原鋼

(中煤科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

連續(xù)采煤機是主要用于煤礦井下短壁機械化開采和煤巷快速掘進的裝備,具有截割、裝載、轉載、行走和除塵等多種功能[1]，是目前實現煤礦高效運行不可或缺的設備。但是煤礦井下的工況復雜，地質結構多變，導致連續(xù)采煤機截割電動機負載隨機變化，截割電動機常常因為過載而損壞停機[2]，這嚴重影響了煤礦的生產效率和設備的使用壽命，如何提高連續(xù)采煤機的自適應性，使截割工作高產高效并安全運行，已成為煤礦采掘領域重點關注和研究的課題。

目前針對連續(xù)采煤機截割的不穩(wěn)定問題，許多學者進行了大量研究。張振東[3]對連續(xù)采煤機截割適應性評價做出了系統(tǒng)研究分析，張艷軍等[4]對連續(xù)采煤機截割振動特性進行了研究，二者都提出和證明了解決連續(xù)采煤機截割不穩(wěn)定的最有效方法，即借鑒采煤機的“恒功率”控制思路[5]，根據截割電動機負載狀態(tài)來調節(jié)采煤機的牽引速度，使采煤機截割電動機工作在額定功率范圍內，但二者未提出具體的連續(xù)采煤機的恒功率截割方法。針對連續(xù)采煤機恒功率截割的具體實現方法，劉映剛等[6]采用簡單的線性曲線方法來實現，該方法也是目前普遍采用的方法，以截割電動機電流為橫坐標，行走電動機速度為縱坐標建立了其一階線性關系表達式，但采用該方法后只能對較小范圍的截割電流實現優(yōu)化，無法實現自適應調節(jié)，未能有效解決過載問題，恒功率截割實現效果較差。侯林[7]提出了一種基于PID的連續(xù)采煤機截割牽引反饋控制方法，但該方法目前只停留在仿真驗證階段，且PID控制方法中參數的確定及修正較為復雜，不具備可操作性，優(yōu)化和開發(fā)周期較長?；诖?，本文以EML340型連續(xù)采煤機為研究對象，提出了一種基于模糊控制的連續(xù)采煤機恒功率截割方法。通過建立截割電動機電流和行走電動機速度的模糊控制器實現行走電動機速度的自適應調節(jié)，使截割電動機恒功率運行。模糊控制器基于數據和經驗規(guī)則建立，不僅可提升恒功率截割效率，而且具備一定的可調節(jié)性，為實現連續(xù)采煤機的智能化和無人化奠定了基礎[8]。

1 恒功率截割原理

連續(xù)采煤機由行走電動機驅動行走，截割電動機驅動截割滾筒進行截割[9]，即邊行走邊截割煤巷并實現轉運，截割電動機的額定電流為108 A,行走電動機的額定轉速為1 080 r/min。本文采用模糊控制來實現連續(xù)采煤機的恒功率截割。恒功率截割就是在截割電動機運行過程中實時檢測截割電動機電流，根據檢測到的電流值大小，通過變頻器來調節(jié)行走電動機的速度，從而改變截割電動機的功率，使截割電動機的輸出功率保持在額定范圍[10]。截割電動機功率P的計算公式為[11]

(1)

式中：η為電動機效率，對于單個電動機而言為固定值；U為電源電壓，保持不變；I為電動機電流；cosφ為功率因數，一般也是固定值。

由式(1)可以看出，電動機的功率與電流呈近似線性關系，因此，恒功率截割中使截割電動機的輸出功率在額定范圍可等效為使截割電動機的輸出電流保持在額定范圍，恒功率截割就是保證連續(xù)采煤機截割過程中截割電動機電流的恒定。

2 恒功率截割方法實現

本文采用模糊控制方法實現連續(xù)采煤機恒功率截割，通過建立合理的模糊推理模型來實現行走電動機速度的自適應調節(jié)，保證截割電動機電流在恒定范圍內，也就是使截割電動機功率保持在恒定范圍內。模糊控制的關鍵是設計符合實際的模糊控制器，模糊控制器設計主要包括確定輸入和輸出變量、確定隸屬函數、建立模糊規(guī)則及清晰化等過程。模糊控制器設計流程如圖1所示。

圖1 模糊控制器設計流程Fig.1 Design flow of fuzzy controller

按照上述設計流程設計連續(xù)采煤機恒功率截割模糊控制器。模糊控制器主要包括Mamdani型和T-S型，本文中設計的連續(xù)采煤機恒功率截割模糊控制器屬于Mamdani型[12]。

