刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)新模式及關(guān)鍵技術(shù)

張 強(qiáng) ，劉 偉 ，王 聰 ，蘇金鵬 ，劉峻銘 ，顧頡穎 ，張潤鑫

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 山東 青島 266590）

0 引 言

煤炭作為我國主要一次性能源，預(yù)計(jì)未來20 年仍將占據(jù)我國能源消費(fèi)比重50%以上[1]，刮板輸送機(jī)作為煤礦工作面生產(chǎn)中的核心運(yùn)輸設(shè)備[2]，是保障煤炭穩(wěn)定供給的重要裝備；但煤礦工作面復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，造成刮板輸送機(jī)跳鏈、斷鏈、電路涌動(dòng)、雙驅(qū)電機(jī)功率失衡等故障頻發(fā)[3-4]，導(dǎo)致我國綜采工作面年平均開機(jī)率遠(yuǎn)不及美國、德國等發(fā)達(dá)國家的25%。對此，我國立足于煤礦的高等學(xué)校、企業(yè)以及科研機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論工作，研究重點(diǎn)涵蓋了鏈條動(dòng)張力測試、輸送機(jī)理、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的智能控制等方面[5-9]，在一定的條件下解決了刮板輸送動(dòng)態(tài)輸送和狀態(tài)監(jiān)測的難題，但對于智能截割三角煤、設(shè)備高可靠性運(yùn)行、自適應(yīng)調(diào)控等方面尚存在一系列的難題，例如，傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)任一驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，嚴(yán)重影響煤炭開采效率；并且雙驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)系統(tǒng)靈敏性差，無法根據(jù)落煤載荷的時(shí)空非線性和煤流不均勻分布進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，刮板輸送機(jī)整機(jī)系統(tǒng)能耗大、智能化程度低。

此外，伴隨著超大采高和超長工作面的發(fā)展，刮板輸送機(jī)運(yùn)行功率逐漸增大，新的挑戰(zhàn)應(yīng)運(yùn)而生。鏈條張力脈動(dòng)明顯、啟停對電網(wǎng)沖擊大、驅(qū)動(dòng)功率無法與運(yùn)煤量達(dá)到平衡等問題越來越明顯，傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)的“雙端異步電機(jī)+減速器”驅(qū)動(dòng)方式存在響應(yīng)度慢、跟蹤性能差等問題[10-12]，嚴(yán)重制約了刮板輸送機(jī)智能化發(fā)展。所幸的是，永磁變頻技術(shù)近年來得到快速發(fā)展，永磁電機(jī)具備控制性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可靠性高等優(yōu)勢[13]，并且“永磁直驅(qū)”已逐步取代傳統(tǒng)“異步電機(jī)＋減速器”的成為刮板輸送機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)方式[14-15]。國內(nèi)外大量學(xué)者對刮板輸送機(jī)“永磁直驅(qū)-鏈輪傳動(dòng)”的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行大量研究，且研究對象以雙端驅(qū)動(dòng)為主，靳劍兵等[16-17]提出了一種永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)的偏差耦合控制方案，建立了永磁電機(jī)的矢量控制策略，保障了電機(jī)的功率平衡分配，路恩[18]提出了永磁直驅(qū)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬的跟蹤方法，設(shè)計(jì)了永磁直驅(qū)系統(tǒng)魯棒的無超調(diào)速度控制器，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能。朱海強(qiáng)[19]建立了永磁直驅(qū)電機(jī)功率平衡控制方程，分析了負(fù)載大小和分布、啟停時(shí)差對電機(jī)功率的影響，確定了影響刮板輸送機(jī)功率平衡PID 調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素。SWIDER 等[20]采用了調(diào)節(jié)電機(jī)電源電壓頻率的方法來控制刮板輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，調(diào)節(jié)頻率使機(jī)頭機(jī)尾兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，有效減少刮板機(jī)的摩擦損耗和故障頻率。

