采煤机自适应记忆切割.pdf

第 卷第期重 庆 大 学 学 报 年月 文章编号 采煤机自适应记忆切割 徐志鹏 王忠宾 米金鹏 中国矿业大学 机电工程学院 江苏 徐州 收稿日期 基金项目 国家高技术研究发展计划 重点资助项目 教育部霍英东基金优选资助课题 教育部博士点新教师基金资助项目 作者简介 徐志鹏 男 中国矿业大学博士研究生 主要从事煤矿自动化方面的研究 摘要 针对以往的采煤机记忆切割技术在我国复杂地质条件下不适用的情况 提出了基于模 糊控制理论的采煤机自适应记忆切割技术 设计出了采煤机位置 姿态定位系统和采煤机自适应切 割模糊控制系统该系统可以获取采煤机任意位置处的姿态和状态信息 自动跟踪所记忆的切割 路径 基于模糊控制理论对是否截割到岩石进行判断并做出最优的处理方案通过实验室的路径 跟踪实验和西安煤矿机械有限公司的自适应调节实验证明 该技术在实现采煤机记忆切割的基础 上能够识别出滚筒到切割岩石时的异常状态 并对牵引速度和滚筒高度做自适应调节 能够满足复 杂地质条件下对采煤机的控制要求 关键词 采煤机 自适应控制 记忆切割 模糊控制 中图分类号 文献标志码 采煤机的自动化控制是实现采煤工作面自动化 的重点和难点 而采煤机自动化的关键则是滚筒的 自动调高目前国内采煤机大多依靠人工通过红外 遥控器在近距离操控 大量的煤尘和水雾使得操作 人员很难看清滚筒是否切割到岩石 仅能通过滚筒 发出的声音进行判别为此 国内外学者提出过利 用射线探测 雷达探测 红外温度探测 截割力分 析 振动分析等方法来进行煤岩识别 但实际应 用的效果都不理想 世纪 年代中期西德学者 首次提出了记忆割煤行程自动调高系统 并成功应 用于美国 公司的 型 德国 公司 的 型和 公司的 型等采煤机上 该方法避免了煤岩识别这一技术难题 便于实现且 操作简单 但在我国采煤工作面上的应用并不理想 主要原因在于 我国煤矿地质条件复杂 煤岩界面 变化剧烈 所记忆的切割曲线不具有普遍性 当记忆 路径失效时 就需要对切割路径重新进行记忆 随着我国采煤机功率的不断增大 同时为了移架 推 溜的顺利进行和采煤效率的提高 较小的夹矸和断 层均直接进行切割而不必频繁的调节滚筒高度且顶 板和底板应尽量切割平整因此 有必要针对我国 复杂地质条件和当前煤矿生产需求对采煤机记忆切 割技术进行研究和改进笔者提出了基于模糊理论 的采煤机自适应记忆切割技术 既遵从记忆切割路 径以避免切割过硬岩石而导致的机械或电气部件损 坏 又尽可能少的调节滚筒高度从而保持顶板和底 板的平整性 采煤机自适应记忆切割总体控制 方案 采煤机工作过程中最主要的两个动作是机身的 横向往复运动和摇臂的纵向升降运动 前者对应于 牵引电机的转速 后者对应于调高油缸的伸缩量 因此对采煤机的控制也主要针对与牵引电机和调高 油缸传统的记忆切割技术要求采煤机切割到岩石 后摇臂立即下降 以避免截割电机堵转或截割齿断 裂而随着电机功率的增大和截割齿材料的改进 使得采煤机可以对一般硬度的岩石直接进行切割 因此在本方案中 控制器根据采煤机的各项传感数 据不仅可以识别出是否切割到岩石 而且还能够判 断出是否允许对其直接切割对于一般硬度的岩石 采取降低牵引速度强行切割的方法 如果岩石硬度 过大则采取调节滚筒高度进行避让的方法该控制 方案在采煤机机械部件和电器部件不受损伤的基础 上 最大限度地保证了采煤效率 采煤机自适应记忆切割总体控制流程如图所 示 可分为个阶段 人工示教阶段 自适应切割阶 段和人工修正阶段每个阶段既相对独立又相互联 系 如自适应切割与人工示教和人工修正都发生联 系 人工示教和人工修正共享一个数据记忆集来记 录人工操作 图采煤机自适应记忆切割总体控制流程图 人工示教由人工操控和数据记忆两部分组成 当操作人员控制采煤机进行切割时 机载控制器每 隔一段时间便会记录下采煤机当前的位置 姿态 状 态和动作等信息其中 位置信息是指采煤机在工 作面处的空间坐标 姿态信息是指采煤机的机身倾 斜角度和滚筒的空间坐标 状态信息是指采煤机机 械部件和电器部件运行的状态参数 动作信息是指 