殷淑芳， 趙敏玲

(青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555)

0 引 言

煤炭作為我國主要消費(fèi)能源，煤炭產(chǎn)業(yè)化開采直接關(guān)系到我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步和能源戰(zhàn)略安全性。采煤機(jī)作為煤炭開采關(guān)鍵性機(jī)構(gòu)，實(shí)際工作平臺(tái)為刮板輸送機(jī)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是由專門液壓支架協(xié)調(diào)控制完成[1]。采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)際工作軌跡，需要依據(jù)采煤工作面來確定?？梢姴擅簷C(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和魯棒性，已成為系統(tǒng)控制和相關(guān)學(xué)者研究一個(gè)熱點(diǎn)。目前，我國采煤機(jī)都是通過操作人員在線操作控制，其煤炭開采實(shí)際效率較低，造成很多不必要經(jīng)濟(jì)損失。因此，滾筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制是采煤機(jī)控制系統(tǒng)的核心問題。學(xué)術(shù)界關(guān)于滾筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制研究主要從兩方面出發(fā)。一方面強(qiáng)調(diào)對(duì)于煤炭開采結(jié)構(gòu)面識(shí)別技術(shù)，依據(jù)模式識(shí)別完成采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡確定，進(jìn)而對(duì)于采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)加以控制。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和傳感器安裝方位的局限性，模式識(shí)別方法尚處于研究試驗(yàn)階段，如通過γ射線對(duì)于煤巖界面和地質(zhì)情況識(shí)別[2]。另一方面，在一定人工監(jiān)控背景下，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)化。通過采煤機(jī)前一次運(yùn)動(dòng)路徑記錄，選取迭代學(xué)習(xí)算法，來預(yù)測(cè)和推斷下一次采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位置，這種方法被長期運(yùn)用到煤炭開采領(lǐng)域，如美國JOY公司采煤作業(yè)，而這一方法主要適用于煤炭界面平穩(wěn)環(huán)境下應(yīng)用，并不能真正意義上實(shí)現(xiàn)煤炭地質(zhì)面開采智能化，更不能有效適應(yīng)煤炭層較薄區(qū)域。選擇煤礦生產(chǎn)地質(zhì)勘探企業(yè)和實(shí)際煤炭開采的過程數(shù)據(jù)，構(gòu)建出符合實(shí)際煤炭開采地址特征的虛擬樣機(jī)和三維虛擬工作面[3]，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)虛擬計(jì)算技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代智能化采礦控制手段，進(jìn)行綜合性采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制方面研究，對(duì)于提升采煤效率具有現(xiàn)實(shí)和理論意義。

1 滾筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制策略

滾筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)控制軌跡控制實(shí)際是滾筒高度的自適應(yīng)調(diào)整控制。采煤機(jī)滾筒高度自動(dòng)化調(diào)整，主要是根據(jù)采煤生產(chǎn)工況下振動(dòng)、聲音和負(fù)荷等多信號(hào)融合結(jié)果或者采煤工人工作經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[4]。筆者采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制是在虛擬采煤工作面研究成果基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。依據(jù)采煤機(jī)實(shí)際工作位置信息，反饋到虛擬采煤工作面，結(jié)合虛擬三維采礦數(shù)據(jù)，計(jì)算出采煤機(jī)所處的實(shí)際采礦位置，從而判斷出采煤機(jī)需要調(diào)整高度數(shù)值，為下一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)軌跡運(yùn)動(dòng)提供信息，從而完成采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑軌跡修正控制。

