采煤機無人自適應變速截割控制方法

劉永剛，閆忠良，秦大同，胡明輝，葛帥帥，侯立良

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采煤機無人自適應變速截割控制方法

劉永剛，閆忠良，秦大同，胡明輝，葛帥帥，侯立良

(重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400044)

為了實現(xiàn)采煤機的無人自動化采煤，并使采煤機在截煤時的塊煤率及截割比能耗等截割性能參數(shù)綜合較優(yōu),通過分析現(xiàn)有采煤機的工作原理及特性并建立采煤機變速截割仿真模型，得到煤層截割阻抗與截割電機定子電流的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出一種適用于滾筒采煤機的自適應變速截割控制方法，通過劃分煤層截割阻抗范圍，對采煤機的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速進行分級優(yōu)化調(diào)節(jié)，根據(jù)采煤機截割電機定子電流及時間信號，結(jié)合所制定的控制策略實現(xiàn)采煤機對煤層截割阻抗的自動識別及自適應調(diào)速控制，最后進行仿真分析及試驗進行驗證。研究結(jié)果表明：該控制方法可取得較好效果并具有可行性，為實現(xiàn)采煤機自適應變速截割及無人化自動采礦提供參考。

截割阻抗識別；截割參數(shù)；優(yōu)化；變速截割；自適應控制

我國煤炭有90%是井工開采，但目前我國煤礦井下采掘裝備的智能化程度不高，導致我國煤礦開采災害多、用人多、傷亡多、效率低[1]。滾筒采煤機是現(xiàn)代機械化采煤的主要設備，廣泛應用于不同地質(zhì)條件下的煤炭開采。滾筒采煤機生產(chǎn)的主要缺點是塊煤率低和工作面粉塵量較大，低塊煤率不僅增加采煤比能耗，而且降低了原煤的應用范圍和使用價值，同時也是產(chǎn)生粉塵的一個重要原因，而粉塵又嚴重威脅著工人的身體健康和生命安全，因此，實現(xiàn)采煤機高效截煤作業(yè)及其少人、無人的自動化采礦成為研究熱點[2]。國內(nèi)外學者對采煤機高效截割以及自動化采礦進行了研究，如：劉丹丹等[3]提出基于磁流變閥觸覺技術(shù)的采煤機恒功率控制方法；趙奕輝等[4]設計了基于模糊控制的電牽引采煤機恒功率自動控制系統(tǒng)；谷勇[5]提出了基于模糊控制的采煤機截割自動調(diào)速控制系統(tǒng)，取得了良好效果；黃華[6]采用模糊控制理論對采煤機截割路徑進行跟蹤，調(diào)節(jié)采煤機牽引速度和滾筒高度；ZHOU等[7]提出一種基于模糊最優(yōu)化的記憶截割控制方法，仿真結(jié)果表明該方法高效可行；王剛等[8]對薄煤層工作面自動化開采技術(shù)應用進行了研究；桓希傳等[9]探討了采煤機截割電機變頻調(diào)速的必要性，從原理上分析了用變頻調(diào)速控制采煤機截割電機的可行性；劉送永等[10]根據(jù)采煤機截割理論建立了滾筒截割比能耗與滾筒運動參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學模型；劉春生等[11]根據(jù)滾筒的截煤和裝煤要求研究了牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系；馬正蘭等[12]開展了在不同截割阻抗煤質(zhì)條件下的截割速度和牽引速度的優(yōu)化研究，為變速截割技術(shù)的實施提供了理論依據(jù)；趙麗娟等[13]基于經(jīng)濟截割對采煤機運動學參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化研究；ORDIN等[14]以最大利潤為目標對綜采工作面長度和工作效率進行了優(yōu)化； VENKATARAMAN[15]利用旋轉(zhuǎn)截割試驗臺研究了截割比能耗、可呼吸粉塵量與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，指出滾筒截割比能耗和可呼吸粉塵量與截齒的幾何形狀和尺寸、滾筒的截齒布置以及滾筒的牽引和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)；EINICKE等[16]對長壁開采的自動化進行了分析研究；澳大利亞煤炭協(xié)會發(fā)起的“Landmark”項目，其目的也在于研究自動化長壁開采技術(shù)[17]。此外，在采煤先進技術(shù)及裝備等方面，國外學者和企業(yè)也進行了大量研究[18]，但目前對采煤機無人自適應變速截割的綜合研究還較少。為實現(xiàn)采煤機無人化高效截割，本文作者提出一種適用于滾筒采煤機的無人自適應變速截割控制方法。分析現(xiàn)有采煤機工作原理及特性，建立采煤機截割負載與截割電機定子電流的關(guān)系；對煤層按截割阻抗范圍進行劃分并得到優(yōu)化后的采煤機運動參數(shù)，在此基礎(chǔ)上采用模糊控制技術(shù)結(jié)合所制定的控制策略實現(xiàn)采煤機自適應變速截割，并對具體調(diào)速方法和控制策略進行仿真分析和試驗驗證。

