CN104695953A - 一种实现滚筒自动调高的采煤机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现滚筒自动调高的采煤机及其工作方法，将现有采煤机滚筒的调高原理与智能控制理论相结合，在传统采煤机的基础上增加包括模糊控制器、数据采集装置、压力传感器和电磁比例阀构成的控制系统，通过压力传感器测得调高油缸有杆腔和无杆腔的压力值，由模糊控制器根据模糊控制规则进行运算后输出控制电磁比例阀的控制信号，来改变进出调高油缸的油量，通过调高油缸活塞杆的位移最终实现截割滚筒的自动调高。该采煤机实现了滚筒自动调高的智能化控制，所采用的模糊控制方法，能够适用于不易获得精确数学模型的被控对象，同时适用于非线性系统的控制，抗干扰能力强，响应速度快，且对系统参数的变化有较强的鲁棒性。

Description

一种实现滚筒自动调高的采煤机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种实现滚筒自动调高的采煤机及其工作方法，属于采煤机械技术领域。

背景技术

目前，在采煤机滚筒自动调高控制方面，除国内外少数先进采煤机厂家采用存储切割模式进行高度控制外，大部分是靠人工操作进行滚筒的调高，即操作工人靠个人视力观察，并结合截割噪音来判断采煤机滚筒是在割煤还是割岩，以便调节滚筒的垂直位置。

然而由于采煤机在工作过程中产生大量煤尘，使工作面能见度降低，而且机器本身噪音很大，操作工人难以准确及时判断采煤机的截割状态，并及时作出合理的操作。截割到岩石会降低截齿的使用寿命，煤中含矸量增加；或预留的顶底煤过多，造成资源的浪费；同时人工操作调高可能使顶底板不平整，引起移架和推溜困难。解决这一问题的有效途径就是实现采煤机滚筒调高的自动化。

中国专利文献CN202483571U公开了一种采煤机自动调高装置，其摇臂与机身相铰接，两端分别铰接在机身和摇臂上的调高油缸，截割电机安装在摇臂上，在调高油缸上安装有拉线传感器，在机身上安装有倾角传感器，调高油缸的控制油路上连接有电磁阀，截割电机的输出电缆上安装有电流互感器，拉线传感器、倾角传感器、电磁阀和电流互感器分别与可编程控制器电连接。该发明虽能实现截割滚筒的自动调高，但其精确度不高，同时在井下复杂的作业环境下，抗干扰能力差，响应速度较慢。

中国专利文献CN202578689U记载了一种采煤机摇臂全自动实时调高装置，该调高装置在机身上设置调高泵箱和电控箱，液压油缸中集成有用于对液压油缸的活塞伸缩量进行实时检测的位移传感器，调高泵箱中设置有调高泵、一端与调高泵连接的供油管路和设置在供油管路上的控制阀，供油管路的另一端与液压油缸连接，电控箱中设置有控制器模块，电控箱的外表面上设置有与控制器模块输出端相接的显示器模块，位移传感器与控制器模块的输出端相接。本发明利用调高油缸活塞杆的位移来进行自动化控制，虽可实现滚筒的自动调高控制，但是其控制精度无法保证，同时针对不同煤层的地质情况很难保证截割的准确性。

具有自动调高功能的采煤机能够提高煤炭的回采率，降低煤中的矸石、灰份等杂质的含量，提高采煤作业效率，同时避免割岩，振动较小，降低现场空气中的岩尘含量，并实现作业人员远离危险工作面，对安全生产、劳动保护及经济效益等方面都将会发挥巨大的作用，对无人工作面生产将会产生革命性改变。因此，亟需设计一种实现滚筒自动调高的采煤机。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种实现滚筒自动调高的采煤机。

本发明还提供一种上述实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种实现滚筒自动调高的采煤机，包括机身，所述机身内部设有控制箱，所述控制箱内设有电气控制系统，在控制箱的两侧各设有一组相同的牵引部、截割部和调高油缸，所述截割部包括摇臂和截割滚筒；

在机身内部，所述控制箱的左侧设有左牵引部和左调高油缸，控制箱的右侧依次设有独立泵站、右牵引部和右调高油缸；所述控制箱、左牵引部、独立泵站和右牵引部之间均通过若干个高强度液压螺栓分别连接；所述独立泵站通过液压管路分别与左调高油缸、右调高油缸相连共同构成摇臂调高液压装置；所述左牵引部与左调高油缸连接，所述右牵引部与右调高油缸连接；

在控制箱老塘侧的左右两侧下方位置各设有相同的左行走部和右行走部，所述左行走部和右行走部分别与对应侧的牵引部通过螺栓固定，左、右牵引部通过牵引电机驱动左、右行走部在刮板运输机销轨上行走；

所述摇臂的一端与相应侧的调高油缸铰接，摇臂的另一端与相应侧的截割滚筒连接；

在机身内部，还包括控制系统，所述控制系统包括模糊控制器、数据采集装置、第一压力传感器、第二压力传感器和电磁比例阀；所述第一压力传感器设置在相应侧调高油缸无杆腔管路接头上，所述第二压力传感器设置在相应侧调高油缸有杆腔管路接头上，所述电磁比例阀设置在调高液压管路上；所述第一压力传感器和第二压力传感器均与数据采集装置连接，所述数据采集装置与模糊控制器连接，所述模糊控制器与电磁比例阀连接；所述模糊控制器和电磁比例阀还分别与电气控制系统电连接。

