基于模糊控制實現采煤機的自動化調速控制

段興堯

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

由于煤礦井下工作環境特殊、采煤機自動控制技術仍不成熟，當前對采煤機的截割路徑、滾筒轉速以及推進速度判斷等都需進行人工控制。然而在煤礦井下實際開采過程中，經常出現因煤塵濃度高、工作環境視野范圍差影響采煤機司機判斷的情況，采煤機作業路徑偏差、切頂等事故也時常發生，難以保證采煤機的截割效率，同時也無法確保采煤機司機安全工作。本文基于綜采工作面采煤機人工作業現狀，通過模糊控制實現采煤機的自動化調速，進而實現采煤機綜采智能化作業，達到高效安全開采的效果。

1 采煤機截割狀態分析

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。采煤機滾筒通過改變截割電機截割轉矩力的大小來調節對煤壁的截割狀態，從而進行煤壁的截割作業。采煤機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 采煤機截割作業受力分析簡圖

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為截割電機的縱向分力和，通過對每個截齒的分力總和進行矢量疊加計算得到；Fn代表截割電機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小；Ya為采煤機截齒的工作阻力大小，分別同正弦值、余弦值相乘后進行求和計算可以求得總摩擦力大小。

通過上述對采煤機整體截割作業時的受力情況進行分析，可以看出在采煤機推進過程中，采煤機滾筒的截割速度以及采煤機的推進速度，總會受到截割煤壁時產生的摩擦阻力的影響，因此設想通過研究采煤機截割阻力與采煤機推進速度及采煤機滾筒截割速度之間的關系，可以起到對采煤機作業速度進行靈活調節的效果。通過對綜采工作面采煤機推進過程中的牽引速度以及滾筒截割速度進行參數收集，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來進行截割負載與截割參數的優化設計。

2 截割負載與截割參數優化設計

綜采面采煤機的截割作業過程中，影響采煤機推進速度以及采煤機滾筒的截割轉速的主要原因在于對煤壁截割時產生的截割阻力，這也是截割負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生影響。因此通過設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化控制，即可以實現采煤機滾筒截割速度以及采煤機推進速度的優化調節，具體研究結果見下圖2 所示。

圖2 采煤機滾筒截割阻力與截割電機電流值關系示意

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行對比可以看出兩者具備一定的相關性，因此設想通過設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行自動識別，通過自身所處的截割阻抗范圍自動調整采煤機滾筒的截割速度以及采煤機的推進速度，實現采煤機的自適應控制效果[1]。具體設計為利用采煤機截割電機在不同截割阻力下的工作狀態進行數據收集，設計出不同阻力狀態下采煤機截割速度以及采煤機推進速度的最優截割參數，通過這種不同阻力下的工況進行截割控制系統的自動調整，設計出合理的截割速度以及推進速度。

3 基于模糊控制下的采煤機自動調速設計

3.1 模糊控制系統構成

采煤機的截割模糊控制系統構成為三大部分，即模糊控制器、采煤機截割推進電機以及速度調節器。模糊控制器為核心部分實現對采煤機滾筒截割速度以及推進速度的自動化調節，主要由模糊化模塊、模糊控制依據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進行設定存儲；模糊控制的依據算法是通過設計的采煤機截割煤壁工作阻力的阻抗范圍，實現對采煤機滾筒截割速度以及采煤機牽引速度的調節；決策模塊是通過工作阻抗的調節量輸出具體的參數調節值，從而實現對采煤機工作速度的調節效果[2]。

為實現上述截割控制系統進行自動化操控的效果，基于井下復雜的工作環境影響，利用模糊控制器來實現控制系統對截割速度以及推進速度的自動化調節。通過采煤機截割電機截割作業時的設計轉速與實際工作過程中轉速的誤差值進行差值計算，將這一差值作為模糊控制系統的輸入變量，經過模糊控制系統進行推導計算后，對輸入的截割速度以及推進速度的參數量進行優化調整，從而實現截割控制系統的優化精確控制效果，具體操作如圖3 所示。通過對采煤機的實時工況進行數據收集，通過模糊控制器利用截割阻力范圍對輸入變量進行調整，從而輸出調整后的參數實現對采煤機作業速度的自動化調節效果。

圖3 模糊控制下的自動截割調速流程圖

3.2 截割效果仿真模擬

為確定模糊控制設計對采煤機滾筒截割速度以及采煤機牽引速度的調節效果，現對設計完成后的采煤機截割速度自動調節模糊控制系統進行試驗驗證，具體驗證結果如圖4 所示，通過利用不同阻力下模糊控制器的自動調速實際效果來驗證系統的控制性能。可以看出，在截割阻力未變化的前20 s 內，采煤機滾筒的截割速度以及推進速度均未發生變化；在20 s 之后采煤機的截割阻力增大，而采煤機的推進速度在30 s 后也隨之降低，呈現了一段時間的滯后性，而采煤機截割滾筒的截割速度則在20 s 后同步降低。因此基本可以確定模糊控制的可靠性，可以在保證采煤機截割作業穩定性的前提下實現對采煤機作業參數的靈活調節，提高綜采工作效率。

圖4 采煤機截割速度及給進速度隨截割阻力變化示意圖

下頁圖5 為采煤機在超載欠載下的工作曲線圖由圖5 可知，采用模糊控制系統對采煤機的推進速度以及滾筒截割進行自動化控制，基本可以實現取代人工操作的效果。在超載作業工況下或欠載工況下模糊控制的調節速度要明顯高于人工控制，可以實現對細微工作阻力的靈敏捕捉實現對采煤機作業速度的靈活控制，使用效果顯著[3-4]。

圖5 采煤機在超載欠載下的工作曲線圖

4 結語

本文通過對采煤機截割作業時的幾種截割狀態進行研究，得出控制截割作業的關鍵因子，即截割阻力對截割速度以及采煤機推進速度的影響。以截割電機作業時的截割速度以及采煤機推進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對輸入參數的調整，從而達到對截割電機的優化調速目的，并通過仿真模擬實驗成功實現模糊控制系統對采煤機截割作業的調速優化控制，起到了采煤機自動化、智能化作業效果，對煤礦產業智能化、高效化發展具有重大意義。