1 采煤機載荷分析

采煤機主要由牽引部、截割部及調(diào)高機構(gòu)等組成。本文主要對采煤機牽引部、截割部及其自適應變速截割調(diào)速控制進行研究，牽引電機和截割電機均為采用矢量控制變頻調(diào)速的異步電機。

1.1 采煤機滾筒載荷

采煤機截割電機輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)搖臂內(nèi)惰輪傳遞后用以驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動并截割煤層，滾筒上截齒與煤層之間產(chǎn)生相互作用力，因此，滾筒采煤機截割滾筒在工作過程中所受的載荷即為各截齒的合力。由圖1可得到滾筒所受三向力為

式中：n為截煤區(qū)參與截割的截齒數(shù)(個)；ψ為第個截齒的位置角((°))；X為第個截齒的側(cè)向力(N)；Z為第個截齒的截割阻力(N)；Y為第個截齒的進給阻力(N)。滾筒主要受到的力為進給阻力F(N)、側(cè)向力F(N)及截割阻力F(N)。

(a) 滾筒橫向受力；(b) 滾筒縱向受力；(c) 整機受力

圖1 滾筒及整機受力分析

Fig. 1 Force analysis of shearer and drum

1.2 采煤機整機載荷

牽引電機驅(qū)動整機運動，除克服摩擦力及重力的分力外，還要克服滾筒截煤時產(chǎn)生的進給阻力等。不考慮滾筒調(diào)高及進刀等，對整機受力模型進行簡化，采煤機整機僅有牽引方向受力q，可表示為

式中：K為進給阻力系數(shù)；為整機重力(N)；q為摩擦阻力系數(shù)；為采煤機工作面傾角((°))。

1.3 運動學分析

采煤機的截割運動參數(shù)直接影響截割負載及截割性能等。固定在滾筒上的截齒除了隨滾筒繞其軸線旋轉(zhuǎn)外，還必須隨采煤機一起沿工作面作直線運動，其運動學方程為

式中：為滾筒截齒軸坐標；為滾筒截齒軸坐標；為采煤機滾筒半徑(m)；為滾筒工作時間(s)；q為采煤機牽引速度(m/min)；為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)。

1.4 采煤機仿真模型的建立

根據(jù)采煤機滾筒和整機的載荷分析及其運動學方程，利用Matlab/Simulink工具建立滾筒采煤機變速截割系統(tǒng)的仿真模型，為進行理論研究和仿真分析奠定基礎(chǔ)，所建模型的主要參數(shù)見表1。

表1 采煤機仿真模型主要參數(shù)

2 煤層截割阻抗識別及截割參數(shù) 優(yōu)化

2.1 截割電機定子電流與煤層截割阻抗的關(guān)系

不考慮采煤機滾筒調(diào)高等，在采煤機正常截煤時，牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速是影響采煤機截割性能的主要運動參數(shù)。

采煤機的截割負載是煤的物理機械性質(zhì)在采煤機截割過程中的綜合體現(xiàn)，并隨其變化而變化。截割阻抗綜合地反映了被開采煤層可截割性，可用截割阻抗表征煤巖的物理機械性質(zhì)。

1) 滾筒上工作的截齒所受瞬時截割力為

式中：0ij為第條截線上第個工作的銳利截齒所承受的截割力(N)；和為自由指標，為截齒對應的截線號和截線上的截齒號；cp?0為截齒磨鈍時牽引力增量；為截割阻抗系數(shù)，可由經(jīng)驗公式得到=150。