优选的，所述控制系统还包括显示屏和键盘，所述显示屏和键盘均与模糊控制器连接。

优选的，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别通过调高油缸液压锁与调高油缸连接，所述调高油缸液压锁上开设有内螺纹孔，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别与内螺纹孔连接。

优选的，所述第一压力传感器和第二压力传感器均选用瑞士KISTLER仪器股份公司生产的型号为SM20RE250-VKC的防爆型压力变送器。

优选的，所述模糊控制器选用研华股份有限公司生产的带PCI/PCIE扩展插槽的型号为ARK-5260的嵌入式工控机。

优选的，所述数据采集装置选用研华股份有限公司生产的型号为PCIE-1810的多功能数据采集卡，所述PCIE-1810多功能数据采集卡插入设置在ARK-5260嵌入式工控机的PCIE扩展插槽内。

优选的，所述电磁比例阀选用博世力士乐公司生产的型号为4WRZE16E100-7X/6EG24ETK31A1M的不带电气位置反馈的先导三位四通比例方向阀。

一种实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，包括以下步骤，

(1)信号采集：在采煤机滚筒割煤作业过程中，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别测量调高油缸无杆腔和调高油缸有杆腔的压力信号并将压力信号传输给数据采集装置，所述数据采集装置对压力信号进行滤波处理后得到压力原始数据，并将压力原始数据传输给模糊控制器；

(2)数据处理：所述模糊控制器内部的数据处理程序根据接收到的压力原始数据计算出调高油缸的负载压力和负载压力变化率；

(3)模糊运算：所述模糊控制器对步骤(2)中计算出的负载压力和负载压力变化率进行模糊化处理，在其对应的模糊子集上由隶属度函数计算出隶属度值作为其对应的模糊化值，然后根据模糊规则表中的模糊规则分别计算每条规则结论的适配度：取每条模糊规则下的负载压力模糊化值、负载压力变化率模糊化值以及电磁比例阀控制电流模糊子集隶属度函数三者的交运算结果作为该条模糊规则结论的适配度，最后将所有模糊规则结论适配度的并运算结果作为控制器模糊运算结果；

(4)指令输出：所述模糊控制器利用重心法对控制器模糊运算结果解模糊得到模糊控制器输出即电磁比例阀的控制信号，所述控制信号控制改变电磁比例阀阀芯运动方向和阀口开度以改变进出调高油缸的流量，从而改变调高油缸活塞杆位移，活塞杆带动摇臂上升或下降，最终实现滚筒的自动调高。

优选的，步骤(1)中，所述滤波处理是指数据采集装置采用中位值平均滤波法对第一压力传感器和第二压力传感器传输的压力信号进行滤波处理，其具体过程包括：连续采样N个数据，然后采用冒泡法原理对采集到的N个数据进行排序，找出N个采样数据中的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值，N值的选取为3-14。

优选的，步骤(2)中，所述模糊控制器内部的数据处理程序计算调高油缸的负载压力和负载压力变化率，其具体过程包括：

油缸等效负载压力定义为：p_L＝p₁-p₂×A₂/A₁   (Ⅰ)

其中，式(Ⅰ)中，p₁为无杆腔侧油压值滤波后的算术平均值，p₂为有杆腔侧油压值滤波后的算术平均值，A₁为油压无杆腔侧的有效作用面积，A₂为油缸有杆腔侧的有效作用面积；

当计算出油缸等效负载压力后，采用最小二乘法得到压力变化率，其具体过程包括：模糊控制器内部的数据处理程序计算出一系列油缸等效负载压力序列(1p_L)，(2p_L)，…，(mp_L)，用一条直线拟合这些数据点，确定拟合直线方程为

p＝a₀+a₁n   (Ⅱ)

其中，式(Ⅱ)中a₀、a₁为待定实数，n＝1,2,…,m。

为确定式(Ⅱ)中的a₀和a₁，由2-范数度量下的曲线拟合理论可推导出

$\left(\begin{array}{cc}m& {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n\\ {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n& {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{n}^2\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{p}_n\\ {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{\mathrm{np}}_n\end{array}\right]---\left(\mathrm{III}\right)$

解方程(Ⅲ)可得a₀和a₁，将拟合曲线的平均值

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{1}{2}[(a_0+m{a}_1)+(a_0+a_1)]=a_0+\frac{1}{2}(m+1)a_1---\left(\mathrm{IV}\right)$

作为负载压力；拟合曲线的斜率a₁作为负载压力变化率，即负载压力变化率

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p}=a_1---\left(V\right).$

优选的，步骤(3)中，所述模糊控制规则的设计过程，包括以下步骤，

(a)根据滚筒截割介质以及截割量的不同，将滚筒截割工况分为：不完全割煤、完全割煤、截割少量岩石、截割较多岩石四种；将相应的调高油缸负载压力划分为[0 P1]、[P1 P2]、[P2 P3]、[P3 P₊]四个区间，其中P₊为负载压力上限，则负载压力论域为[0 P₊]，负载压力划分的四个区间相对应的模糊子集依次为{Z，PS，PM，PB}；