2.1 輸入和輸出變量確定

輸出量：為行走電動機理想速度與當前速度的比例值，即當前速度乘以該比例值得出理想速度,設其模糊控制量為F,其模糊論域為[0.4,1.2](因為恒功率截割主要是防止截割電動機過載，即實際情況主要是行走電動機減速，所以，論域的加速范圍即比例值大于1的范圍僅為1～1.2),比例因子為1。

綜上，將連續(xù)采煤機的恒功率截割模糊控制器確定為一個雙輸入、單輸出的結構。

2.2 輸入、輸出隸屬函數確定

輸入變量：電流差值e的模糊子集確定為N(負)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)共5個[13]，對應論域為[-1,0,1,2,3,4,5,6]。電流差值變化率ec的模糊子集確定為N(負)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)共5個，對應論域為[-1,0,1,2,3,4,5,6]。

輸出變量：速度比例值Δv的模糊子集定為N(負)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)共5個，對應論域為[1.2,1.1,1,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4]，將輸入和輸出變量的隸屬函數都確定為高斯函數。

將設計論域值輸入隸屬函數得出隸屬度,見表1—表3。

表1 電流偏差e的隸屬度Table 1 Membership of current deviation e

表2 電流偏差變化率ec的隸屬度Table 2 Membership of current deviation change rate

表3 速度比例值Δv的隸屬度Table 3 Membership of speed proportional value Δv

2.3 模糊控制規(guī)則建立

模糊控制規(guī)則的建立直接關系到輸出量的準確性，反映了模糊控制器的有效性。在建立模糊控制規(guī)則時，要遵循如下原則：當誤差大或較大時，模糊控制量的選擇以消除誤差為主；當誤差較小、誤差變化率較大時，模糊控制量的選擇以保證控制器的穩(wěn)定為主，防止輸出量超調[14]。

模糊控制規(guī)則一般是從實際經驗中提取出來的。本文的二維輸出系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表述如下：IFAandBThenC，設計的模糊控制器的模糊控制規(guī)則見表4。

表4 模糊控制規(guī)則Table 4 Fuzzy control rules

(1) 當偏差E為負(N)、偏差變化率EC為負(N)時，截割電動機電流有不斷減小的趨勢，為了盡快扭轉這種趨勢，輸出量F的變化必須取負(N),即加快行走電動機速度，防止截割電動機欠載運行。

(2) 當偏差E為正大(PB)、偏差變化率EC為正大(PB)時，截割電動機電流有不斷增大的趨勢，為了盡快扭轉這種趨勢，輸出量F的變化必須取正大(PB),即快速降低行走電動機速度，防止截割電動機過載運行。

(3) 當偏差E為負(N)、偏差變化率EC為正大(PB)時，截割電動機電流有快速增大的趨勢，為了盡快扭轉這種趨勢，輸出量F的變化取正中(PM),即降低行走電動機速度，防止截割電動機過載運行。

依此類推，按照表4中規(guī)則逐一確定各種情況下輸出量的取值，共生成20條模糊控制規(guī)則。

2.4 模糊推理及合成

對于雙輸入、單輸出的模糊控制系統(tǒng)，每一條規(guī)則對應的模糊關系為

Ri=EiECiFi

(2)

式中：Ri為每條規(guī)則對應的模糊關系，i=1,2，…，20；Ei，ECi，Fi分別為每條規(guī)則對應的偏差、偏差變化率和輸出量的模糊表示。

上述每一條規(guī)則所對應的模糊關系合并后可得到總的模糊關系為

(3)

(4)

2.5 模糊決策

圖2 模糊控制器輸出曲面Fig.2 Output surface of fuzzy controller

由面積中心法進行決策后，可以得到每個輸入量對應的模糊輸出量F′,實際決策中由輸入量得到輸出量需要經過大量復雜計算，難以實現[16]。因此，選取輸入變量論域上的各個點，利用Matlab生成的模糊控制規(guī)則求出輸出變量論域上的點，進而得到模糊控制查詢表，見表5。實際操作中，若輸入量量化后的點不在表中，可對其進行四舍五入，取相近的點進行取值，也可以根據實際情況縮小論域各點之間的間隔，擴大點的范圍。

