程中存在頂煤冒落、瓦斯爆炸等不可預(yù)知的危險(xiǎn)。因此，需要提出一種煤巖分界面自動(dòng)確定方法替代傳統(tǒng)作業(yè)。煤巖分界面的確定方法可分為兩類：基于傳感器的直接法和記憶截割技術(shù)的間接法。

直接法主要包括自然γ射線法、截割力響應(yīng)法、同位素傳感技術(shù)和紅外線探測(cè)法等。然而，直接法在實(shí)際應(yīng)用中存在較多技術(shù)問(wèn)題，如需要高精度、高實(shí)時(shí)性、高適應(yīng)性的傳感器，必須先進(jìn)行煤巖分界面的識(shí)別，才能調(diào)整截割滾筒的高度等[1]。

記憶截割技術(shù)簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性較強(qiáng)。記憶截割技術(shù)通過(guò)跟蹤已知煤巖分界面來(lái)實(shí)現(xiàn)截割煤炭的目的，關(guān)鍵性問(wèn)題在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖分界面的跟蹤。在實(shí)際應(yīng)用中，只需要獲取煤巖分界面對(duì)應(yīng)的截割軌跡，就能通過(guò)對(duì)截割軌跡的跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)截割滾筒高度的自動(dòng)調(diào)整。因此，采煤機(jī)記憶截割技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)著重要地位。

3 采煤機(jī)記憶截割工作原理

采煤機(jī)的工作原理如下。首先建立三維坐標(biāo)系，以采煤機(jī)截割時(shí)的起始位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以采煤機(jī)截割時(shí)的行走方向?yàn)閇X]軸，以采煤機(jī)的推進(jìn)方向?yàn)閇Y]軸，以采煤機(jī)截割滾筒高度的方向?yàn)閇Z]軸。在首次截割時(shí)選擇采樣點(diǎn)，記錄采樣點(diǎn)的相關(guān)信息，具體包含采煤機(jī)的實(shí)際位置、采煤機(jī)縱向傾斜角、橫向傾斜角、搖臂擺角和液壓缸伸縮長(zhǎng)度等信息，通過(guò)這些信息綜合計(jì)算采煤機(jī)截割滾筒的高度以確定目標(biāo)軌跡。在進(jìn)行第2次至第[k]次截割時(shí)，控制搖臂擺角，使截割滾筒沿目標(biāo)軌跡進(jìn)行截割。當(dāng)煤巖分界面發(fā)生較大變化或需要對(duì)目標(biāo)軌跡進(jìn)行修正時(shí)，需要重新獲取目標(biāo)軌跡。煤機(jī)截割系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，機(jī)械部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。其次，記憶截割技術(shù)中截割滾筒的軌跡不能作為直接控制量，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為采煤機(jī)搖臂的擺角，通過(guò)控制搖臂擺角的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)滾筒高度的變化，而這二者不是線性關(guān)系。最后，截割系統(tǒng)會(huì)受摩擦力、空氣阻力等的干擾，且這些干擾具有不確定性和不可預(yù)知性。因此，采煤機(jī)記憶截割技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要合適的控制算法。

4 基于迭代學(xué)習(xí)控制的采煤機(jī)記憶截割

迭代學(xué)習(xí)控制是一種新的學(xué)習(xí)控制，在已知目標(biāo)軌跡的前提下，根據(jù)對(duì)先驗(yàn)知識(shí)的反復(fù)利用來(lái)得到控制的輸入量。其思路是：在已知理想輸出的條件下，首先設(shè)置第一次迭代的輸入量，然后根據(jù)輸入得到輸出量和誤差量，判斷誤差是否滿足設(shè)定量，若不滿足設(shè)定量，確定下一次迭代的控制輸入量，得到新的輸出量和誤差量，繼續(xù)判斷是否滿足設(shè)定量，如此循環(huán)判斷，直到誤差量達(dá)到設(shè)定量的范圍，或者達(dá)到設(shè)置的迭代次數(shù)[2]。

迭代學(xué)習(xí)控制算法就是通過(guò)多次迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定目標(biāo)軌跡的跟蹤，適用于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，因此，可以應(yīng)用于采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)基于迭代學(xué)習(xí)控制的采煤機(jī)記憶截割，首先要得到截割系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。

采煤機(jī)在沿回采面的截割過(guò)程中，通過(guò)液壓油缸伸縮桿的伸縮來(lái)帶動(dòng)小支臂運(yùn)動(dòng)，小支臂與采煤機(jī)搖臂相連，故帶動(dòng)搖臂運(yùn)動(dòng)，而截割滾筒處于搖臂頂臂，因此，截割滾筒隨搖臂的動(dòng)作而上下移動(dòng)，同時(shí)配合自身的旋轉(zhuǎn)起到截割煤炭的作用。將采煤機(jī)截割系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)系統(tǒng)質(zhì)量分布均勻、處于理想的狀態(tài)下，可以得到截割系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，如式（1）所示。

[Aθx+Dθx+Gcosθx=ux] ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，[x]表示位置;[θ，][θ]，[θ]分別表示搖臂的擺角、角速度和加速度;[A]表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;[D]表示哥式力和離心力;[G]表示重力項(xiàng);[u]表示控制力矩。

在控制過(guò)程中，迭代學(xué)習(xí)控制的目標(biāo)軌跡就是采煤機(jī)的首次截割軌跡，取截割系統(tǒng)的控制力矩作為輸入量，以搖臂擺角作為控制量，將控制力矩作用于截割系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)求取得到目標(biāo)軌跡，直到輸出的跟蹤軌跡與目標(biāo)軌跡的設(shè)定值達(dá)到允許范圍，或達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)，控制結(jié)束。

5 仿真與結(jié)論

在MATLAB環(huán)境下編寫(xiě)M文件，并結(jié)合Simulink建立仿真模型，對(duì)采煤機(jī)記憶截割的迭代學(xué)習(xí)控制進(jìn)行仿真。在仿真過(guò)程中，設(shè)置跟蹤的目標(biāo)軌跡的范圍是[x∈0 ? 100]，同時(shí)設(shè)定總的迭代次數(shù)為是50，將目標(biāo)軌跡設(shè)置為理想曲線[sin0.03x]，以驗(yàn)證該迭代學(xué)習(xí)控制的可行性和精確度。

圖1是采煤機(jī)記憶截割的仿真結(jié)果圖，其中實(shí)線表示目標(biāo)軌跡，虛線表示經(jīng)過(guò)50次迭代跟蹤后得到的實(shí)際輸出軌跡，兩條曲線近似重合，基于迭代學(xué)習(xí)控制的輸出軌跡可以跟蹤目標(biāo)軌跡。在50次迭代過(guò)程中，每次迭代學(xué)習(xí)得到的實(shí)際輸出軌跡和目標(biāo)軌跡的的誤差值隨著迭代次數(shù)的增加，誤差逐漸減小，第50次迭代時(shí)，誤差降到0.015，誤差值較小，能有效跟蹤目標(biāo)軌跡。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，基于迭代學(xué)習(xí)控制算法的采煤機(jī)記憶截割可以有效地跟蹤目標(biāo)軌跡。因此，在已知首次截割軌跡的前提下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖分界面的跟蹤，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的自動(dòng)截割。

參考文獻(xiàn)：

[1]張世洪.我國(guó)綜采采煤機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010（11）：1898-1902.

[2]李春華，劉春生.采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)的分析[J].工礦自動(dòng)化，2005（4）：48-51.