操作人员对采煤机发出的控制命令这些数据经过 处理后存储于控制器中以指导采煤机的自动运行 显然 机载控制器的采集频率越大就越详细的记录 下采煤机运行过程 但同时又会产生大量无用信息 占用控制器的处理能力和存储空间 而如果频率过 小 就有可能漏掉采煤机的一些重要动作针对这 一问题 本方案将控制器的采集点分为常规点和关 键点常规点沿采煤机运行方向等距离分布 其间 相隔关键点则是操作人员对采煤机发出控制 命令的点 如采煤机的启动 停止 加速 减速 摇臂 的上升 下降等关键点是人工示教的核心 直接反 映了操作人员的操作方式和操作顺序采取常规点 和关键点相结合进行记忆的策略 既确保了记忆质 量又降低了数据量 为后续的自适应切割过程提供 了保障 自适应切割是指由机载控制器控制采煤机按照 人工示教的路径自动切割煤层首先 机载控制器 根据人工示教过程中所记忆的操作命令控制采煤机 运行 在运行过程中机载控制器在每个常规点和关 键点处将当前采集到的数据与所记忆的数据进行对 比而后 模糊控制器根据对比结果对当前的运行 第期徐志鹏 等 采煤机自适应记忆切割 状态进行判别 是否切割到岩石 是否需要停机 是 否需要加速或减速 是否需要上升或下降摇臂 是否 需要人工干预 是否需要重新人工示教等最后 机 载控制器根据模糊控制器的判别做出相应的控制输 出 对于常规操作如加减速 升降摇臂等 可由控制 器自行完成 而对于人工干预 人工示教操作 则需 要向操作人员发出报警提示 请求人工介入 人工修正是指当机载控制器遇到无法解决的故 障或者无法识别的状态时 将控制方式从自动转换 为手动 由操作人员控制采煤机进行切割人工修 正是自适应切割的有力补充 确保了在紧急情况下 人工操作的优先权机载控制器会记录下人工修正 的操作步骤 作为关键点进行存储 下次遇到类似状 况便可以自行解决当人工修正完成后 操作人员 可以将采煤机的控制方式从手动改为自动 由机载 控制器根据记忆数据控制采煤机完成后续的切割 任务 采煤机的位置和姿态定位 由上文可知 采煤机位置和姿态是自适应记忆 切割中的重要信息 直接影响到采煤机的控制效果 国内以往对于采煤机记忆切割的研究并不深入 对 于采煤机位置和姿态的空间定位问题尚未有完整的 解决方案曾有学者提出利用轴编码器计算采煤机 行走距离来进行位置定位 利用位移传感器获取调 高油缸的伸缩量来进行姿态定位 但得到仅是位置 和姿态的相对值而并非三维空间内的绝对值 因此 解决采煤机位置和姿态定位问题是实现自适 应切割的前提和基础 采煤机位置定位 要确定采煤机机身的位置最直观的方法就是获 取其在三维空间内的坐标值 这就需要解决以下问 题 选取采煤机上某一固定点作为位置定位的特征 点 定义 三 维 坐 标 系 推 导 特 征 点 坐 标 值 的 计 算 公式 特征点的选取采煤机的机体过于庞大 因 此需要在采煤机上选取一个特征点 并以此特征点 的三维坐标来唯一确定采煤机的位置本文选取采 煤机行走齿轮与刮板运输机上导轨的接触点作为特 征点进行定位计算 此时特征点的运行轨迹与刮板 运输机的导轨重合 三维坐标系的定义初始状态下采煤机起始 位置处的特征点为系统原点重力加速度反方向 为轴正方向 重力加速度方向为轴负方向平 行于刮板运输机且与轴垂直方向为轴 面朝煤 壁 向右为轴正方向 向左为轴负方向垂直于 平面且指向煤壁方向为轴正方向 相反为轴 负方向需要注意的是 原点是在系统初始状态下 设定的固定点 不随采煤机的横向运动或纵向运动 而改变 并且原点与所对应刮板运输机推溜受力点 的联机必须平行于 平面 特征点坐标值的计算如图所示为采煤机 位置定位示意图 实线为刮板运输机的布置情况 实 心圆点为各节刮板运输机间的铰接点图中表示的 是在初始状态下刮板运输机从圆点经过一次推溜后 的情况 实际工作中要经过多次推溜设刮板运输 机共有节 每节长度为 初始状态下第个铰接 点处的坐标为 第节与轴的夹角为 其中且则当采煤机行程为 时 其中为商 为余数由此可 知采煤机特征点位于刮板运输机第节上的处 图采煤机位置定位示意图 设采煤机起始点经过次推溜 