1、附录A 译文釆煤机自适应记忆切割摘要：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
2、切割；模糊控制中图分类号：TD421. 6；TP273. 4文献标志码：A采煤机的自动化控制是实现采煤工作面自动化遥控器在近距离操控，大量的煤尘和水雾使得操作的重点和难点，而采煤机自动化的关键则是滾筒的人员很难看清滾筒是否切割到岩石，仅能通过滾筒自动调高。目前国内采煤机大多依靠人工通过红外发出的声音进行判别。为此，国内外学者提出过利用y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1-5，但实际应 用的效果都不理想。20世纪80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JOY公司的7LS6型、德国Eickhoff公司的SL500型和DB
3、T公司的EL3000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：1) 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。2) 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
4、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。1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
5、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1所示，可分为3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1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
6、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1 m。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
7、。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
8、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。2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
9、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6-8。 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。2.1 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。1) 特征点
10、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。2) 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O。重力加速度反方向为y轴正方向，重力加速度方向为y轴负方向。平行于刮板运输机且与y轴垂直方向为x轴；面朝煤壁，向右为x轴正方向，向左为x轴负方向。垂直于xy平面且指向煤壁方向为z轴正方向，相反为z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
11、所对应刮板运输机推溜受力点的联机必须平行于yz平面。3) 特征点坐标值的计算。如图2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n节，每节长度为h，初始状态下第k个铰接 点处的坐标为(xk,yk,0)，第k节与x轴的夹角为 k，其中且n0，。则当采煤机行程为s时 (1)其中为商，0ph为余数。由此可知采煤机特征点位于刮板输送机第k节上的p处。图2 采煤机位置定位示意图设采煤机起始点经过m次推溜，每次推溜的距离推溜方向与z轴方向的夹角为m，其中且
12、m 0。则经过m次推溜后采煤机特征点的三维坐标值(x0，y0，z0)为 (2)2.2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。1) 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x轴和y轴坐标。如图3所示为采煤 机调高系统机构简
13、图在xy平面内的投影，图中共有 04五个点，第i个点的坐标用(xi，yi)表示，点2、3间线段为调高油缸的伸出量，粗实线为采煤机机身，点0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3中，当机身横向倾角为时，根据特征点的坐标(x0，y0)可以求出固定点1、2的坐标(x1，y1)和(x2，y2)。在点1、2、3组成的三角形中，已知点1、2的坐标值及其与点3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x3和y3的二元二次方程，解此方程能够求出点3 的坐标值(x3，y3)。同理在点1、
14、3、4组成的三角形中能够求出点4的坐标值(x4，y4)，即为滚筒的旋转中心坐标值。图3采煤机姿态在xy平面内的投影简图2) 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 (x0，y0，z0)，采煤机机身的纵向倾角为，上一步得 到的滚筒在xy平面内投影坐标值为(x4，y4)，则可由坐标投影关系求得滚筒的三维坐标值(x4，y4，z4)为 (3)3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
15、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。3.1 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i个记忆点时，机载控制器会读取第z + 1个记忆点处调高油缸位移量和机身牵引速度的理想值；
16、根据z点与z+1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i + 1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z + 1至i + 2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，本课题组研发了采煤机记忆切割实验平台，如图4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5 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
