采煤机无人自适应变速截割控制方法.pdf

第4 8 卷第6 期 2 叭7 年6 月 中南大学学报 自然科学版 J o u r n a lo fC e n t r a lS o u t hU n i V e r s i t y S c i e n c ea n d7 I b c h n o I o g y V b I ．4 8N o ．6 J u n e2 0 1 7 D o I 1 0 ．1 1 8 1 7 a ．i s s n ．1 6 7 2 7 2 0 7 ．2 0 1 7 ．0 6 ．0 1 4 采煤机无人自适应变速截割控制方法 刘永刚，闫忠良，秦大同，胡明辉，葛帅帅，侯立良 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆，4 0 0 0 4 4 摘要为了实现采煤机的无人自动化采煤，并使采煤机在截煤时的块煤率及截割比能耗等截割性能参数综合较优， 通过分析现有采煤机的工作原理及特性并建立采煤机变速截割仿真模型，得到煤层截割阻抗与截割电机定子电流 的关系。在此基础上，提出一种适用于滚筒采煤机的自适应变速截割控制方法，通过划分煤层截割阻抗范围，对 采煤机的牵引速度和滚筒转速进行分级优化调节，根据采煤机截割电机定子电流及时问信号，结合所制定的控制 策略实现采煤机对煤层截割阻抗的自动识别及自适应调速控制，最后进行仿真分析及试验进行验证。研究结果表 明该控制方法可取得较好效果并具有可行性，为实现采煤机自适应变速截割及无人化自动采矿提供参考。 关键词截割阻抗识别；截割参数；优化；变速截割；自适应控制 中图分类号T D 4 2 l文献标志码A文章编号1 6 7 2 7 2 0 7 2 0 1 7 0 6 一1 5 1 3 0 9 A d a p t i V ec o n t r o lm e t h o d0 fu n m a n n e ds h e a r e rw i t h V a r i a b l es p e e dc u t t i n g L I UY o n g g a n g ，Y A Nz h o n g l i a n g ，Q I ND a t o n g ，H UM i n g h u i ，G ES h u a i s h u a i ，H O UL i l i a n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n ，C h o n g q i n gU n i v e r s i 吼C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oa c h i e V es h e a r e r ’su n m a n n e dc u t t i n ga n do b t a i nm ei n t e g r a t e do p t i m a lc u t t i n gp e r f o n n a n c e p a r a m e t e r ss u c ha sl u m pc o a lr a t ea n de n e 唱yc o n s u m p t i o nr a t e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o a ls e a mc u t t i n gi m p e d 柚c e a n dc u t t i n gm o t o rs t a t o rc u r r e n tw a sa c q u i r e db ya n a l y z i n gc u r r e n ts h e a r e r ’sw o r k i n gt h e o r ya n db u i l d i n gt h es i m u l a t i o n m o d e l ．F u r t h e m o r e ，a na d a p t i V ec o n t m lm e t h o do fs h e a r e rw i t hv a r i a b l es p e e dc u t t i n gw a sp r e s e n t e d ．