采煤机记忆截割技术研究
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摘 要：为实现自动化采煤，需要实现煤岩分界面的自动确定。本文介绍了采煤机记忆截割的工作原理，并根据采煤机截割系统的特点，选择了迭代学习控制来实现记忆截割。此外，还建立了截割系统的动力学方程，以采煤机摇臂摆角作为控制量，并通过MATLAB仿真进行验证。仿真结果表明，基于迭代学习控制的采煤机记忆截割能够实现对煤岩分界面的轨迹跟踪。
关键词：记忆截割;迭代学习;煤岩分界面
中图分类号：TD421.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）02-0072-02
Study on Memory Cutting Technology of Shearer
Abstract： In order to realize the automation of coal mining， it is necessary to realize the automatic determination of coal-rock interface. In this paper， the working principle of memory cutting of shearer was introduced. According to the characteristics of shearer cutting system， iterative learning control was selected to realize memory cutting. In addition， the dynamic equation of the cutting system was established， and the swing angle of the shearer rocker arm was taken as the control variable， which was verified by the simulation of MATLAB. The simulation results showed that the memory cutting of shearer based on iterative learning control could track the trajectory of coal-rock interface.
Keywords： memory cutting;iterative learning;coal-rock interface
1 研究背景
煤炭是我国最主要的一次能源，占我国一次能源消费总量的70%以上，因此，煤炭开采仍然是一个重要工程。在煤炭开采过程中，采煤机的功能是在综采工作面进行采煤、落煤、裝煤，由采煤机上的截割滚筒进行煤炭截割，然后煤炭掉落到刮板输送机进行传输，从而完成煤炭的开采。采煤司机需要实时操纵采煤机进行煤炭的开采，采煤司机所处环境恶劣，且其人身安全不能得到保证。因此，如何使采煤机实现自动采煤是当前研究的重点。
采煤机截割滚筒高度的自动调整是实现自动采煤的一个关键技术。进行采煤机截割滚筒高度调整的目的是在综采工作面尽可能多地截割煤炭，提高开采效率及原煤质量，同时尽量避免岩石夹矸等损伤截割滚筒。因此，采煤机截割滚筒高度的调整就是如何精确地确定煤岩分界面，使得截割滚筒沿着煤岩分界面进行煤炭开采。
2 确定煤岩分界面的方法
在煤炭开采工作中，一般是采煤司机观察煤岩分界面，手工控制截割滚筒的高度。这种操作方式存在两方面的问题：一是采煤司机所处环境差，依靠截割噪声来判断截割状态，精确率偏低;二是在采煤过程中存在顶煤冒落、瓦斯爆炸等不可预知的危险。因此，需要提出一种煤岩分界面自动确定方法替代传统作业。煤岩分界面的确定方法可分为两类：基于传感器的直接法和记忆截割技术的间接法。
直接法主要包括自然γ射线法、截割力响应法、同位素传感技术和红外线探测法等。然而，直接法在实际应用中存在较多技术问题，如需要高精度、高实时性、高适应性的传感器，必须先进行煤岩分界面的识别，才能调整截割滚筒的高度等[1]。