(b)根据负载压力变化率的大小，将滚筒运动状态分为：快速下降、下降、不变、上升、快速上升五种情况，相应的负载压力变化率划分为[DP_- DP1]、[DP1 DP2]、[DP2 DP3]、[DP3 DP4]、[DP4 DP₊]五个区间，其中DP_-为负载压力变化率的下限、DP₊为负载压力变化率的上限，则负载压力变化率的论域为[DP_- DP₊]，负载压力变化率划分的五个区间相对应的模糊子集依次为{NM，NS，Z，PS，PM}；

(c)模糊控制器输出的控制信号即为电磁比例阀的控制电流，用以调节通过电磁比例阀比例电磁铁的电流，电磁比例阀控制电流的大小和方向决定了滚筒的运动速度和运动方向，将电磁比例阀的控制电流划分为[-Ib -Im]、[-Im -Is]、[-Is Is]、[Is Im]、[Im Ib]五个区间，且Ib>Im>Is>0，其中Ib为阀芯运动至极限位置时需要的控制电流，则电磁比例阀控制电流的论域为[-Ib Ib]，控制电流划分的五个区间相对应的模糊子集依次为{NB，NS，Z，PS，PB}，分别对应控制电流负大、负小、零、正小、正大；

(d)以采煤机操作人员对滚筒的实际控制过程为基础，建立模糊控制规则，模糊控制规则如表一所示：

表一：模糊控制规则表

模糊控制器根据计算的负载压力判断当前滚筒处于何种截割工况，再根据计算的负载压力变化率判断当前滚筒处于何种运动状态，最后，模糊控制器对负载压力、负载压力变化率进行模糊化处理并根据建立的模糊控制规则进行模糊运算得到电磁比例阀控制电流，并对电磁比例阀控制电流解模糊后输出相应的控制信号以调节电磁比例阀的电流，通过电磁比例阀调节进入调高油缸的液压油相应地调节滚筒的运动速度和运动方向，最终实现滚筒的自动调高。

优选的，所述工作方法还包括输入预设定参数的过程，在采煤机工作前，通过键盘和显示屏进行设定存储于模糊控制器内存的模糊子集参数，包括滚筒不同截割介质下的调高油缸负载压力P1、P2、P3、P₊，调高油缸负载压力变化率DP1、DP2、DP3、DP4以及电磁比例阀的控制电流Is、Im、Ib。

优选的，步骤(4)中，所述解模糊的过程包括采用COG重心法对模糊运算得到电磁比例阀控制电流进行反模糊化处理，模糊控制器输出解模糊为其中y为模糊控制器模糊运算结果，x为电磁比例阀控制电流模糊子集取值，a、b为电磁比例阀控制电流模糊子集区间端点值。

本发明的有益效果在于：

1、本发明将现有采煤机滚筒的调高原理与智能控制理论相结合，在传统采煤机的基础上增加了控制系统，运用模糊控制理论进行采煤机滚筒的自动调高。该采煤机改变了过去依靠人工调节滚筒位置的做法，实现了滚筒自动调高的智能化控制。

2、本发明滚筒自动调高的采煤机不受作业环境的限制，能够应用于煤尘较多、能见度较低的恶劣作业环境，适应性强。

3、本发明滚筒自动调高的采煤机，无需人工操作，大大解放了劳动力，并实现作业人员远离危险工作面，降低了安全事故的发生，提高了工人的安全性，对安全生产和劳动保护有显著的改善。

4、本发明所采用的模糊控制系统及模糊控制方法，能够适用于不易获得精确数学模型的被控对象，同时适用于非线性系统的控制，抗干扰能力强，响应速度快，且对系统参数的变化有较强的鲁棒性。

5、本发明滚筒自动调高的采煤机能够提高煤炭的回采率，降低煤中的矸石、灰份等杂质的含量；提高采煤作业效率；降低设备磨损，减少设备维修量以及停机时间。

6、本发明滚筒自动调高的采煤机结构设计合理，改造成本低，只需对传统的采煤机进行相应结构的设计改造即可，控制系统安装过程简便；改进后的采煤机，实现滚筒自动调高的作用明显，效果显著，智能化程度高，具有良好的使用价值和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明采煤机的整体结构示意图；

图2为本发明采煤机一侧滚筒自动调高的结构示意图；

图3为本发明中压力传感器与调高油杆的连接结构示意图；

图4为本发明中控制系统的连接关系示意图；

图5为本发明中控制系统的电气原理图；

图6为本发明中负载压力隶属度函数分布示意图；

图7为本发明中负载压力变化率隶属度函数分布示意图；

图8为本发明中电磁比例阀控制电流隶属度函数分布示意图；

图9为本发明中模糊运算过程示意图；

图10为本发明采煤机的滚筒自动调高控制流程图。

其中：1、摇臂，2、左牵引部，3、左牵引传动箱，4、阀组装配，5、控制箱，6、机身，8、右牵引传动箱，9、右牵引部，10、截割滚筒，11、右调高油缸，12、遥控装置，13、变压器箱，14、调高泵箱，15、电磁比例阀，16、电源，17、显示屏，18、接线端子，19、键盘，20、电控箱，21、数据采集卡，22、模糊控制器，23、第一压力传感器，24、第二压力传感器，25、液压锁，26、信号线，27、VGA数据线，28、USB数据线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1至图5所示，本实施例提供一种实现滚筒自动调高的采煤机，该采煤机包括机身6，所述机身6内部设有控制箱5，所述控制箱5内设有电气控制系统，所述电气控制系统为按照现有技术设计的电气控制系统，在控制箱的两侧各设有一组相同的牵引部、截割部和调高油缸，所述截割部包括摇臂1和截割滚筒10；