T h ec o a ls e a m c u n i n gi m p e d a n c ew a sd i V i d e di n t od i 丘b r e n tr a n g e s ，a n de a c hr a n g ec o H ℃s p o n d st ot h eo p t i m i z e dh a u l i n gs p e e da n d d m mm t a t i o ns p e e d ．T h er a n g e sw e r ei d e n t i f i e db yu s i n gf u z z yc o n t r 0 1t e c h n o l o g yb a s e do nt h ec u n i n gm o t o rs t a t o r c u r r e n ta n dt h ed u r a t i o nt i m e ，c o a ls e a mc u t t i n gi m p e d a n c ei d e n t i f i c a t i o na n da d a p t i V es p e e d sc o n t r o lw e r ei m p l e m e n t e d w i t hs p e c i n cs t r a t e g y ．A tl a s t ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o di s f a v o r a b l ea n df e a s i b l e ，w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c et ot h ei m p l e m e n to fs h e a r e rh i g he f n c i e n c yc u t t i n ga n d u n m a n n e dm i n i n g ． K e yw o r d s c u t t i n gi m p e d a n c ei d e n t m c a t i o n ；c u 砌n gp a r a m e t e r s ；o p t i m i z a t i o n ；v a r i a b l es p e e dc u t t i n g ；a d a p t i v ec o n t r o l 我国煤炭有9 0 ％是井工开采，但目前我国煤矿井 下采掘装备的智能化程度不高，导致我国煤矿开采灾 害多、用人多、伤亡多、效率低‘1 1 。滚筒采煤机是现 代机械化采煤的主要设备，广泛应用于不同地质条件 下的煤炭开采。滚筒采煤机生产的主要缺点是块煤率 低和工作面粉尘量较大，低块煤率不仅增加采煤比能 收稿日期2 叭6 0 7 1 0 修回日期2 0 1 6 一0 9 2 2 基金项目 F o u n d a t i o n ．t e m 国家重点基础研究发展规划 9 7 3 计划 项目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 4 P r o j e c t 2 0 1 4 c B 0 4 6 3 0 4 s u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lB a s i c R e s e a r c hP r o g r a m 9 7 3P r o g r a m o fC h i n a 通信作者刘永刚，博士，副教授，从事动力传动系统及其综合控制研究；E m a i l a r I d y l i u y g c q u ．e d u ．c n 万方数据 1 5 1 4 中南大学学报 自然科学版第4 8 卷 耗，而且降低了原煤的应用范围和使用价值，同时也 是产生粉尘的一个重要原因，而粉尘又严重威胁着工 人的身体健康和生命安全，因此，实现采煤机高效截 煤作业及其少人、无人的自动化采矿成为研究热剧2 1 。 