每次推溜的距 离为 推溜方向与轴方向的夹角为 其中 且则经过次推溜后采煤机特征点的 三维坐标值 为 采煤机姿态定位 采煤机的姿态信息包括机身倾角和调高油缸位 移量 其中机身倾角是由刮板运输机决定的 只有调 高油缸位移量是可调的这里采煤机的姿态定位是 以滚筒空间坐标的形式给出的 因为可以综合反映 机身倾角和调高油缸位移量 而采煤机的姿态控制 重 庆 大 学 学 报第 卷 是以调高油缸位移量的形式给出的 因为姿态信息 中只有该项是可控的采煤机的姿态定位是建立在 位置定位基础上的 确定了关键点的坐标值后 根据 机身的横向倾角和纵向倾角确定滚筒坐标值 只考虑采煤机横向倾角情况下根据关键点坐 标求出滚筒的轴和轴坐标如图所示为采煤 机调高系统机构简图在 平面内的投影 图中共有 五个点 第个点的坐标用 表示 点 间线段为调高油缸的伸出量 粗实线为采煤机机身 点为位置定位中使用的特征点其中左图为机身 水平时的姿态 右图为机身前倾角度时的姿态 从 图中可以看出滚筒高度不仅取决于调高油缸伸出量 还取决于机身的倾角在图中 当机身横向倾角 为时 根据特征点的坐标 可以求出固定点 的坐标 和 在点组成的 三角形中 已知点 的坐标值及其与点间的距 离 可以由二维坐标系中两点间距离的公式列出关 于 和的二元二次方程 解此方程能够求出点 的坐标值 同理在点组成的三角形 中能够求出点的坐标值 即为滚筒的旋转 中心坐标值 图采煤机姿态在 平面内的投影简图 考虑采煤机纵向倾角情况下对滚筒的坐标值 进行修正设在位置定位中求得特征点坐标值为 采煤机机身的纵向倾角为 上一步得 到的滚筒在 平面内投影坐标值为 则 可由坐标投影关系求得滚筒的三维坐标值 为 采煤机的自适应切割 自适应切割是采煤机控制部分的核心内容 主 要由路径跟踪和自适应调节两大部分组成路径跟 踪是指在各设备工作状态正常的前提下 尽可能的 按照人工示教时所记录的数据来复原采煤机的运行 过程自适应调节是指在路径跟踪过程中判断出采 煤机所处的运行状态 根据不同的情况采取相应的 措施来将采煤机调节至正常工作状态 路径跟踪策略 路径跟踪的依据是人工示教过程中各个记忆点 中的数据 判断路径跟踪效果的指标包括滚筒坐标 和牵引速度两部分在未进行路径跟踪前 机载控 制器根据当前刮板运输机的布置情况计算出采煤机 运行到每个记忆点时的机身坐标值 将其与人工示 教时记忆的机身坐标值进行比较 求出机身的上升 高度 并由此计算出此时滚筒应当升高的高度以及 所对应的调高油缸位移量 作为本次运行的理想值 存储至控制器中在路径跟踪阶段 当采煤机运行 到第个记忆点时 机载控制器会读取第个记 忆点处调高油缸位移量和机身牵引速度的理想值 根据点与点的间距计算出调高油缸的运行时 间和牵引变频器的加速曲线当采煤机按照这种控 制方案行驶到点时 机载控制器又会根据此时 的调高油缸位移和运行速度来制定至点 间的运行方案这种控制策略在每个记忆点处都重 新计算下一点的运行方案 从而消除了多点间的累 计误差 保证了路径跟踪的精度 为了验证路径跟踪策略的实际效果 本课题组 图采煤机记忆切割实验平台 研发了采煤机记忆切割实验平台 如图所示该平 台具有与真实采煤机相同的控制功能 可以模拟采 煤机的工作过程作者基于该平台进行了采煤机路 径跟踪效果测试实验所得的路径跟踪曲线如图 所示 图中实线部分为记忆路径 其上的实心点为记 忆点 包括常规点和关键点 虚线部分为实际运行路 径实验结果表明 该路径跟踪策略可有效跟踪所 记忆的切割路径 但在路径的拐点处尚存在一定的 滞后 这主要是由于调高油缸对控制命令的响应具 有一定的延时性 第期徐志鹏 等 采煤机自适应记忆切割 图采煤机路径跟踪曲线 自适应调节策略 自适应调节的依据是路径跟踪过程中各设备的 工作状态 调节的对象是采煤机的运行速度和滚筒 高度实践证明当采煤机切割到岩石后其截割电机 温度 电流以及摇臂振动都将加大并超出正常范围 此时应首先降低牵引速度 之后如果采煤机状态恢 复正常则直接切割岩石 如果持续降低牵引速度一 段时间后采煤机状态仍然异常则降低滚筒高度 