记忆截割技术简单方便，实用性较强。记忆截割技术通过跟踪已知煤岩分界面来实现截割煤炭的目的，关键性问题在于如何实现对煤岩分界面的跟踪。在实际应用中，只需要获取煤岩分界面对应的截割轨迹，就能通过对截割轨迹的跟踪来实现截割滚筒高度的自动调整。因此，采煤机记忆截割技术在实际应用中占据着重要地位。
3 采煤机记忆截割工作原理
采煤机的工作原理如下。首先建立三维坐标系，以采煤机截割时的起始位置作为坐标原点，以采煤机截割时的行走方向为[X]轴，以采煤机的推进方向为[Y]轴，以采煤机截割滚筒高度的方向为[Z]轴。在首次截割时选择采样点，记录采样点的相关信息，具体包含采煤机的实际位置、采煤机纵向倾斜角、横向倾斜角、摇臂摆角和液压缸伸缩长度等信息，通过这些信息综合计算采煤机截割滚筒的高度以确定目标轨迹。在进行第2次至第[k]次截割时，控制摇臂摆角，使截割滚筒沿目标轨迹进行截割。当煤岩分界面发生较大变化或需要对目标轨迹进行修正时，需要重新获取目标轨迹。煤机截割系统是一个复杂的控制系统，机械部件繁多，结构复杂，很难建立精确的数学模型。其次，记忆截割技术中截割滚筒的轨迹不能作为直接控制量，需要进一步转化为采煤机摇臂的摆角，通过控制摇臂摆角的大小来实现滚筒高度的变化，而这二者不是线性关系。最后，截割系统会受摩擦力、空气阻力等的干扰，且这些干扰具有不确定性和不可预知性。因此，采煤机记忆截割技术的实现需要合适的控制算法。
4 基于迭代学习控制的采煤机记忆截割
迭代学习控制是一种新的学习控制，在已知目标轨迹的前提下，根据对先验知识的反复利用来得到控制的输入量。其思路是：在已知理想输出的条件下，首先设置第一次迭代的输入量，然后根据输入得到输出量和误差量，判断误差是否满足设定量，若不满足设定量，确定下一次迭代的控制输入量，得到新的输出量和误差量，继续判断是否满足设定量，如此循环判断，直到误差量达到设定量的范围，或者达到设置的迭代次数[2]。 迭代学习控制算法就是通过多次迭代实现对设定目标轨迹的跟踪，适用于难以建立精确数学模型的控制系统，因此，可以应用于采煤机记忆截割系统中。为了实现基于迭代学习控制的采煤机记忆截割，首先要得到截割系统的动力学方程。
采煤机在沿回采面的截割过程中，通过液压油缸伸缩杆的伸缩来带动小支臂运动，小支臂与采煤机摇臂相连，故带动摇臂运动，而截割滚筒处于摇臂顶臂，因此，截割滚筒随摇臂的动作而上下移动，同时配合自身的旋转起到截割煤炭的作用。将采煤机截割系统进行简化，设系统质量分布均匀、处于理想的状态下，可以得到截割系统的动力学方程，如式（1）所示。
[Aθx+Dθx+Gcosθx=ux] （1）
式（1）中，[x]表示位置;[θ，][θ]，[θ]分别表示摇臂的摆角、角速度和加速度;[A]表示转动惯量;[D]表示哥式力和离心力;[G]表示重力项;[u]表示控制力矩。
在控制过程中，迭代学习控制的目标轨迹就是采煤机的首次截割轨迹，取截割系统的控制力矩作为输入量，以摇臂摆角作为控制量，将控制力矩作用于截割系統的动力学模型来求取得到目标轨迹，直到输出的跟踪轨迹与目标轨迹的设定值达到允许范围，或达到设定的迭代次数，控制结束。
5 仿真与结论
在MATLAB环境下编写M文件，并结合Simulink建立仿真模型，对采煤机记忆截割的迭代学习控制进行仿真。在仿真过程中，设置跟踪的目标轨迹的范围是[x∈0 100]，同时设定总的迭代次数为是50，将目标轨迹设置为理想曲线[sin0.03x]，以验证该迭代学习控制的可行性和精确度。
图1是采煤机记忆截割的仿真结果图，其中实线表示目标轨迹，虚线表示经过50次迭代跟踪后得到的实际输出轨迹，两条曲线近似重合，基于迭代学习控制的输出轨迹可以跟踪目标轨迹。在50次迭代过程中，每次迭代学习得到的实际输出轨迹和目标轨迹的的误差值随着迭代次数的增加，误差逐渐减小，第50次迭代时，误差降到0.015，误差值较小，能有效跟踪目标轨迹。
根据仿真结果可知，基于迭代学习控制算法的采煤机记忆截割可以有效地跟踪目标轨迹。因此，在已知首次截割轨迹的前提下，可以实现对煤岩分界面的跟踪，从而进一步实现对煤炭的自动截割。
参考文献：
[1]张世洪.我国综采采煤机技术的创新研究[J].煤炭学报，2010（11）：1898-1902.
[2]李春华，刘春生.采煤机滚筒自动调高技术的分析[J].工矿自动化，2005（4）：48-51.
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