国内外学者对采煤机高效截割以及自动化采矿进行了 研究，如刘丹丹等【3 】提出基于磁流变阀触觉技术的 采煤机恒功率控制方法；赵奕辉等[ 4 】设计了基于模糊 控制的电牵引采煤机恒功率自动控制系统；谷勇【5 】提 出了基于模糊控制的采煤机截割自动调速控制系统， 取得了良好效果；黄华【6 】采用模糊控制理论对采煤机 截割路径进行跟踪，调节采煤机牵引速度和滚筒高度 z H O U 掣7 j 提出一种基于模糊最优化的记忆截割控制 方法，仿真结果表明该方法高效可行；王刚等【8 】对薄 煤层工作面自动化开采技术应用进行了研究；桓希传 等【9 ] 探讨了采煤机截割电机变频调速的必要性，从原 理上分析了用变频调速控制采煤机截割电机的可行 性；刘送永等【10 】根据采煤机截割理论建立了滚筒截割 比能耗与滚筒运动参数之间关系的数学模型；刘春生 等⋯】根据滚筒的截煤和装煤要求研究了牵引速度和 滚筒转速的匹配关系马正兰等【1 2 】开展了在不同截割 阻抗煤质条件下的截割速度和牵引速度的优化研究， 为变速截割技术的实施提供了理论依据；赵丽娟掣1 3 】 基于经济截割对采煤机运动学参数和结构参数进行了 优化研究；O R D I N 等[ 1 4 】以最大利润为目标对综采工作 面长度和工作效率进行了优化； v E N K A T A R A M A N 【”J 利用旋转截割试验台研究了截 割比能耗、可呼吸粉尘量与相关参数的关系，指出滚 筒截割比能耗和可呼吸粉尘量与截齿的几何形状和尺 寸、滚筒的截齿布置以及滚筒的牵引和旋转速度有关； E I N I C K E 等【1 6 】对长壁开采的自动化进行了分析研究； 澳大利亚煤炭协会发起的“L a n d m a r k ”项目，其目的也 在于研究自动化长壁开采技术m ] 。此外，在采煤先进 技术及装备等方面，困外学者和企业也进行了大量研 究[ 18 1 ，但目前对采煤机无人自适应变速截割的综合研 究还较少。为实现采煤机无人化高效截割，本文作者 提出一种适用于滚筒采煤机的无人自适应变速截割控 制方法。分析现有采煤机工作原理及特性，建立采煤 机截割负载与截割电机定子电流的关系；对煤层按截 割阻抗范围进行划分并得到优化后的采煤机运动参 数，在此基础上采用模糊控制技术结合所制定的控制 策略实现采煤机自适应变速截割，并对具体调速方法 和控制策略进行仿真分析和试验验证。 1 采煤机载荷分析 采煤机主要由牵引部、截割部及调高机构等组成。 本文主要对采煤机牵引部、截割部及其自适应变速截 割调速控制进行研究，牵引电机和截割电机均为采用 矢量控制变频调速的异步电机。 1 ．1 采煤机滚筒载荷 采煤机截割电机输出的转速和转矩经摇臂内惰轮 传递后用以驱动滚筒转动并截割煤层，滚筒上截齿与 煤层之间产生相互作用力，因此，滚筒采煤机截割滚 筒在工作过程中所受的载荷即为各截齿的合力。由图 l 可得到滚筒所受三向力为 n J g c ∑鼍 J l n 镕 0 ∑ 一乙c o s 吵f rs i n 少， 1 i 1 月馏 t ∑ 乙s i n ∥，一Ic o s ∥j ， 1 式中怯为截煤区参与截割的截齿数 个 | ；f ，i 为第j 个截齿的位置角 。 ；x 为第f 个截齿的侧向力州 乙为第f 个截齿的截割阻力 N ；y 『为第f 个截齿的进 给阻力吖 。滚筒主要受到的力为进给阻力E ， N 、侧 向力只 N 及截割阻力e N 。 F b 1 a 滚筒横向受力； b 滚筒纵向受力； c 整机受力 图1 滚筒及整机受力分析 F i g ．1 F o r c ea n a l y s i so fs h e a r e ra n dd r u m 1 ．2 采煤机整机载荷 牵引电机驱动整机运动，除克服摩擦力及重力的 分力外，还要克服滚筒截煤时产生的进给阻力等。不 考虑滚筒调高及进刀等，对整机受力模型进行简化， 采煤机整机仅有牵引方向受力凡，可表示为 ‘ K v ‘ G s i n ∥ ．厶c o s ∥ 2 万方数据 第6 期刘永刚，等采煤机无人自适应变速截割控制方法 1 5 1 5 式中K 为进给阻力系数；G 为整机重力 N ；五为摩 擦阻力系数∥为采煤机工作面倾角 。 。 1 ．3 运动学分析 采煤机的截割运动参数直接影响截割负载及截割 性能等。固定在滚筒上的截齿除了随滚筒绕其轴线旋 转外，还必须随采煤机一起沿工作面作直线运动，其 运动学方程为 r y 2 ‰， 尺s I n ∥i Jz J R c o s y ， 3 k 嚣， 式中y 为滚筒截齿y 轴坐标；z 为滚筒截齿z 轴坐标； R 为采煤机滚筒半径 m ；f 为滚筒工作时间 s ‰为 采煤机牵引速度 m ／m i n ；_ 『 为滚筒转速 r ／m i n 。 