在机身内部，所述控制箱的左侧设有左牵引部2和左调高油缸，控制箱的右侧依次设有独立泵站、右牵引部9和右调高油缸11；所述控制箱5、左牵引部2、独立泵站和右牵引部9之间均通过若干个高强度液压螺栓分别连接；所述独立泵站通过液压管路分别与左调高油缸、右调高油缸11相连共同构成摇臂调高液压装置；所述左牵引部2与左调高油缸连接，所述右牵引部9与右调高油缸11连接；

在控制箱老塘侧的左右两侧下方位置各设有相同的左行走部和右行走部，所述左行走部和右行走部分别与对应侧的牵引部通过螺栓固定，左、右牵引部通过牵引电机驱动左、右行走部在刮板运输机销轨上行走；

所述左侧摇臂1的一端与左侧的调高油缸铰接，左侧摇臂1的另一端与左侧的截割滚筒连接；右侧摇臂的一端与右侧的调高油缸11铰接，右侧摇臂的另一端与右侧的截割滚筒10连接；

在机身内部，还包括控制系统，所述控制系统包括模糊控制器22、数据采集装置、第一压力传感器23、第二压力传感器24和电磁比例阀15；所述第一压力传感器23设置在右侧调高油缸11无杆腔管路接头上，所述第二压力传感器24设置在右侧调高油缸11有杆腔管路接头上，所述电磁比例阀15设置在调高液压管路上；所述第一压力传感器23和第二压力传感器24均与数据采集装置连接，所述数据采集装置与模糊控制器22连接，所述模糊控制器22与电磁比例阀15连接；所述模糊控制器22和电磁比例阀15还分别与电气控制系统电连接。

所述控制系统还包括显示屏17和键盘19，所述显示屏17和键盘19均与模糊控制器22连接。

将电磁比例阀15和独立泵站安放在同一个调高泵箱14内；将电源16、显示屏17、键盘19、接线端子18、模糊控制器22、数据采集装置都安放在同一个电控箱20内。如图4所示，其中，显示屏17通过电缆线与电源16一极电连接，显示屏17还通过VGA数据线与模糊控制器22连接；键盘19通过电缆线与电源16一极电连接，键盘19还通过USB数据线28与模糊控制器22连接；模糊控制器22通过电缆线与电源16另一极连接形成供电回路，模糊控制器22的扩展卡槽上安装有数据采集装置，数据采集装置通过信号线26与第一压力传感器23和第二压力传感器24连接；第一压力传感器23和第二压力传感器24分别通过调高油缸液压锁25与右调高油缸11连接，调高油缸液压锁25上开设有内螺纹孔，第一压力传感器23和第二压力传感器24分别与内螺纹孔连接，如图3所示。

其中，所述第一压力传感器23和第二压力传感器24均选用瑞士KISTLER仪器股份公司生产的型号为SM20RE250-VKC的防爆型压力变送器。所述模糊控制器22选用研华股份有限公司生产的带PCI/PCIE扩展插槽的型号为ARK-5260的嵌入式工控机。所述数据采集装置选用研华股份有限公司生产的型号为PCIE-1810的多功能数据采集卡21，所述PCIE-1810多功能数据采集卡21插入设置在ARK-5260嵌入式工控机的PCIE扩展插槽内。所述电磁比例阀15选用博世力士乐公司生产的型号为4WRZE16E100-7X/6EG24ETK31A1M的不带电气位置反馈的先导三位四通比例方向阀，所述电磁比例阀15安装在调高液压管路上，电磁比例阀15一端与独立泵站连接，另一端与右调高油缸11的进油管口连接,电磁比例阀15还通过接线端子18与模糊控制器22连接。

在采煤机工作过程中，第一压力传感器和第二压力传感器分别测量调高油缸无杆腔和调高油缸有杆腔的压力信号并将压力信号传输给数据采集装置，数据采集装置对压力信号进行滤波处理后得到压力原始数据，并将压力原始数据传输给模糊控制器；模糊控制器根据事先编程的模糊控制规则进行一系列的判断，最后输出控制电磁比例阀的控制信号，实现电磁比例阀阀芯的自动调节，从而改变进出调高油缸的油量，通过调高油缸活塞杆的位移最终实现截割滚筒的自动调高。

实施例2：

本实施例提供一种实现滚筒自动调高的采煤机，结构如实施例1所述，其不同之处在于：模糊控制器22还可以选用西门子公司生产的型号为S7-221的PLC，或德州仪器公司生产的MSP430系列中型号为MSP430F6659IZQW的单片机，或PC计算机。

实施例3：

本实施例提供一种实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，包括以下步骤，

(1)信号采集：第一压力传感器23和第二压力传感器24分别测量调高油缸无杆腔和调高油缸有杆腔的压力信号并将压力信号传输给数据采集卡21，数据采集卡21对压力信号进行滤波处理后得到压力原始数据，并将压力原始数据传输给模糊控制器22；

(2)数据处理：模糊控制器22内部的数据处理程序根据接收到的压力原始数据计算出调高油缸的负载压力p和负载压力变化率

(3)模糊运算：模糊控制器22对步骤(2)中计算出的负载压力和负载压力变化率进行模糊化处理，在其对应的模糊子集上由隶属度函数计算出隶属度值作为其对应的模糊化值，然后根据模糊规则表中的20条模糊规则分别计算每条规则结论的适配度，取每条模糊规则下的负载压力模糊化值、负载压力变化率模糊化值以及电磁比例阀控制电流模糊子集隶属度函数三者的交运算结果作为该条模糊规则结论的适配度，最后将20条模糊规则结论适配度的并运算结果作为控制器模糊运算结果；

