采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馬騰飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣永安宏泰煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

引言

采煤機(jī)為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，其與刮板輸送機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為工作面的“三機(jī)”。采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)高效集約化采煤、減少事故發(fā)生以及改善工作環(huán)境的主要設(shè)備。理論上講，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)與液壓支架的“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)工作面采煤效率、安全性質(zhì)的飛躍。但是，就目前看來，只有刮板輸送機(jī)和液壓支架實(shí)現(xiàn)的聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化控制，采煤機(jī)的單機(jī)自動(dòng)化控制還未完全實(shí)現(xiàn)，究其原因在于無法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)控[1]。因此，本文重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制研究

滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)為采煤機(jī)的重要組成部分，在實(shí)際截割過程中滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)可根據(jù)工作面煤層變化對(duì)滾筒截割高度進(jìn)行自適應(yīng)控制，以保證最終截割效果，從而達(dá)到最大的回采率。目前，對(duì)于常見的雙滾筒采煤機(jī)而言，最常見的滾筒提高方式包括搖臂提高、截割部調(diào)高以及機(jī)身調(diào)高。鑒于搖臂調(diào)高方式具有調(diào)整范圍大、裝煤效果佳以及臥底量大等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。而且，采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的主要依據(jù)為基于記憶截割控制技術(shù)和對(duì)煤巖識(shí)別的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高控制功能[2]。

采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)主要包括反饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。其中，反饋系統(tǒng)主要為自動(dòng)調(diào)高控制器提供控制依據(jù)，包括對(duì)工作面煤巖識(shí)別結(jié)果、滾筒的實(shí)施位置；其中，煤巖識(shí)別主要是通過對(duì)截割力響應(yīng)檢測(cè)裝置的輸出值判斷煤層還是巖層。因此，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高控制的核心在于對(duì)工作面煤巖界面的自動(dòng)識(shí)別、基于煤巖識(shí)別和滾筒實(shí)時(shí)位置通過調(diào)高控制策略得出控制指令對(duì)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制。

2 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)包括煤巖識(shí)別技術(shù)和控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2.1 煤巖自動(dòng)識(shí)別方法

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工作面煤層和巖層介質(zhì)具有隨機(jī)性和非線性的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)截割電機(jī)的電流和牽引電機(jī)電流的變化也處于隨機(jī)性和非線性的變化狀態(tài)。以采煤機(jī)截割頂煤為例，截割工況可劃分為正常截割、截割硬煤層、截割頂板、截割?yuàn)A矸和截割斷層五種。其中，正常截割、截割斷層以及截割頂板可通過判斷滾筒的截割高度確定；煤巖識(shí)別主要是對(duì)截割硬煤層、截割巖層的工作狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。目前，可應(yīng)用的煤巖識(shí)別方法闡述如下：

1）基于支持向量機(jī)理論對(duì)煤巖界面的截割模式進(jìn)行識(shí)別，該項(xiàng)技術(shù)主要存在的瓶頸為如何選擇合理的支持向量機(jī)理論核函數(shù)[3]。

2）基于灰色理論對(duì)煤巖界面截割模式進(jìn)行識(shí)別，該項(xiàng)技術(shù)的核心在于通過對(duì)滾筒高度進(jìn)行預(yù)測(cè)為后續(xù)滾筒提高提供依據(jù)。

3）基于智能識(shí)別算法能夠與灰色理論和支持向量機(jī)理論相比可獲得更加準(zhǔn)確的自動(dòng)識(shí)別結(jié)果。

綜上，本項(xiàng)目可通過模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成煤巖界面識(shí)別的功能，從而實(shí)現(xiàn)記憶截割控制，對(duì)應(yīng)的控制程序如下頁圖1 所示。

圖1 基于記憶截割控制程序流程

2.2 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制策略

采煤機(jī)調(diào)高液壓伺服系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中容易受到滾筒負(fù)載、液壓系統(tǒng)的閥的系數(shù)以及介質(zhì)溫度等情況的影響。即，采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制功能的實(shí)現(xiàn)屬于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，為保證最終控制效果、響應(yīng)速度和控制精度，滑膜控制策略與傳統(tǒng)PID 控制策略相對(duì)具有更快的響應(yīng)特性、跟蹤誤差小等優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目采用滑模控制理論實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的控制流程如下:

采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要通過模擬量采集模塊、數(shù)字量采集模塊等實(shí)現(xiàn)。其中，采煤機(jī)所配置油缸位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、瓦斯傳感器、振動(dòng)傳感器等數(shù)據(jù)通過模擬量采集模塊進(jìn)行采集；各類按鈕及端頭操作站的工作參數(shù)通過數(shù)字量采集模塊進(jìn)行采集；除此之外，機(jī)身傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等參數(shù)均通過CAN 總線傳送至自動(dòng)調(diào)高控制器中。基于滑模控制算法得出相應(yīng)的控制指令通過CAN總線傳輸至變頻器、制動(dòng)電磁閥、伺服驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高控制[4]。

采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)中所需的關(guān)鍵硬件選型如表1 所示。

表1 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型

3 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)的性能，通過在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。結(jié)合采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的實(shí)際組成，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)包括液壓傳統(tǒng)和控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[5]。基于所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)分別對(duì)空載和加載兩個(gè)工況下目標(biāo)截割路徑進(jìn)行模擬。

3.1 空載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果分析

如圖2 所示，在空載狀態(tài)下基于本文所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)，跟蹤位移與目標(biāo)位移的最大誤差僅為0.2 mm；而且基于所設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)高控制策略可對(duì)不同斜率的目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤。

圖2 空載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果

3.2 加載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果分析

如圖3 所示，在加載狀態(tài)下基于本文所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)，跟蹤位移與目標(biāo)位移的最大誤差僅為0.8 mm；而且基于所設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)高控制策略可對(duì)不同斜率的目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤。

圖3 加載條件下目標(biāo)截割路徑模擬結(jié)果

綜上，基于滑模控制策略和記憶截割控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高是可行的，且跟蹤效果極好，同時(shí)可對(duì)不同工況下設(shè)定的目標(biāo)軌跡進(jìn)行跟蹤控制。

4 結(jié)語

采煤機(jī)作為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其自動(dòng)化控制水平、智能化級(jí)別直接決定其是否能夠與刮板輸送機(jī)和液壓支架實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)控制，對(duì)于提升綜采工作面生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。針對(duì)采煤機(jī)單機(jī)自動(dòng)化、智能化水平與刮板輸送機(jī)和液壓支架不匹配的問題，本文基于滑模控制策略和記憶截割控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高控制，并通過試驗(yàn)得出：所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)記憶調(diào)高控制系統(tǒng)跟蹤效果極好，且可對(duì)不同工況下設(shè)定的目標(biāo)軌跡進(jìn)行跟蹤控制。