1 ．4 采煤机仿真模型的建立 根据采煤机滚筒和整机的载荷分析及其运动学方 程，利用M a t l a b ／S i m u l i n k 工具建立滚筒采煤机变速截 割系统的仿真模型，为进行理论研究和仿真分析奠定 基础，所建模型的主要参数见表1 。 表l 采煤机仿真模型主要参数 1 ’a b l elM a i np a r a m e t e r so fs h e a r e rs i m u l a t i o nm o d e l 名称参数 顺序式双头直径为16 0 0m m ，叶片升角为 滚筒2 0 。，崩落角为6 0 0 ，牵引部传动比1 9 8 ， 截割部传动比为3 8 牵引电机5 0 k w ／3 8 0 v 交流变频调速 截割电机3 0 0k W ／11 4 0V 交流变频调速 2煤层截割阻抗识别及截割参数 优化 2 ．1 截割电机定子电流与煤层截割阻抗的关系 不考虑采煤机滚筒调高等，在采煤机正常截煤时， 牵引速度％和滚筒转速珂是影响采煤机截割性能的主 要运动参数。 采煤机的截割负载是煤的物理机械性质在采煤机 截割过程中的综合体现，并随其变化而变化。截割阻 抗4 综合地反映了被开采煤层可截割性，可用截割阻 抗彳表征煤岩的物理机械性质。 1 滚筒上工作的截齿所受瞬时截割力为 z f f z o f ， 厂 誓p 一％ 4 式中Z 0 i i 为第f 条截线上第，个工作的锐利截齿所承 受的截割力Ⅲ ；f 和，为自由指标，为截齿对应的截 线号和截线上的截齿号y c 。一y o 为截齿磨钝时牵引力 增量；厂为截割阻抗系数，可由经验公式得到爿 1 5 Q 厂o 2 1 瞬时切削厚度为 ，1 0 0 1 ％8 i n [ 2 7 c 胛， a 口 ／6 0 ]，。 蚀2 ‘i 一 p J H l n 式中厅，，为瞬时切削厚度 m m ；m ，为第f 条截线上的 截齿数 个 ；。[ ，i 为第f 条截线上第，个截齿的圆心角 。 ；v 。为采煤机牵引速度 州m i n ；f 为滚筒工作时间 s ；行为滚筒转速 r ／m i n 。 3 滚筒的负载转矩即滚筒上受到的瞬时阻力矩为 心 o ．5 D ∑乃 6 式中尬为瞬时阻力矩 N ．m ；D 为滚筒的直径 m ； 乙为载齿所受瞬时截割力 N 。 由式 3 ～ 5 可知当采煤机结构参数一定时，其 截割负载与牵引速度％、滚筒转速胛、滚筒工作时间， 以及截割阻抗爿有关；而滚筒的工作时间f 仅与某一 时刻截入煤层的截齿位置和数量有关，影响滚筒截割 载荷的周期性波动，对平均载荷的影响可以忽略。 综上所述，当采煤机牵引速度和滚筒转速一定时， 其截割负载仅与煤层的截割阻抗彳有关。采煤机的截 割负载可用截割电机定子电流及其持续时间表征。因 此，可通过采煤机截割电机定子电流及其持续时间反 映所截煤层的截割阻抗。 为了验证采煤机截割电机定子电流与截割负载之 间的关系，搭建采煤机变速截割传动系统试验台架， 获得截割负载与采煤机截割电机定子电流间的关系， 如图2 和图3 所示。 由图2 及图3 可知截割负载发生变化时，截割 电机定子电流与截割负载变化趋势一致，时问上约有 0 ．1s 延迟。由理论分析及试验结果可知，截割电机定 子电流均值能够反映截割负载，进而为间接识别煤层 的截割阻抗提供依据。 2 ．2 煤层按截割阻抗范围划分 不考虑夹矸等情况，煤层按其截割阻抗可分为三 三 - Z ≤ 辞 g 一 批 i i 釜 l 一滚筒负载转矩；2 一定子电流均值。 图2 阶跃载荷下截割电机定子电流 F i g ．2C u t t i n gm o t o rs t a t o rc u I T e n ti ns t e pl o a d 万方数据 万方数据 第6 期刘水刚．等采煤机无人自适应变速截割控制疗法1 5 1 7 在采煤机结构参数和截割参数给定情况下，影响 截割电机定子电流均值对时间的积分J r 的参数便是截 割阻抗爿。以截割阻抗范围⑤ 见图4 时采煤机的截割 参数为例，牵引速度％ 2 ．8 4m ／m i n ，滚筒转速，z 2 6 ．7 r ／m i n 。