因此，推進(jìn)煤炭智能綠色開采技術(shù)創(chuàng)新，以智能化煤礦建設(shè)為核心，融合新一代信息技術(shù)，研發(fā)智能易控、高可靠性的煤機(jī)裝備已成為煤礦智能化建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。根據(jù)刮板輸送機(jī)重型長運(yùn)距的發(fā)展趨勢，借鑒高速鐵路動(dòng)車組的多動(dòng)力段驅(qū)動(dòng)、多輪卡車驅(qū)動(dòng)等優(yōu)勢，充分利用永磁直驅(qū)電機(jī)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度控制的優(yōu)勢，創(chuàng)新性地提出了刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)“驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)”輸送新模式[21]。

目前，國內(nèi)外并沒有多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)研究的先例，現(xiàn)有的研究成果大多是基于雙驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)進(jìn)行，研究成果多側(cè)重于刮板輸送機(jī)沖擊動(dòng)力學(xué)、鏈條動(dòng)張力監(jiān)測、以及煤巖耦合關(guān)系等，僅有部分研究涉及三驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)，其中，王新成[22]通過對刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡控制原理的分析，以變頻調(diào)速控制為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩對電機(jī)輸出功率的平衡控制；吳佳佳[23]研究了多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)基于負(fù)載的輸出轉(zhuǎn)矩控制；李小虎[24]通過高壓變頻器控制建立了多電機(jī)刮板輸送機(jī)的控制方案，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)重載軟啟動(dòng)控制。

雖然多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)作為理想構(gòu)型目前僅處于理論研究階段，但多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)作為一種常見的工業(yè)生產(chǎn)中的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，隨著電力傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用[25]，在帶式輸送機(jī)、高鐵動(dòng)車組、多輪驅(qū)動(dòng)卡車、機(jī)械手、工業(yè)生產(chǎn)線等許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[26-29]，已經(jīng)形成了系統(tǒng)的研究和體系。關(guān)于多電機(jī)的控制算法策略、雙驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)的智能感知識(shí)別等技術(shù)也具備一定的通用性和可借鑒性，在刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中同樣適用。

提出的刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過將永磁電機(jī)-控制器-鏈傳動(dòng)系統(tǒng)看為一個(gè)智能體單元，串聯(lián)多個(gè)智能體單元將刮板輸送機(jī)離散為多智能體系統(tǒng)，基于多永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)協(xié)同一體化調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)無負(fù)載段的功率降低輸出和節(jié)能運(yùn)行，智能化程度高，能夠逐步帶領(lǐng)刮板輸送機(jī)朝著節(jié)能低碳、智能可控的方向穩(wěn)步前進(jìn)。

1 刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)技術(shù)需求

1.1 刮板輸送機(jī)故障特點(diǎn)

我國煤礦工作面長度已經(jīng)由最初的200 m 延伸至300、450 m，預(yù)計(jì)未來會(huì)達(dá)到600 m 甚至更長。目前已建成的450 m 超長工作面有：陜煤集團(tuán)小保當(dāng)煤礦[30]（圖1）、神東哈拉溝煤礦[31]、山東能源濟(jì)寧二號(hào)煤礦[32]。隨著煤礦超長工作面的建設(shè)需求，智能化、長運(yùn)距成為了刮板輸送機(jī)的發(fā)展趨勢，但鏈條張力波動(dòng)大、電機(jī)故障率高等問題也逐漸放大，為刮板輸送機(jī)的研發(fā)帶來挑戰(zhàn)。

圖1 小保當(dāng)煤礦450 m 綜采成套裝備Fig.1 Xiaobaodang Coal Mine 450-meter fully mechanized mining complete equipment