表5 模糊控制查詢表Table 5 Fuzzy control query table

查詢表5得出的值是模糊論域F′的值，輸出量的比例因子為1,實際的速度比例調節(jié)值由模糊值乘以比例因子得出，因此，上述模糊值即是最終的實際速度調節(jié)比例值。

3 驗證分析

模糊控制器的設計是為了在連續(xù)采煤機的實際應用中，當截割電動機電流不正常時，行走電動機能自適應調節(jié)速度，使截割電動機電流處于額定范圍，從而實現恒功率截割。實際按照圖3所示流程將模糊控制應用到連續(xù)采煤機的恒功率截割中。將表5存入控制器程序中，實際驗證時，截割電流通過傳感器實時測量得出，截割電流變化率在程序中計算得出，然后將這2個輸入量模糊化，再通過查表可得到輸出量，即速度的比例調節(jié)值，將該值乘以現有的行走電動機速度得到修正后的速度，便實現了行走電動機速度跟隨截割電流變化的自適應調節(jié)。當煤層導致截割電動機電流變化時，行走電動機速度可自動實現調整而無需人工干預,以保證截割電動機的恒功率運行。模糊控制表可根據具體的工況進行調整，即重新設置輸入、輸出變量的論域和隸屬函數，可以產生更加符合實際工況的模糊關系，所以，使用模糊控制實現恒功率截割的方法具有可調節(jié)性。

圖3 模糊控制驗證流程Fig.3 Verification process of fuzzy control

目前EML340型連續(xù)采煤機應用廣泛，為了驗證基于模糊控制的連續(xù)采煤機恒功率截割方法的實際效果，在陜西陜煤集團的小保當煤礦選取編號為XBD-2的EML340型連續(xù)采煤機進行實驗。首先按照文獻[6]中提出的簡單線性曲線法采掘100 m進尺，然后按照圖3的實現流程將模糊控制器所得結果應用到行走電動機速度調節(jié)中進行優(yōu)化，采樣時間為100 ms。將編寫的控制表程序下載到控制器中[17]，同樣采掘100 m進尺，分別對2種情況下的行走速度、截割電流和過載停機次數進行統(tǒng)計，其中行走電動機速度和截割電動機電流每4 m采集一次，即采集25次數據。過載停機設定值為截割電流Ij>150 A時停機保護，然后人為降速繼續(xù)進行實驗。2種方法的行走電動機速度和截割電動機電流對比如圖4、圖5所示。

圖4 2種方法的行走電動機速度對比Fig.4 Speed comparison of walking motor of two methods

圖5 2種方法的截割電動機電流對比Fig.5 Comparison of cutting motor current of two methods

由圖4可知，采用線性曲線法時，行走電動機速度幾乎保持在1 100 r/min不變。由圖5可知，截割電動機的電流在100～165 A內大幅不穩(wěn)定變化，最大電流超出了額定電流的52%，這就必然導致過載停機。而采用模糊控制方法調節(jié)行走電動機速度后，行走電動機速度隨著截割電流的變化而自適應改變，通過調速，截割電動機電流穩(wěn)定在了100～118 A范圍內，最大電流只超過額定電流的9%，較好地實現了截割電動機的恒功率運行，避免了過載停機現象。由圖5可知，采用線性曲線法時，截割電動機電流大于150 A的次數達到6次，此時會導致停機，停機次數高達6次；采用模糊控制方法后停機次數為0，且截割電動機電流最大值大大減小，提升了安全裕量。實驗說明采用模糊控制器輸出結果調節(jié)行走電動機速度后，截割電流實現了恒定，連續(xù)采煤機較好地實現了恒功率截割[18]，降低了過載停機故障率，大大提高了煤礦的生產效率。

4 結論

(1) 為了避免連續(xù)采煤機的過載問題，以EML340型連續(xù)采煤機為研究對象，提出了一種基于模糊控制的連續(xù)采煤機恒功率截割方法。根據實際情況，將截割電動機的實際電流和額定電流差值及差值變化率作為輸入變量，行走電動機的速度比例值作為輸出變量，將其設計為一個雙輸入、單輸出的模糊控制器，采用模糊控制方法調節(jié)行走電動機速度以達到截割電流的恒定，從而實現恒功率截割。

(2) 實驗結果表明，采用模糊控制后，截割電動機電流過載次數明顯減少，電流基本保持在恒定范圍，較好地實現了連續(xù)采煤機的恒功率截割。

(3) 后續(xù)可改進相關參數，以進一步提高模糊控制器性能，實現更優(yōu)的恒功率截割。