设采煤机以上述的牵引速度和滚筒转速开始截 煤，煤质均匀，即煤的截割阻抗为一定值，取彳 3 6 0N ／m m ，则可得到一确定的截割电机定子电流均值 对时间的积分值，，_ l0 1 5A ．S o 同理，可得到各个截 割阻抗区间节点 1 8 0 ，2 1 6 ，2 5 2 ，2 8 8 ，3 2 4 和3 6 0 N ／m m l 所对应的积分值，并以此建立该运动参数下的数据库 D ，，作为识别截割阻抗范围的标准，见表3 。 表3 截割电机定子电流积分值数据库D 5 1 ．a b I e3 I n t e g r a lV a l u ed a t a b a s eD 5o fc u t t i n g m O t O rS t a t O rC U n ．e n t 彳／ N m m 一1 1 8 0 2 1 6 2 5 2 2 8 8 3 2 4 3 6 0 肌A 。s 5 9 67 2 78 3 29 0 69 5 01 叭5 同理，可以得到采煤机在另外4 组牵引速度和滚 筒转速下截煤时，各个截割阻抗范围节点所对应的截 割电机定子电流对时问的积分值数据库。 3 ．2 截割阻抗范围的模糊识别 以表3 中参数为例，设计自适应模糊识别控制器。 以截割电机定子电流均值对时问的积分，为输入，值域 为[ 5 9 0 ，1 0 2 0 ] A - S ．以截割阻抗范围Q 为输出，值域为[ 1 ， 5 ] ；建立该条件下的单输入单输出模糊识别控制器尽。 由式 4 ～ 6 可知滚筒负载与截割阻抗之间呈线性 关系，并由图2 和图3 得到截割电机定子电流与负载 变化趋势一致，呈近似线性关系，且输出为用数值表 示的截割阻抗范围，故选择t r a p m f 型隶属度函数曲线， 该制器的隶属度函数见图5 。 a 输出变量，与隶属度的关系 b 输出变量Q 与隶属度的关系 图5 模糊控制器凡的隶属度函数 F i g ．5M e m b e r s h i pf u n c t i o no ff u z z yc o n t r o l l e r 凡 所设计的单输入单输出模糊控制器凡的模糊控 制规则见表4 。 模糊控制器的输出变量截割阻抗Q ，利用开关选 择器选择并输出相应截割阻抗范围对应的牵引速度和 滚筒转速。在所定义的整个煤层的截割阻抗范围 1 8 0 ～3 6 0 N ／m m ，牵引速度％和滚筒转速门的输出见 图6 。 表4 模糊控制器氏的控制规则 T h b l e4C o n t m lm l e so ff u z z yc o n t r o l l e r 氏 3 0 2 0 l【．．一一一J l 1 8 1二二 1 6 【J3 I J 13 4 戡 帅l 抗．I 、‘I 川1 1 l 一牵引速度2 一滚筒转速。 图6 采煤机截割参数分级优化输出 F i g ．6O u t p u t so fm o V e m e n tp a r a m e t e r sc o r r e s p o n dt om n g e s 3 ．3 采煤机自适应变速截割控制策略 在煤层截割阻抗范围内分级划分和识别以及牵引 速度和滚筒转速分级优化的基础上，制定相应的控制 策略，实现滚筒采煤机按煤层截割阻抗的自适应变速 截割。 对煤层截割阻抗范围内分级划分的目的在于更好 地实现采煤机的自适应变速截割控制。采煤机实际截 煤过程中不可能针对某一确定截割阻抗确定牵引速度 和滚筒转速。由于煤的不稳定性，煤层截割阻抗变化 较大，其截割阻抗范围的变化如图7 所示。 对于给定的煤层，其截割阻抗范围为1 8 0 ～3 6 0 N ／m m 。由于滚筒采煤机在开始截煤作业时不知所截 煤层的截割阻抗范围，为保护采煤机工作安全，选取 初始截割参数为截割阻抗范围⑤时的优化参数。具体 自适应变速控制策略如下 1 采煤机初始滚筒转速胛 2 6 ．7r ／m i n ，牵引速度 v 。 2 ．8 4n 1 ／m i n ，此时，选用模糊控制器 。 2 采煤机开始检测截割电机定子电流，采样时问 为3s ，并求得积分值，，作为模糊控制器R 的输入。 万方数据 1 5 1 8} l 南大学学报 自然科学版第4 8 卷 图7 蟆层故‘争j 阻j 毛范围变化示意图 F i g ．