模糊运算包括两个阶段：

1)计算每条模糊规则的结论：①输入量模糊化，即求出负载压力和负载压力变化率在各自模糊子集上的隶属度；②计算模糊规则条件部分(即If p is Z and dp is NM)的逻辑组合，模糊规则表中负载压力和负载压力变化率之间是且的关系，则进行交运算，即取步骤①得到的隶属度中的较小值；③将模糊规则条件命题逻辑组合的隶属度与结论部分(即Then i is PB)的隶属函数作交运算，求出结论的适配度，即步骤②中得到的隶属度与电磁比例阀控制信号隶属度函数的交运算结果作为该条模糊规则结论的适配度。

2)对所有模糊规则结论的适配度作并运算，得到模糊运算结果，即模糊规则表中的20条模糊规则结论的适配度进行并运算，得到模糊控制器模糊运算结果。

例如,步骤(2)得到的负载压力为Px，负载压力变化率为dPx，控制器根据表一的模糊规则得到模糊运算结果，解模糊后得到电磁比例阀控制信号ik，如图9所示，共有四条模糊规则有效： 负载压力Px的隶属度为其它模糊子集上的隶属度均为零，负载压力变化率dPx的隶属度为其它模糊子集上的隶属度均为零，且有b>d>c>a。分别计算四条模糊规则结论的适配度：第一条规则结论适配度为：第二条规则结论适配度为：第五条规则结论适配度为：第六条规则结论适配度为：其余模糊规则结论的适配度均为零。最后对所有20条模糊规则结论的适配度作并运算，得到模糊运算结果μ(i)＝μ₁(i)∨μ₂(i)∨μ₃(i)∨...∨μ₂₀(i)＝μ₁(i)∨μ₂(i)∨μ₅(i)∨μ₆(i)。

(4)指令输出：模糊控制器22利用重心法对控制器模糊运算结果解模糊得到模糊控制器输出即电磁比例阀15的控制信号，该控制信号控制电磁比例阀15阀芯运动方向和阀口开度以改变进出右调高油缸11的流量，从而改变调高油缸活塞杆位移，最终实现对滚筒10的自动调高控制。

其中，在步骤(1)中，滤波处理是指数据采集装置采用中位值平均滤波法对第一压力传感器23和第二压力传感器24传输的压力信号进行滤波处理，其具体过程包括：连续采样N个数据，然后采用冒泡法原理对采集到的N个数据进行排序，找出N个采样数据中的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值，N值的选取为3-14。

其中，在步骤(2)中，模糊控制器22内部的数据处理程序计算调高油缸的负载压力和负载压力变化率，其具体过程包括：

油缸等效负载压力定义为：p_L＝p₁-p₂×A₂/A₁   (Ⅰ)

其中，式(Ⅰ)中，p₁为无杆腔侧油压值滤波后的算术平均值，p₂为有杆腔侧油压值滤波后的算术平均值，A₁为油压无杆腔侧的有效作用面积，A₂为油缸有杆腔侧的有效作用面积；

当计算出油缸等效负载压力后，采用最小二乘法得到负载压力变化率，其具体过程包括：模糊控制器内部的数据处理程序计算出一系列油缸等效负载压力序列(1p_L)，(2p_L)，…，(mp_L)，用一条直线拟合这些数据点，确定拟合直线方程为

p＝a₀+a₁n   (Ⅱ)

其中，式(Ⅱ)中a₀、a₁为待定实数，n＝1,2,…,m。

为确定式(Ⅱ)中的a₀和a₁，由2-范数度量下的曲线拟合(最小二乘法)理论可推导出

$\left(\begin{array}{cc}m& {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n\\ {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n& {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{n}^2\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{p}_n\\ {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{\mathrm{np}}_n\end{array}\right]---\left(\mathrm{III}\right)$

解方程(Ⅲ)可得a₀和a₁，将拟合曲线的平均值

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{1}{2}[(a_0+m{a}_1)+(a_0+a_1)]=a_0+\frac{1}{2}(m+1)a_1---\left(\mathrm{IV}\right)$

作为负载压力；拟合曲线的斜率a₁作为负载压力变化率，即负载压力变化率

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p}=a_1---\left(V\right).$

其中，步骤(3)中，所述模糊控制规则的设计过程，包括步骤如下，

(a)根据滚筒截割介质以及截割量的不同，将滚筒截割工况分为：不完全割煤、完全割煤、截割少量岩石、截割较多岩石四种；将相应的调高油缸负载压力划分为[0 P1]、[P1 P2]、[P2 P3]、[P3 P₊]四个区间，其中P₊为负载压力上限，则负载压力论域为[0 P₊]，相应的模糊子集为{Z，PS，PM，PB}；

(b)根据负载压力变化率的大小，将滚筒运动状态分为：快速下降、下降、不变、上升、快速上升五种情况，相应的负载压力变化率划分为[DP_- DP1]、[DP1 DP2]、[DP2 DP3]、[DP3 DP4]、[DP4 DP₊]五个区间，其中DP_-为负载压力变化率的下限、DP₊为负载压力变化率的上限，则负载压力变化率的论域为[DP_- DP₊]，相应的模糊子集为{NM，NS，Z，PS，PM}；