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，刮板輸送機(jī)故障事故占工作面“三機(jī)”事故總數(shù)40%以上[33]，某礦工作面2017—2019 年刮板輸送機(jī)故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，見表1[34]，傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是刮板輸送機(jī)的主要故障點(diǎn)，占整機(jī)總故障81.6%，其中以鏈條、鏈輪、電機(jī)、減速器故障居多；再如2003—2015 年神東礦區(qū)刮板輸送機(jī)故障統(tǒng)計(jì)，見表2[35]，刮板鏈故障率占整機(jī)故障51%，以鏈條故障最高，其次，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整機(jī)故障25.7%，以電機(jī)故障最高，其中因動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障造成的停機(jī)最高達(dá)到19 h，嚴(yán)重影響工作面的生產(chǎn)效率。

表1 某礦2017—2019 年刮板輸送機(jī)故障統(tǒng)計(jì)Table 1 Failure statistics of scraper conveyor in a coal mine from 2017 to 2019

表2 神東礦區(qū)2003—2015 年刮板輸送機(jī)故障統(tǒng)計(jì)Table 2 Scraper conveyor failure statistics in Shendong Mining Area from 2003 to 2015

1.2 多驅(qū)動(dòng)輸送系統(tǒng)的科學(xué)意義

對于上述工程問題、以及長運(yùn)距造成鏈條非線性、強(qiáng)時(shí)變的力學(xué)特性[36]，提出了一種多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸送新模式，如圖2 和3 所示，通過研發(fā)多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)在保障物料連續(xù)輸送能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)鏈條張力動(dòng)態(tài)可控、驅(qū)動(dòng)功率智能調(diào)節(jié)、系統(tǒng)可故障自愈的目的。

圖2 刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸送模型示意Fig.2 Schematic of multi-permanent magnet motor series drive conveyor model of scraper conveyor

圖3 多點(diǎn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)輸送示意Fig.3 Transport diagram of multi-point series drive scraper conveyor

1.2.1 高精度、性能控制運(yùn)行

永磁變頻電機(jī)具備控制性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可靠性高等優(yōu)勢，而多永磁電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)具有高效、高功率因數(shù)和低能耗的特點(diǎn)，能夠在不同負(fù)載情況下提供更高的驅(qū)動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)均勻負(fù)載與輸送功率智能分配，保證刮板輸送機(jī)上的物料流速一致，基于最先進(jìn)的矢量控制方法、電機(jī)優(yōu)化控制策略，可以實(shí)現(xiàn)對多永磁電機(jī)的精確控制，包括電機(jī)的速度、扭矩和功率因數(shù)等，減少電機(jī)的額外負(fù)荷和能耗，從而最大限度地提高刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)效率和運(yùn)行性能，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能效，并且能夠適應(yīng)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)能源發(fā)展對能源利用效率的要求。

1.2.2 智能化與自動(dòng)化運(yùn)行

多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化管理，可極大提高生產(chǎn)效率、降低人工成本、以及減少人為誤操作?；诰旅旱V裝備智能感知技術(shù)、5G 通訊系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)信息管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的在線監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)診斷，結(jié)合井下常見工況環(huán)境與歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)和規(guī)則自主調(diào)整刮板輸送機(jī)的操作，引入AI 人工智能、深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)等算法，不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)新的生產(chǎn)條件和要求，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)過程。

1.2.3 系統(tǒng)集成和協(xié)同控制

將多個(gè)永磁變頻電機(jī)、傳感器和控制系統(tǒng)等組件集成，消除系統(tǒng)之間的重復(fù)工作，減少數(shù)據(jù)傳輸和處理的冗余，通過數(shù)據(jù)信息共享保障了信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)降低運(yùn)維管理成本。對于操作者，系統(tǒng)集成可以為決策制定提供更多的數(shù)據(jù)和洞察力，更快速地處理信息，加速?zèng)Q策制定和問題解決過程；此外融合控制技術(shù)、傳感監(jiān)測技術(shù)、通訊技術(shù)、機(jī)器視覺與識(shí)別、智能診斷與決策算法等功能相互交互，從而促進(jìn)新的發(fā)展和解決方案，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)高端裝備更高水平的自動(dòng)化運(yùn)行。