7C h a n g eo f c o a ls e a mc u t t i n gi m p e d a n c er a n g e s 3 采用所选择的模糊控制器识别煤层截割阻抗 所属范围，若判断为范围⑤，则不改变牵引速度％和 滚筒转速盯以及模糊控制器。 4 若模糊控制器只判断煤层截割阻抗不为范围 ⑤，假设为范围③，则调节牵引速度v 。 3 ．6 1m ／m i n ， 滚筒转速门 3 1 ．1r ／m i n ，同时关闭范围⑤所对应的模糊 控制器凡，而选择模糊控制器凡，并继续检测在该牵 引速度和滚筒转速下截割电机定子电流积分值，。 5 若煤层截割阻抗范围不变，则式 3 不改变牵引 速度v 。、滚筒转速，7 以及模糊控制器。 6 若煤层截割阻抗范围发生变化，则按步骤 4 调节采煤机的牵引速度‰和滚筒转速船，同时调用相 应的模糊控制器，并继续检测截割电机定子电流积分 值，。 采煤机按截割阻抗范围自适应变速截割控制的控 制策略示意图见图8 。 采煤机根据煤层截割阻抗范围变化实现自适应变 速截割控制的关键在于建立采煤机在不同牵引速度 和滚筒转速下截煤时各截割阻抗节点所对应的截割电 机定子电流均值积分，的数据库和相应的模糊控制 器，并根据所识别的煤层截割阻抗范围选择相应模糊 识别控制器，输出相应牵引速度和滚筒转速。 3 ．4 采煤机电机调速控制方法 采煤机截煤时，若煤层截割阻抗发生变化，如由 范围①变化至范围③，则相应的采煤机的牵引速度％ 由4 ．7 3m ／m i n 降至3 ．6 1 “m i n ，滚筒转速n 由 3 8 ．2r ／m i n 降至31 lr ／m i n 。牵引电机和截割电机均采 用矢量控制变频调速，在进行调速时会对电机本身及 采煤机传动系统产生影响，应采用合适的电机调速控 制方法。 为提高电机调速性能，调速系统的速度控制器采 用参数自整定模糊P I 控制器。系统以电机目标转速与 实际转速的差值及其变化率为输入，经模糊推理后， 调整P I 控制器参数。交流变频电机具有非线性、强耦 合等特点，能够提高电机调速的控制效果，其结构见 图9 。 琏 动 参 数 初 始 化 图8 采煤机自适应变速截割控制策略 F i g ．8A d a p t i V ec o n t r o Is I r a c e g yo fs h e a r e rw i t h v ar j a b l es p e e dc L l t t i n g 图9参数自鳘￡模糊P I 控制器结构[ 墨j F i g ．9 S t m c t u r ed i a g r a mo fp a r a m e t e rt u n i n g f u z z yP lc o n t r o l l e r 、 要实现电机的调速控制，需对调速系统给定转速 控制信号，而不同形式的转速信号也会影响调速效果。 给定电机不同形式的转速信号和调速控制方法见 图1 0 。 对采煤机截煤时的牵引调速过程进行仿真，给定 煤层的截割阻抗为2 5 2N ／m m ，滚筒转速为3 8r ／m i n ， 牵引速度v a 由4 ．7 3 州m i n 降至3 ．6 lm ／m i n ，此时，牵 引速度及电机的转矩响应见图l l 。同理可得截割电机 滚筒转速门由3 8 ．2r ／m i n 降至3 1 ．1r ／m i n 时不同调速方 法的滚筒转速和电机转矩响应，见图1 2 。 由图l l 及图1 2 可知牵引电机和截割电机采用 参数自整定的P I 控制时，电机的响应速度和超调比仅 有P I 控制的电机响应均为优；而对于同为参数自整定 的P I 控制的电机调速，给定斜坡形式的调速信号其电 万方数据 第6 期刘水刚，等采煤机无人自适应变速截割控制方法 1 5 1 9 机转矩响应波动最小。由于牵引部、截割部电机功率、 系统惯量等不同，两者的响应曲线变化幅度有所不同。 综上可知选择斜坡形式的转速信号给定方式并结合 参数自整定P I 控制的电机调速控制方法，其调速效果 较优。 6 5 一6 0 二．j I jj4 4 j 时| 1 I J 、 1 一阶跃信号／P I 控制2 一阶跃信号／自整定P I 控制； 3 一阶梯信号／自整定P I 控制；4 一斜坡信号／自整定P I 控制。 图1 0 不同转速信号给定方式及 不同电机调速控制方法对比 F i g ．