2) 瞬時切削厚度為

式中：h為瞬時切削厚度(mm)；m為第截線上的截齒數(shù)(個)；為第條截線上第個截齒的圓心角((°))；q為采煤機牽引速度(m/min)；為滾筒工作時間(s)；為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)。

3) 滾筒的負載轉(zhuǎn)矩即滾筒上受到的瞬時阻力矩為

式中：Z為瞬時阻力矩(N?m)；為滾筒的直徑(m)；Z為載齒所受瞬時截割力(N)。

由式(3)~(5)可知：當采煤機結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，其截割負載與牽引速度q、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒工作時間以及截割阻抗有關(guān)；而滾筒的工作時間僅與某一時刻截入煤層的截齒位置和數(shù)量有關(guān)，影響滾筒截割載荷的周期性波動，對平均載荷的影響可以忽略。

綜上所述，當采煤機牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速一定時，其截割負載僅與煤層的截割阻抗有關(guān)。采煤機的截割負載可用截割電機定子電流及其持續(xù)時間表征。因此，可通過采煤機截割電機定子電流及其持續(xù)時間反映所截煤層的截割阻抗。

為了驗證采煤機截割電機定子電流與截割負載之間的關(guān)系，搭建采煤機變速截割傳動系統(tǒng)試驗臺架，獲得截割負載與采煤機截割電機定子電流間的關(guān)系，如圖2和圖3所示。

由圖2及圖3可知：截割負載發(fā)生變化時，截割電機定子電流與截割負載變化趨勢一致，時間上約有0.1 s延遲。由理論分析及試驗結(jié)果可知，截割電機定子電流均值能夠反映截割負載，進而為間接識別煤層的截割阻抗提供依據(jù)。

2.2 煤層按截割阻抗范圍劃分

不考慮夾矸等情況，煤層按其截割阻抗可分為三大類：≤180 N/mm的煤層稱為軟煤層；為180~240 N/mm的煤層稱為中硬煤層；為240~360 N/mm的煤層稱為硬煤層[19]。

1—滾筒負載轉(zhuǎn)矩；2—定子電流均值。

1—截割負載；2—定子電流均值。

由于煤層是非均勻的，呈各向異性，且煤層的物理性質(zhì)不穩(wěn)定，硬度變化很大，即截割阻抗為變量。采煤機在截割煤層過程中不可能針對每一確切的截割阻抗的煤調(diào)節(jié)牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速，因此，針對適合使用滾筒采煤機開采的截割阻抗范圍為180~360 N/mm的中硬煤層及硬煤層，采用分級區(qū)域劃分的方法將煤層截割阻抗劃分為5個等級范圍，見圖4；對應于所劃分的每個截割阻抗等級范圍，對滾筒采煤機截煤時的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，使采煤機自適應變速截割更具有可行性。

圖4 煤層按截割阻抗范圍劃分

2.3 截割參數(shù)分級優(yōu)化

采煤機在截割煤層過程中的截割性能與采煤機的截割參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。對于某一種類型的采煤機，只能改變其截割參數(shù)即牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速。因此，塊煤率、截割比能耗w等截割性能參數(shù)便主要與采煤機的牽引速度q、滾筒轉(zhuǎn)速和截割阻抗有關(guān)。

塊煤率以切削總面積表征：

截割比能耗w為

(8)

式中：為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)；q為采煤機牽引速度(m/min)；為滾筒直徑(mm)；為滾筒螺旋葉片的升角(rad)；為滾筒每條截線上的截齒數(shù)(個)；為煤體破碎時的崩落角(rad)；為綜合考慮煤的壓張情況、脆塑性、截割條件等參數(shù)的修正系數(shù)；為截齒的齒刃寬度(mm)；為截割阻抗(N/mm)。

以塊煤率和截割比能耗H綜合最優(yōu)為目標，以牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速為設計變量，有

以截割電機功率和截割力、牽引電機功率和牽引力等為約束條件，利用模擬退火的粒子群算法對采煤機截煤時的截割參數(shù)進行優(yōu)化，獲取該截割阻抗范圍內(nèi)較優(yōu)的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速。優(yōu)化目標函數(shù)為

(10)