1.1 運(yùn)動(dòng)軌跡的控制

依據(jù)我國煤炭開采作業(yè)相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，在煤炭地質(zhì)挖掘過程中要求，采煤機(jī)的上下挖掘平面要保持割平形態(tài)、煤壁保持一定深度值，并且依據(jù)地質(zhì)情況合理調(diào)整采掘高度，減少相應(yīng)煤炭礦層曲線工作面和臺(tái)階式挖掘?？梢姖L筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制，就是以煤巖為基本準(zhǔn)則面，在安全生產(chǎn)條件和提升效率前提下，科學(xué)合理設(shè)置煤炭采掘高度。由于采煤機(jī)液壓伺服驅(qū)動(dòng)存在一定的結(jié)構(gòu)性延時(shí)，同時(shí)采煤一般選取低速度模式，因此需要控制采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際調(diào)整頻率。滾筒式采煤機(jī)進(jìn)行煤炭挖掘過程中，無需嚴(yán)格實(shí)施頂板巖界面形態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤，通常情況下選擇斜線切割法[5]，即在煤炭開采層分割為若干工作面，并按照切割區(qū)間進(jìn)行采煤機(jī)姿勢(shì)調(diào)整。根據(jù)煤炭開采地質(zhì)區(qū)域虛擬工作面數(shù)據(jù)，采用切割法劃分實(shí)際區(qū)域，設(shè)置采煤機(jī)滾筒調(diào)整高度位置數(shù)據(jù)信息。因?yàn)椴擅汗ぷ髅嬉话阍?50～240 m左右，若切割工作面劃分點(diǎn)為20～30個(gè)，則大約每8 m調(diào)整一次采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡。例如MG2×100/460-WD采煤機(jī)，移動(dòng)速度控制范圍在0～6.9 m/min，設(shè)置采煤工作面高度為180 m，切割點(diǎn)為30個(gè)，則每6 m調(diào)整一次，若設(shè)置采煤機(jī)速度值為6 m/min，則采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)需要每1 min調(diào)整一次。對(duì)于煤炭切割面挖掘點(diǎn)，比較虛擬工作面指令和實(shí)際采集位置信號(hào)，假設(shè)位置信號(hào)過低，電液控制系統(tǒng)獲得一個(gè)補(bǔ)償性偏差信號(hào)，經(jīng)過伺服控制器補(bǔ)償，進(jìn)行活塞桿位移增量控制，直到位置達(dá)到控制誤差范圍以內(nèi)，固定好挖掘機(jī)位置，也就是完成一次標(biāo)準(zhǔn)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)位置控制。采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡框圖，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制框圖

1.2 運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償控制

實(shí)際煤礦開采過程中，虛擬工作面是通過企業(yè)地質(zhì)勘查和實(shí)際生產(chǎn)所獲取大量三維空間數(shù)據(jù)所建立。但是鑒于復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)褶皺、隆起等復(fù)雜地質(zhì)煤層，同時(shí)，在實(shí)際煤炭開采過程中，由于振動(dòng)作用條件下，將會(huì)引起煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)下沉，甚至是塌陷，這都將對(duì)于采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生重要影響。單一選用切割法進(jìn)行煤炭開采，不能很好地處理復(fù)雜煤層，使得運(yùn)動(dòng)軌跡控制算法魯棒性降低。對(duì)此可以通過相關(guān)傳感器對(duì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。由于煤炭硬度指標(biāo)在1.5～3，而巖石硬度為8以上，當(dāng)采煤機(jī)挖掘過程中遇到巖石等現(xiàn)象時(shí)，油壓會(huì)表現(xiàn)出突發(fā)式增加，為采煤機(jī)修改路徑提供重要改變信號(hào)。具體步驟為：①記錄采煤機(jī)在全煤層的驅(qū)動(dòng)液壓指標(biāo)值，作為判定基準(zhǔn)p；②在實(shí)際采煤自動(dòng)控制過程中，測(cè)得驅(qū)動(dòng)液壓值為p1；③設(shè)置相應(yīng)判斷誤差極限標(biāo)準(zhǔn)值e，假設(shè)e1=|p1-p|，實(shí)際壓力差值，進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)值比較，如果大于標(biāo)準(zhǔn)值e，則采煤機(jī)切割的是巖石，此時(shí)需要調(diào)整采煤機(jī)滾筒高度，當(dāng)壓力回到標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)指令結(jié)束，主要目的是減少對(duì)于采煤機(jī)頻繁性操作，實(shí)現(xiàn)采煤效率值保持在穩(wěn)定水平，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡修正補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡修正控制框圖