10C o m p a r i s o no fd i H 色r e n tr o t a t i o ns p e e ds i g n a l s s e t t i n g sw a y sa n dd i f f 色r e n tm o t o rs p e e dc o n t r o lm e t h o d s 5 ．O 一 4 ．6 二4 2 驯 与科3 ．8 喾 34 3 ．O 2 0 0 ；1 0 0 Z 辞O 罩 _ 世一1 0 0 2 0 0 2 ．53 ．O3 54 ．O4 ．55 ．O 时间／s 2 j．；【】．；j J 4j I } 寸问、 a 牵引速度响应 b 牵引电机转矩响应 l 一阶跃信号／P I 控制；2 一阶跃信号／自整定P I 控制； 3 一阶梯信号／自整定P I 控制 4 一斜坡信号／自整定P I 控制。 图l l 牵引速度及牵引电机转矩响应 F i g ．1lR e s p o n s eo fh a u l i n gs p e e da n dh a u l i n gm o t o rt o r q u e ， ‘￡ ‘三 二 ≤ 列 * 篷 裂 蒋 2 ．53 ．03 ．54 ．04 ．55 ．0 时间，s a 滚筒转速响应； b 截割电机转矩响应 l 一阶跃信号／P I 控制；2 一阶跃信号／自整定P I 控制； 3 一阶梯信号／自整定P I 控制4 一斜坡信号／自整定P l 控制。 图1 2 滚筒转速及截割电机转矩响应 F i g ．1 2R e s p o n s eo f d n J mr o t a t i o ns p e e da n d c u t t i n gm o t o rt o r q u e 4 采煤机自适应变速截割试验研究 利用已搭建的采煤机变速截割传动系统试验台架 对采煤机自适应变速截割控制方法进行验证。由于受 目前条件限制，试验台架仅有截割电机，其功率为 1 5k w ，采用变频控制，牵引电机的调速则通过程序 实现。在试验过程中所采用的采煤机自适应变速截割 控制策略示意图如图1 3 所示，变速截割控制试验结果 如图1 4 所示。 由图1 3 和图1 4 可知1 7s 时煤层截割阻抗发生 变化 这里以阶跃载荷的形式给定1 ，3s 后控制器判定 煤层截割阻抗由范围①变化至范围③，并输出相应的 牵引速度和滚筒转速；先对牵引速度％进行调节，由 4 ．7 3m ／m i n 降至3 ．6 lm ／m i n ，此时截割负载下降然 后，调节滚筒转速朋由3 8 ．2r ／m i n 降至3 1 ．1r ／m i n ，截 割负载有所上升，截割电机定子电流变化趋势与截割 如 弱 如 巧 一三．zljfJ年j；牧遥 万方数据 1 5 2 0 p 南大学学报 自然科学版 第4 8 卷 负载一致。 结果表明截割电机定子电流可以反映煤层截割 阻抗变化；验证了采煤机截割电机调速控制方法的有 效性；本文所提出的采煤机无人自适应变速截割控制 方法可自动适应不同硬度煤层的截割要求，为最终实 现采煤机无人开采提供参考。 截割阻抗／ 兰 N 。m m _ | 11 1 牵引谭妻／二型土～～3 鱼 m ‘m l l l1 7 篇鬻7 』迎一 旦 Qrm l f l 。 _ 二二L 二 一 01 02 03 04 05 0 时间／s 图1 3采煤机自适应变速截割控制策略 F i g ．1 3A d a p t i V ec o n t r o ls t r a t e g yo fs h e a r e rw i f h V a r i a b l es p e e dc L I t t j n g 考墨l 一咱三 耋芝s 器_ 巡o f JI f J二．⋯4 Jj 时间／s 1 一滚筒转速；2 一滚筒载荷；3 一一轴转速 4 一 轴转矩5 一牵引速度；6 一定子电流。 图1 4 采煤机自适应变速截割控制试验结果 F i g ．1 4A d a p t i V ec o n t r o lr e s u l to fs h e a r e rw i t h V a r i a b I es p e e dc u t t i n g 5 结论 1 针对煤层截割阻抗变化的问题，对煤层截割阻 抗进行区域划分，并进行了牵引速度和滚筒转速的分 级优化。 