式中：1和2分別為塊煤率、截割比能耗權(quán)重系數(shù)，具體數(shù)值可根據(jù)煤礦企業(yè)的具體生產(chǎn)要求和經(jīng)濟指標來確定。經(jīng)過優(yōu)化后，各截割阻抗范圍所對應的采煤機截煤時的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速及其截割性能參數(shù)見表2。

表2 運動參數(shù)及截割性能參數(shù)分級優(yōu)化

3 采煤機自適應變速截割

3.1 煤層截割阻抗識別數(shù)據(jù)庫建立

采煤機截割電機的定子電流均值和持續(xù)時間可以作為識別所截煤的截割阻抗的參數(shù)。而采煤機截割同一介質(zhì)的時間一般大于3 s，由介質(zhì)性質(zhì)波動引起的異常截割電流持續(xù)時間一般小于3 s[20]。由于煤的不均勻性和滾筒參數(shù)的影響，截割電機定子電流均值也會有波動，同時為了便于識別，這里采用截割電機定子電流均值對時間的積分作為識別煤的截割阻抗的參數(shù)，積分時間選取3 s。

在采煤機結(jié)構(gòu)參數(shù)和截割參數(shù)給定情況下，影響截割電機定子電流均值對時間的積分的參數(shù)便是截割阻抗。以截割阻抗范圍⑤(見圖4)時采煤機的截割參數(shù)為例，牽引速度q=2.84 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速=26.7 r/min。設采煤機以上述的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速開始截煤，煤質(zhì)均勻，即煤的截割阻抗為一定值，取360 N/mm，則可得到一確定的截割電機定子電流均值對時間的積分值，=1 015 A?s。同理，可得到各個截割阻抗區(qū)間節(jié)點(180，216，252，288，324和360N/mm)所對應的積分值，并以此建立該運動參數(shù)下的數(shù)據(jù)庫5，作為識別截割阻抗范圍的標準，見表3。

表3 截割電機定子電流積分值數(shù)據(jù)庫D5

同理，可以得到采煤機在另外4組牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下截煤時，各個截割阻抗范圍節(jié)點所對應的截割電機定子電流對時間的積分值數(shù)據(jù)庫。

3.2 截割阻抗范圍的模糊識別

以表3中參數(shù)為例，設計自適應模糊識別控制器。以截割電機定子電流均值對時間的積分為輸入，值域為[590 , 1020] A?s；以截割阻抗范圍為輸出，值域為[1 , 5]；建立該條件下的單輸入單輸出模糊識別控制器5。

由式(4)~(6)可知滾筒負載與截割阻抗之間呈線性關(guān)系，并由圖2和圖3得到截割電機定子電流與負載變化趨勢一致，呈近似線性關(guān)系，且輸出為用數(shù)值表示的截割阻抗范圍，故選擇trapmf型隸屬度函數(shù)曲線，該制器的隸屬度函數(shù)見圖5。

(a) 輸出變量I與隸屬度的關(guān)系；(b) 輸出變量Q與隸屬度的關(guān)系

所設計的單輸入單輸出模糊控制器5的模糊控制規(guī)則見表4。

模糊控制器的輸出變量截割阻抗，利用開關(guān)選擇器選擇并輸出相應截割阻抗范圍對應的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。在所定義的整個煤層的截割阻抗范圍(180~360 N/mm)，牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速的輸出見圖6。

表4 模糊控制器F5的控制規(guī)則

1—牽引速度；2—滾筒轉(zhuǎn)速。

3.3 采煤機自適應變速截割控制策略

在煤層截割阻抗范圍內(nèi)分級劃分和識別以及牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速分級優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制定相應的控制策略，實現(xiàn)滾筒采煤機按煤層截割阻抗的自適應變速截割。

對煤層截割阻抗范圍內(nèi)分級劃分的目的在于更好地實現(xiàn)采煤機的自適應變速截割控制。采煤機實際截煤過程中不可能針對某一確定截割阻抗確定牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。由于煤的不穩(wěn)定性，煤層截割阻抗變化較大，其截割阻抗范圍的變化如圖7所示。

對于給定的煤層，其截割阻抗范圍為180~360 N/mm。由于滾筒采煤機在開始截煤作業(yè)時不知所截煤層的截割阻抗范圍，為保護采煤機工作安全，選取初始截割參數(shù)為截割阻抗范圍⑤時的優(yōu)化參數(shù)。具體自適應變速控制策略如下：