(c)模糊控制器输出的控制信号即为电磁比例阀的控制电流，用以调节通过电磁比例阀比例电磁铁的控制电流，电磁比例阀控制电流的大小和方向决定了滚筒的运动速度和运动方向，将电磁比例阀的控制电流划分为[-Ib -Im]、[-Im -Is]、[-Is Is]、[Is Im]、[Im Ib]五个区间，且Ib>Im>Is>0，其中Ib为阀芯运动至极限位置时需要的控制电流，则电磁比例阀控制电流的论域为[-Ib Ib]，相应的模糊子集为{NB，NS，Z，PS，PB}，分别对应控制电流负大、负小、零、正小、正大；

(d)以采煤机操作人员对滚筒的实际控制过程为基础，建立模糊控制规则，具体为：①如果负载压力低于滚筒正常割煤时的压力，说明滚筒此时没有完全割煤，负载压力变化率减小、不变或增加较小时，需要增大电磁换向阀的控制电流，从而使摇臂上升、滚筒完全割煤，若负载压力变化率增加较大，说明滚筒上升较快，此时电磁比例阀需要较小的控制电流从而避免滚筒快速上升；②如果负载压力在滚筒正常割煤时的压力波动范围之内，表明滚筒此时完全割煤，当负载压力变化率为零时，表明滚筒高度不变，则电磁比例阀控制电流置为零，使滚筒保持在该高度割煤；当负载压力变化率为正或负时，表明滚筒有向上或向下运动的趋势，则相应地使电磁比例阀控制电流为负或正，从而使滚筒避免向上或向下运动，最终使滚筒保持在完全割煤时的高度；③如果负载压力稍大于滚筒正常割煤时的压力，表明滚筒此时截割到少量岩石，而采煤机割煤过程中允许截割少量岩石，负载压力变化率变化不大即为负小、零或正小时，使电磁比例阀的控制电流为零，从而避免滚筒频繁调高同时保证了顶底板的平整性，当负载压力变化率绝对值较大即为负大或正大时，表明负载压力在迅速减小或增大，则相应地使电磁比例阀的控制电流为正大或负大，从而使负载压力增大或减小，避免滚筒迅速下降而留煤或迅速上升而割到更多岩石；④如果负载压力较滚筒正常割煤时的压力较大，表明滚筒截割到较多的岩石，无论负载压力变化率怎样变化，均应使电磁比例阀的控制电流为负，从而降低负载压力避免滚筒继续截割较多的岩石；

模糊控制器根据计算的负载压力判断当前滚筒处于何种截割工况，再根据计算的负载压力变化率判断当前滚筒处于何种运动状态，最后，模糊控制器对负载压力、负载压力变化率进行模糊化处理并根据建立的模糊规则进行模糊运算以及对模糊运算结果解模糊后输出相应的控制信号以调节电磁比例阀的电流，通过电磁比例阀调节进入调高油缸的液压油相应地调节滚筒的运动速度和运动方向，最终实现滚筒的自动调高，其工作流程如图10所示。

实施例4：

本实施例提供一种实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，方法步骤如实施例3所述，其不同之处在于：采煤机的工作方法还包括输入预设定参数的步骤，其具体过程包括，在采煤机工作前，通过键盘19和显示屏17进行设定存储于模糊控制器22内存的模糊子集参数，包括滚筒不同截割介质下的调高油缸负载压力P1、P2、P3、P₊，调高油缸负载压力变化率DP1、DP2、DP3、DP4以及电磁比例阀的控制电流Is、Im、Ib。

本发明中，负载压力区间的划分、负载压力变化率区间的划分以及控制电流的区间划分是以采煤机操作人员对滚筒的实际控制过程为基础，在人工控制滚筒调高的过程中大量收集各个工况和滚筒运动状态下的压力区间的端点参数(即P1、P2、P3、P₊和DP1、DP2、DP3、DP4)，以及在不同工况和不同滚筒运动状态下的控制电流的端点参数(Is、Im、Ib)，也就是说，区间端点参数的设定是根据人工调节滚筒时的数据进行取值的。

各模糊子集区间划分参数确定后，需要对输入模糊控制器的模糊子集参数进行模糊化处理，把各个输入参数的有效值从准确值在其各自的论域上转变为模糊值。

以调高油缸负载压力的模糊化为例，说明模糊控制器对各输入参数的模糊化处理过程。滚筒不完全割煤、完全割煤、截割少量岩石以及截割较多岩石四种工况下分别得到调高油缸压力有效值为且有则负载压力的物理论域为而其模糊论域为[0，p₊]，首先将物理论域映射到模糊论域，线性化映射关系为则量化因子p_j为物理论域的数值映射到模糊论域后的数值，然后将模糊论域划分为四个区间，即[0 P1]、[P1 P2]、[P2 P3]和[P3 P₊]，相应的模糊子集为{Z，PS，PM，PB}，模糊子集Z对应的模糊论域[0 P1]区间的数据采用Z型隶属度函数映射，模糊子集PS和PM对应的模糊论域[P1 P2]和[P2 P3]区间的数据采用梯形或钟形隶属度函数映射，模糊子集PB对应的模糊论域[P3 P₊]区间的数据采用S型隶属度函数映射，如图6所示。油缸负载压力变化率模糊化过程以及电磁比例阀的控制电流模糊化过程与此类似，其中，负载压力变化率模糊化过程的隶属度函数映射关系，如图7所示；电磁比例阀的控制电流模糊化过程的隶属度函数映射关系，如图8所示；至此完成模糊控制器对负载压力负载压力变化率和电磁比例阀控制电流三者的模糊化过程。