2 采用截割电机定子电流均值对时间积分的方 法识别煤层截割阻抗范围，并利用仿真模型获得了截 割电机定子电流积分值数据库，建立了煤层阻抗识别 的模糊控制器。 3 基于煤层截割阻抗划分，提出按截割阻抗范围 进行自适应变速截割的控制策略和采煤机电机调速控 制方法。 4 搭建了采煤机变速截割传动系统试验台架，并 对所提出的控制方法和策略进行了验证，为实现采煤 机自适应变速截割控制以及无人化采煤提供了研究思 路和参考。 参考文献 [ 1 ]葛世荣．智能化采煤装备的关键技术[ J ] 煤炭科学技术，2 0 1 4 ， 4 2 9 7 11 ． G ES h i m n g ． K e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n tc o a lm i n i n g e q u i p m e n t [ J ] ．c o a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ’2 0 1 4 ，4 2 9 7 11 ． [ 2 ]方新秋，何杰，郭敏江，等．煤矿无人I 作面开采技术研究[ J 】 科技导报，2 0 0 8 ，2 6 9 5 6 6 1 ． F A N G x i n q i u ，H EJ i e ，G u 0M i n j i a n g ，e ta 1 ．S t u d yo nu n m a n n e d w o r k f a c em i n i n gt e c h n o l o g y [ J ] s c i e n c e T e c h n o l o g yR e “e u j 2 0 0 8 ，2 6 9 5 6 6 I ． [ 3 ]刘丹丹，赵灿，汤春瑞．基于磁流变阀的采煤机恒功率控制 应用【J 】．煤炭学报，2 0 0 9 ，3 4 7 9 8 8 9 9 2 ． L I UD a n d a n ，Z H A 0C a n ，下A N G C h u n r u i ．A p p l i c a t i o no f c o n s t a n tp o w e rc o n t m lo fs h e a r e rb a s e do nm a g n e t o r h e o l o g i c a l v a l v e 【J ] ．J o u m a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y 2 0 0 9 ，3 4 7 9 8 8 9 9 2 ． [ 4 】赵奕辉，高晓光，刘志明．基于模糊控制的电牵引采煤机恒 功率自动控制系统[ J 】．煤矿机电，2 0 1 2 4 4 1 4 3 ． Z H A 0Y i h u i ，G A 0X i a o g u a n g ，L I UZ h i m i n g ．C o n s t a n tp o w e r a u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e mo fe l e c t r i ch a u l a g es h e a r e rb a s e do n 如z Z yc o n t r o l [ J ] ．C 0 1 l i e r yM e c h n i c a l E 1 e c t r i c a lT 色c h n o l o g y - 2 0 1 2 4 4 卜4 3 ． [ 5 】 谷勇．基1 模糊控制的采煤机截割自动调速系统[ J ] ．煤矿机 械，2 0 1 3 ，3 4 1 2 15 1 一1 5 3 ． G UY o n g ．C o n s t a n tp o w e ra u t o m a t i cc o n t m ls y s t e mo fe l e c t r i c h a u l a g e s h e a r e rb a s e do n f u z z yc o n t r o l [ J ] ． C o a l M i n i n g M a c h i n e 以2 0 1 3 ，3 4 1 2 1 5 1 一1 5 3 ．