1) 采煤機初始滾筒轉(zhuǎn)速=26.7r/min，牽引速度q=2.84 m/min，此時，選用模糊控制器5。

2) 采煤機開始檢測截割電機定子電流，采樣時間為3 s，并求得積分值，作為模糊控制器5的輸入。

圖7 煤層截割阻抗范圍變化示意圖

3) 采用所選擇的模糊控制器識別煤層截割阻抗所屬范圍，若判斷為范圍⑤，則不改變牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速以及模糊控制器。

4) 若模糊控制器5判斷煤層截割阻抗不為范圍⑤，假設為范圍③，則調(diào)節(jié)牽引速度q=3.61 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速=31.1r/min，同時關(guān)閉范圍⑤所對應的模糊控制器5，而選擇模糊控制器3，并繼續(xù)檢測在該牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下截割電機定子電流積分值。

5) 若煤層截割阻抗范圍不變，則式(3)不改變牽引速度q、滾筒轉(zhuǎn)速以及模糊控制器。

6) 若煤層截割阻抗范圍發(fā)生變化，則按步驟(4)調(diào)節(jié)采煤機的牽引速度q和滾筒轉(zhuǎn)速，同時調(diào)用相應的模糊控制器，并繼續(xù)檢測截割電機定子電流積分值。

采煤機按截割阻抗范圍自適應變速截割控制的控制策略示意圖見圖8。

采煤機根據(jù)煤層截割阻抗范圍變化實現(xiàn)自適應變速截割控制的關(guān)鍵在于：建立采煤機在不同牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速下截煤時各截割阻抗節(jié)點所對應的截割電機定子電流均值積分的數(shù)據(jù)庫和相應的模糊控制器，并根據(jù)所識別的煤層截割阻抗范圍選擇相應模糊識別控制器，輸出相應牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速。

3.4 采煤機電機調(diào)速控制方法

采煤機截煤時，若煤層截割阻抗發(fā)生變化，如由范圍①變化至范圍③，則相應的采煤機的牽引速度q由4.73 m/min降至3.61 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速由 38.2r/min降至31.1 r/min。牽引電機和截割電機均采用矢量控制變頻調(diào)速，在進行調(diào)速時會對電機本身及采煤機傳動系統(tǒng)產(chǎn)生影響，應采用合適的電機調(diào)速控制方法。

為提高電機調(diào)速性能，調(diào)速系統(tǒng)的速度控制器采用參數(shù)自整定模糊PI控制器。系統(tǒng)以電機目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值及其變化率為輸入，經(jīng)模糊推理后，調(diào)整PI控制器參數(shù)。交流變頻電機具有非線性、強耦合等特點，能夠提高電機調(diào)速的控制效果，其結(jié)構(gòu)見圖9。

圖8 采煤機自適應變速截割控制策略

圖9 參數(shù)自整定模糊PI控制器結(jié)構(gòu)圖

要實現(xiàn)電機的調(diào)速控制，需對調(diào)速系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速控制信號，而不同形式的轉(zhuǎn)速信號也會影響調(diào)速效果。給定電機不同形式的轉(zhuǎn)速信號和調(diào)速控制方法見 圖10。

對采煤機截煤時的牽引調(diào)速過程進行仿真，給定煤層的截割阻抗為252N/mm，滾筒轉(zhuǎn)速為38 r/min，牽引速度q由4.73 m/min降至3.61 m/min，此時，牽引速度及電機的轉(zhuǎn)矩響應見圖11。同理可得截割電機滾筒轉(zhuǎn)速由38.2r/min降至31.1 r/min時不同調(diào)速方法的滾筒轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)矩響應，見圖12。

由圖11及圖12可知：牽引電機和截割電機采用參數(shù)自整定的PI控制時，電機的響應速度和超調(diào)比僅有PI控制的電機響應均為優(yōu)；而對于同為參數(shù)自整定的PI控制的電機調(diào)速，給定斜坡形式的調(diào)速信號其電機轉(zhuǎn)矩響應波動最小。由于牽引部、截割部電機功率、系統(tǒng)慣量等不同，兩者的響應曲線變化幅度有所不同。綜上可知：選擇斜坡形式的轉(zhuǎn)速信號給定方式并結(jié)合參數(shù)自整定PI控制的電機調(diào)速控制方法，其調(diào)速效果較優(yōu)。