模糊控制器输出的控制信号为电磁比例阀控制电流，需要对其反模糊化处理，采用重心法(COG)反模糊化方法，模糊控制器输出解模糊为其中y为模糊控制器模糊运算结果，x为电磁比例阀控制电流模糊子集取值，a、b为电磁比例阀控制电流模糊子集区间端点值。

Claims (10)

1.一种实现滚筒自动调高的采煤机，其特征在于，包括机身，所述机身内部设有控制箱，所述控制箱内设有电气控制系统，在控制箱的两侧各设有一组相同的牵引部、截割部和调高油缸，所述截割部包括摇臂和截割滚筒；

在机身内部，所述控制箱的左侧设有左牵引部和左调高油缸，控制箱的右侧依次设有独立泵站、右牵引部和右调高油缸；所述控制箱、左牵引部、独立泵站和右牵引部之间均通过若干个高强度液压螺栓分别连接；所述独立泵站通过液压管路分别与左调高油缸、右调高油缸相连共同构成摇臂调高液压装置；所述左牵引部与左调高油缸连接，所述右牵引部与右调高油缸连接；

在控制箱老塘侧的左右两侧下方位置各设有相同的左行走部和右行走部，所述左行走部和右行走部分别与对应侧的牵引部通过螺栓固定，左、右牵引部通过牵引电机驱动左、右行走部在刮板运输机销轨上行走；

所述摇臂的一端与相应侧的调高油缸铰接，摇臂的另一端与相应侧的截割滚筒连接；

在机身内部，还包括控制系统，所述控制系统包括模糊控制器、数据采集装置、第一压力传感器、第二压力传感器和电磁比例阀；所述第一压力传感器设置在相应侧调高油缸无杆腔管路接头上，所述第二压力传感器设置在相应侧调高油缸有杆腔管路接头上，所述电磁比例阀设置在调高液压管路上；所述第一压力传感器和第二压力传感器均与数据采集装置连接，所述数据采集装置与模糊控制器连接，所述模糊控制器与电磁比例阀连接；所述模糊控制器和电磁比例阀还分别与电气控制系统电连接。

2.如权利要求1所述的实现滚筒自动调高的采煤机，其特征在于，所述控制系统还包括显示屏和键盘，所述显示屏和键盘均与模糊控制器连接。

3.如权利要求1或2所述的实现滚筒自动调高的采煤机，其特征在于，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别通过调高油缸液压锁与调高油缸连接，所述调高油缸液压锁上开设有内螺纹孔，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别与内螺纹孔连接；所述第一压力传感器和第二压力传感器均选用瑞士KISTLER仪器股份公司生产的型号为SM20RE250-VKC的防爆型压力变送器。

4.如权利要求1或2所述的实现滚筒自动调高的采煤机，其特征在于，所述模糊控制器选用研华股份有限公司生产的带PCI/PCIE扩展插槽的型号为ARK-5260的嵌入式工控机；所述数据采集装置选用研华股份有限公司生产的型号为PCIE-1810的多功能数据采集卡，所述PCIE-1810多功能数据采集卡插入设置在ARK-5260嵌入式工控机的PCIE扩展插槽内；所述电磁比例阀选用博世力士乐公司生产的型号为4WRZE16E100-7X/6EG24ETK31A1M的不带电气位置反馈的先导三位四通比例方向阀。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，包括以下步骤，

(1)信号采集：在采煤机滚筒割煤作业过程中，所述第一压力传感器和第二压力传感器分别测量调高油缸无杆腔和调高油缸有杆腔的压力信号并将压力信号传输给数据采集装置，所述数据采集装置对压力信号进行滤波处理后得到压力原始数据，并将压力原始数据传输给模糊控制器；

(2)数据处理：所述模糊控制器内部的数据处理程序根据接收到的压力原始数据计算出调高油缸的负载压力和负载压力变化率；

(3)模糊运算：所述模糊控制器对步骤(2)中计算出的负载压力和负载压力变化率进行模糊化处理，在其对应的模糊子集上由隶属度函数计算出隶属度值作为其对应的模糊化值，然后根据模糊规则表中的模糊规则分别计算每条规则结论的适配度：取每条模糊规则下的负载压力模糊化值、负载压力变化率模糊化值以及电磁比例阀控制电流模糊子集隶属度函数三者的交运算结果作为该条模糊规则结论的适配度，最后将所有模糊规则结论适配度的并运算结果作为控制器模糊运算结果；

(4)指令输出：所述模糊控制器利用重心法对控制器模糊运算结果解模糊得到模糊控制器输出即电磁比例阀的控制信号，所述控制信号控制改变电磁比例阀阀芯运动方向和阀口开度以改变进出调高油缸的流量，从而改变调高油缸活塞杆位移，活塞杆带动摇臂上升或下降，最终实现滚筒的自动调高。

6.如权利要求5所述的实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，其特征在于，步骤(1)中，所述滤波处理是指数据采集装置采用中位值平均滤波法对第一压力传感器和第二压力传感器传输的压力信号进行滤波处理，其具体过程包括：连续采样N个数据，然后采用冒泡法原理对采集到的N个数据进行排序，找出N个采样数据中的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值，N值的选取为3-14。