2 滾筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 滾筒式采煤機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

選擇MG2×100/460-WD采煤機(jī)為研究對(duì)象，采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)控制過程，由電液伺服驅(qū)動(dòng)閥為方向控制，實(shí)現(xiàn)液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，選取電液伺服滾筒式采煤機(jī)壓力傳感方式，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以獲得電液伺服流量和力學(xué)平衡方程如下：

(1)

(2)

式中：m是液壓活塞承受的最大壓力值，A1、A2是活塞腔和活塞桿對(duì)于活塞的作用面積值，假設(shè)無外力F作用條件下，不同采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)切割截面積等效剛度最小，則聯(lián)立公式(1)、(2)，并進(jìn)行拉氏變換，獲得采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)估計(jì)數(shù)學(xué)模型，如公式(3)所示：

(3)

(4)

2.2 滾筒式采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡MATLAB仿真

對(duì)于計(jì)算出MG2×100/460-WD采煤機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，搭建對(duì)應(yīng)控制MATLAB/Simulink數(shù)學(xué)模型，鑒于所選采煤機(jī)調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間間隔，具有一致性特征，可以不考慮采煤機(jī)不同工況下延時(shí)系數(shù)，通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析顯示，采煤機(jī)正常的運(yùn)行過程中，壓力值為7～18 MPa，仿真設(shè)置壓力調(diào)整誤差限值為18 MPa。

2.2.1采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡正常壓力

選取t=3 s時(shí)，采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)壓力值為p=10 MPa，煤層頂部控制開采落差為0.1 m，即采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)估計(jì)需要在最快調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，達(dá)到0～0.1變化值，實(shí)驗(yàn)仿真如圖3所示，由圖可知，液壓缸工作于正常的壓力值范圍內(nèi)，控制軌跡依據(jù)政策調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在t=3 s時(shí)刻，采煤機(jī)開始動(dòng)作，t=4.7 s后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定值。

圖3 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡修正仿真

2.2.2采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡非正常壓力

選取t=3 s時(shí)，采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)壓力值為p=19 MPa，采煤機(jī)壓力超過設(shè)定極限范圍值，這就需要調(diào)整采煤機(jī)滾筒運(yùn)動(dòng)高度，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)壓力小于設(shè)定值。煤層頂部控制開采落差為0.1 m，即采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)估計(jì)需要在最快調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，達(dá)到0～0.1變化值，實(shí)驗(yàn)仿真如圖4所示，由圖可知，液壓缸工作于正常的壓力值范圍內(nèi)，控制軌跡依據(jù)政策調(diào)節(jié)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在t=3 s時(shí)刻，采煤機(jī)壓力值超限，調(diào)用調(diào)節(jié)控制子程序，當(dāng)t=3.3 s時(shí)刻，壓力回復(fù)正常壓力值范圍，采煤機(jī)開始動(dòng)作，t=5 s后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定值。

圖4 采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡修正控制仿真

3 結(jié) 論

在分析國內(nèi)外采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡控制策略基礎(chǔ)上，依據(jù)采煤機(jī)所處于煤層虛擬空間三維數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層中所切割雜質(zhì)剛度不一致性，將會(huì)產(chǎn)生壓力升高變化這一特征，設(shè)計(jì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡在正常煤層開采和非正常煤層控制策略。最后，建立采煤機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以常用MG2×100/460-WD采煤機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)際數(shù)學(xué)模型建立，選用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常和非正常煤層開采過程中，通過虛擬工作面技術(shù)和壓力變化檢測(cè)，能夠有效保證采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確性，更好的服務(wù)和提升煤炭開采效率。

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