1—階躍信號/PI控制；2—階躍信號/自整定PI控制；3—階梯信號/自整定PI控制；4—斜坡信號/自整定PI控制。

(a) 牽引速度響應；(b) 牽引電機轉(zhuǎn)矩響應

(a) 滾筒轉(zhuǎn)速響應；(b) 截割電機轉(zhuǎn)矩響應

4 采煤機自適應變速截割試驗研究

利用已搭建的采煤機變速截割傳動系統(tǒng)試驗臺架對采煤機自適應變速截割控制方法進行驗證。由于受目前條件限制，試驗臺架僅有截割電機，其功率為 15 kW，采用變頻控制，牽引電機的調(diào)速則通過程序?qū)崿F(xiàn)。在試驗過程中所采用的采煤機自適應變速截割控制策略示意圖如圖13所示，變速截割控制試驗結(jié)果如圖14所示。

由圖13和圖14可知：17 s時煤層截割阻抗發(fā)生變化(這里以階躍載荷的形式給定)，3 s后控制器判定煤層截割阻抗由范圍①變化至范圍③，并輸出相應的牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速；先對牽引速度q進行調(diào)節(jié)，由4.73 m/min降至3.61 m/min，此時截割負載下降；然后，調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速由38.2r/min降至31.1 r/min，截割負載有所上升，截割電機定子電流變化趨勢與截割負載一致。

結(jié)果表明：截割電機定子電流可以反映煤層截割阻抗變化；驗證了采煤機截割電機調(diào)速控制方法的有效性；本文所提出的采煤機無人自適應變速截割控制方法可自動適應不同硬度煤層的截割要求，為最終實現(xiàn)采煤機無人開采提供參考。

圖13 采煤機自適應變速截割控制策略

1—滾筒轉(zhuǎn)速；2—滾筒載荷；3—一軸轉(zhuǎn)速；4—一軸轉(zhuǎn)矩；5—牽引速度；6—定子電流。

5 結(jié)論

1) 針對煤層截割阻抗變化的問題，對煤層截割阻抗進行區(qū)域劃分，并進行了牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速的分級優(yōu)化。

2) 采用截割電機定子電流均值對時間積分的方法識別煤層截割阻抗范圍，并利用仿真模型獲得了截割電機定子電流積分值數(shù)據(jù)庫，建立了煤層阻抗識別的模糊控制器。

3) 基于煤層截割阻抗劃分，提出按截割阻抗范圍進行自適應變速截割的控制策略和采煤機電機調(diào)速控制方法。

4) 搭建了采煤機變速截割傳動系統(tǒng)試驗臺架，并對所提出的控制方法和策略進行了驗證，為實現(xiàn)采煤機自適應變速截割控制以及無人化采煤提供了研究思路和參考。

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(編輯 陳燦華)

Adaptive control method of unmanned shearer with variable speed cutting

LIU Yonggang, YAN Zhongliang, QIN Datong, HU Minghui, GE Shuaishuai, HOU Liliang

(State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

In order to achieve shearer’s unmanned cutting and obtain the integrated optimal cutting performance parameters such as lump coal rate and energy consumption rate, the relationship between coal seam cutting impedance and cutting motor stator current was acquired by analyzing current shearer’s working theory and building the simulation model. Furthermore, an adaptive control method of shearer with variable speed cutting was presented. The coal seam cutting impedance was divided into different ranges, and each range corresponds to the optimized hauling speed and drum rotation speed. The ranges were identified by using fuzzy control technology based on the cutting motor stator current and the duration time, coal seam cutting impedance identification and adaptive speeds control were implemented with specific strategy. At last, the simulation and experiment were conducted. The results show that this method is favorable and feasible, which provides theoretical reference to the implement of shearer high efficiency cutting and unmanned mining.

cutting impedance identification; cutting parameters; optimization; variable speed cutting; adaptive control

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.014

TD421

A

1672?7207(2017)06?1513?09

2016?07?10；

2016?09?22

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2014CB046304)(Project(2014CB046304) supported by the National Basic Research Program(973 Program) of China)

劉永剛，博士，副教授，從事動力傳動系統(tǒng)及其綜合控制研究；E-mail：andyliuyg@cqu.edu.cn