7.如权利要求5所述的实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，其特征在于，步骤(2)中，所述模糊控制器内部的数据处理程序计算调高油缸的负载压力和负载压力变化率，其具体过程包括：

油缸等效负载压力定义为：p_L＝p₁-p_2×A₂/A₁  (Ⅰ)

其中，式(Ⅰ)中，p₁为无杆腔侧油压值滤波后的算术平均值，p₂为有杆腔侧油压值滤波后的算术平均值，A₁为油压无杆腔侧的有效作用面积，A₂为油缸有杆腔侧的有效作用面积；

当计算出油缸等效负载压力后，采用最小二乘法得到压力变化率，其具体过程包括：模糊控制器内部的数据处理程序计算出一系列油缸等效负载压力序列(1p_L)，(2p_L)，…，(mp_L)，用一条直线拟合这些数据点，确定拟合直线方程为

p＝a₀+a₁n    (Ⅱ)

其中，式(Ⅱ)中a₀、a₁为待定实数，n＝1,2,…,m；

为确定式(Ⅱ)中的a₀和a₁，由2-范数度量下的曲线拟合理论可推导出

$\left(\begin{array}{cc}m& {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n\\ {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n& {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^m{n}^2\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^n{p}_n\\ {\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{m}n{p}_n\end{array}\right]---\left(\mathrm{III}\right)$

解方程(Ⅲ)可得a₀和a₁，将拟合曲线的平均值

$\stackrel{\‾}{p}=\frac{1}{2}[(a_0+m{a}_1)+(a_0+a_1)]=a_0+\frac{1}{2}(m+1)a_1---\left(\mathrm{IV}\right)$

作为负载压力；拟合曲线的斜率a₁作为负载压力变化率，即负载压力变化率

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{p}=a_1---\left(V\right).$

8.如权利要求5所述的实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，其特征在于，步骤(3)中，所述模糊控制规则的设计过程，包括以下步骤，

(a)根据滚筒截割介质以及截割量的不同，将滚筒截割工况分为：不完全割煤、完全割煤、截割少量岩石、截割较多岩石四种；将相应的调高油缸负载压力划分为[0 P1]、[P1 P2]、[P2 P3]、[P3 P₊]四个区间，其中P₊为负载压力上限，则负载压力论域为[0 P₊]，负载压力划分的四个区间相对应的模糊子集依次为{Z，PS，PM，PB}；

(b)根据负载压力变化率的大小，将滚筒运动状态分为：快速下降、下降、不变、上升、快速上升五种情况，相应的负载压力变化率划分为[DP_- DP1]、[DP1 DP2]、[DP2 DP3]、[DP3 DP4]、[DP4 DP₊]五个区间，其中DP_-为负载压力变化率的下限、DP₊为负载压力变化率的上限，则负载压力变化率的论域为[DP_- DP₊]，负载压力变化率划分的五个区间相对应的模糊子集依次为{NM，NS，Z，PS，PM}；

(c)模糊控制器输出的控制信号即为电磁比例阀的控制电流，用以调节通过电磁比例阀比例电磁铁的电流，电磁比例阀控制电流的大小和方向决定了滚筒的运动速度和运动方向，将电磁比例阀的控制电流划分为[-Ib -Im]、[-Im -Is]、[-Is Is]、[Is Im]、[Im Ib]五个区间，且Ib>Im>Is>0，其中Ib为阀芯运动至极限位置时需要的控制电流，则电磁比例阀控制电流的论域为[-Ib Ib]，控制电流划分的五个区间相对应的模糊子集依次为{NB，NS，Z，PS，PB}，分别对应控制电流负大、负小、零、正小、正大；

(d)以采煤机操作人员对滚筒的实际控制过程为基础，建立模糊控制规则，模糊控制规则如表一所示：

表一：模糊控制规则表

模糊控制器根据计算的负载压力判断当前滚筒处于何种截割工况，再根据计算的负载压力变化率判断当前滚筒处于何种运动状态，最后，模糊控制器对负载压力、负载压力变化率进行模糊化处理并根据建立的模糊控制规则进行模糊运算得到电磁比例阀控制电流，并对电磁比例阀控制电流解模糊后输出相应的控制信号以调节电磁比例阀的电流，通过电磁比例阀调节进入调高油缸的液压油相应地调节滚筒的运动速度和运动方向，最终实现滚筒的自动调高。

9.如权利要求5所述的实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，其特征在于，所述工作方法还包括输入预设定参数的过程，在采煤机工作前，通过键盘和显示屏进行设定存储于模糊控制器内存的模糊子集参数，包括滚筒不同截割介质下的调高油缸负载压力P1、P2、P3、P₊，调高油缸负载压力变化率DP1、DP2、DP3、DP4以及电磁比例阀的控制电流Is、Im、Ib。

10.如权利要求5所述的实现滚筒自动调高的采煤机的工作方法，其特征在于，步骤(4)中，所述解模糊的过程包括采用COG重心法对模糊运算得到电磁比例阀控制电流进行反模糊化处理，模糊控制器输出解模糊为其中y为模糊控制器模糊运算结果，x为电磁比例阀控制电流模糊子集取值，a、b为电磁比例阀控制电流模糊子集区间端点值。