如 果持续降低滚筒高度一段时间后采煤机状态仍无法 恢复正常则向操作人员发出警报请求人工干预自 适应调节策略强调以降低牵引速度作为应对切割岩 石时产生的电流 振动增大等问题的首选 而不是单 一的降低滚筒高度 由于对采煤机状态是否异常的判断主要来自于 生产经验 而且很难建立采煤机的数学模型 因此本 文采用模糊控制方法来实现采煤机的自适应调节 模糊控 制 的 概 念 是 由 美 国 加 州 大 学 教 授 首先提出的 其基本思想是将操作人员的控 制经验用具有模糊含义的语言 变量加以描述 用一 组条件语句构成控制规则以及相应的模糊推理 最 终通过模糊决策得到精确控制量 模糊控制具 有如下特点 不需要建立被控对象的数学模型 只 需掌握现场操作人员或有关专家经验 知识和数 据 具有较强的鲁棒性 尤其适应于非线性时 变 滞后系统的控制 不用数值而用语言式的 模糊变量来描述系统 使得操作人员易于使用自然 语言进行人机对话 结合采煤机具体情况 本模糊控制系统的输入 量包括截割电机电流 摇臂振动幅值两部分其中 截割电机电流的论域为 摇臂振动幅值 论域为 模糊控制输出量的论域为 其模糊子集均为 分 别对应 负大 负中 零 正中 正大 该系 统的模糊控制规则如表所示 表自适应调节模糊控制规则表 其中 中每个模糊子集的取值都需要结 合操作人员和生产厂家的经验来确定本系统结合 西安煤机厂 型电牵引采煤机的相 关参数和设计人员的经验总结出了每个模糊子集的 取值及其所对应的控制操作 如表 所示其中 截割电流的模糊子集 取值为 表示正常工 作时的电流取值为 表示正常工作电流的 倍 其他取值同理最终的模糊控制输出如图 所示 表截割电机电流的模糊子集 模糊子集 取 值 控制操作报警加速减速降低滚筒 停车 表振动幅值的模糊子集 模糊子集 取 值 控制操作报警加速减速降低滚筒 停车 表控制输出的模糊子集 模糊子集 取 值 控制操作停车 减速降低滚筒加速报警 为了验证采煤机自适应调节策略的控制效果 作者在西安煤机厂的采煤机工况参数模拟实验台上 进行了仿真测试如图所示 该实验台可以模拟 采煤机在不同负载下的工况参数实验过程中系统 重 庆 大 学 学 报第 卷 图采煤机模糊控制输出图 模拟出采煤机的截割电机电流 摇臂振动幅值 而后 将其输入到模糊控制器中 模糊控制器根据模糊判 别规则控制采煤机的牵引速度如图所示 当截 割电机电流和摇臂振动幅值急速增加时模糊控制器 控制牵引电机减速 随着牵引速度的降低截割电机 电流和摇臂振动幅值均有所下降 当截割电机电流 和摇臂振动幅值趋于正常值时模糊控制器不再降低 牵引电机速度 此时牵引速度趋于平稳 图采煤机工况参数模拟实验台 结论 作为综采工作面的关键设备 采煤机的自动化 是实现综采工作面自动化和少人化的重点和难点 记忆切割技术是被实践证明最有效的采煤机自动控 制方法 但在我国复杂的地质条件下煤岩界面变化 剧烈 仅依靠记忆切割技术并不适用针对这一问 题 笔者提出了基于模糊控制理论的采煤机自适应 记忆切割技术 设计出了采煤机位置 姿态空间定位 系统和自适应切割模糊控制系统在保证采煤机工 作状态正常的前提下 该系统可以避免摇臂的频繁 升降 确保了顶板 底板的平整性并提高了采煤效 率目前该系统在 型电牵引采煤 图采煤机自适应调节控制效果 机 样机模型构成的实验平台上进行了路径跟踪 测试 证明了路径跟踪策略的可行性并且在西安 煤矿机械有限公司的采煤机工况模拟实验台上进行 了自适应调节测试 实验数据表明 模糊控制系统可 以识别采煤机的异常工作状态 并采取相应的控制 方法将其恢复至正常状态接下来将进行采煤工作 面的现场实验 并根据实验结果对系统做进一步的 改进和完善 参考文献 廉自生 刘混举 李文英基于切割力响应的煤岩界面 识别技术研究 山西机械 第期徐志鹏 等 采煤机自适应记忆切割 夏护国采煤机位置监测装置的原理与应用 矿山 机械 方新秋 何杰 张斌 等无人工作面采煤机自主定位系 统 西安科技大学学报 安美 珍采 煤 机 运 行 姿 态 及 位 置 监 测 的 研 究 北京 煤炭科学总院