1.2.4 高可靠性與長壽命運(yùn)行

多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)應(yīng)具有高度可靠的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠在各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行，夠承受高負(fù)載、高頻振動(dòng)等惡劣條件，減少停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)中斷，提高生產(chǎn)效率。從電機(jī)選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略的調(diào)整、故障預(yù)測以及多機(jī)之間的修復(fù)等方面是保證刮板輸送機(jī)可靠性運(yùn)行的重要手段，并對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化和預(yù)測維護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度。

2 刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

雖然文章所提出的多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)與傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)存在結(jié)構(gòu)形式的差異，但任何一種輸送形式、電機(jī)控制策略等均存在一定的共性科學(xué)問題，對應(yīng)的技術(shù)也存在適用性和可借鑒性。而多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)的研發(fā)涵蓋了故障診斷與狀態(tài)識(shí)別技術(shù)、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“機(jī)-電”耦合動(dòng)力學(xué)特性、多電機(jī)同步運(yùn)行控制以及多智能體自適應(yīng)協(xié)同控制。

2.1 刮板輸送機(jī)故障診斷與狀態(tài)識(shí)別技術(shù)

故障診斷與狀態(tài)識(shí)別能夠有效實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、診斷和預(yù)測，準(zhǔn)確的故障診斷與識(shí)別能夠降低設(shè)備維修成本、延長使用壽命，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。隨著傳感監(jiān)測技術(shù)與通信傳輸技術(shù)發(fā)展，刮板輸送機(jī)故障診斷與狀態(tài)識(shí)別已由早期的人工識(shí)別與經(jīng)驗(yàn)判斷發(fā)展為機(jī)器識(shí)別[37-38]，通過振動(dòng)、電流、溫度、應(yīng)變、圖像、磁探傷等特征信號(hào)[39-41]，極大地提高了刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障識(shí)別精度，既降低人力成本又提高了檢測精度和裝備自動(dòng)化水平。

近年來，人工智能、深度學(xué)習(xí)使故障診斷技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，諸多學(xué)者針對刮板輸送機(jī)工作過程中出現(xiàn)的各類故障，運(yùn)用信息技術(shù)和傳感器技術(shù)，逐步建立了刮板輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷體系[42-45]，一些新型的監(jiān)測方法和診斷模型逐漸應(yīng)用到煤礦中，圖4 所示，如支持向量機(jī)的分類算法[46]、故障樹與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的不確定性模型[47]、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[48]、D-S 證據(jù)理論[49]、小波理論[50]等方法；并且傳感器也逐漸朝著高精度、小型化、集成化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。

圖4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多源信息故障診斷模型Fig.4 Multi-source information fault diagnosis model based on neural network

伴隨著仿真模擬的發(fā)展，有限元法、邊界元法、多體動(dòng)力學(xué)被應(yīng)用構(gòu)建刮板輸送機(jī)整體系統(tǒng)精細(xì)化動(dòng)力學(xué)模型[51]，通過模擬傳動(dòng)系統(tǒng)故障并分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，為刮板輸送機(jī)故障監(jiān)測識(shí)別提供了理論基礎(chǔ)。此外，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為刮板輸送機(jī)故障診斷的發(fā)展帶來新思路[52]。

總體而言，現(xiàn)代刮板輸送機(jī)故障診斷借助先進(jìn)的信息處理和通訊技術(shù)，具有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能化、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程診斷、數(shù)據(jù)共享和協(xié)同診斷等特點(diǎn)，已基本實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的故障診斷和狀態(tài)識(shí)別。

2.2 多電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)“機(jī)-電”耦合動(dòng)力學(xué)特性

串聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型考慮系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的相互作用、非線性效應(yīng)和時(shí)滯效應(yīng)，能夠準(zhǔn)確的描述、預(yù)測和評估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為、魯棒性和可靠性，指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制策略。

在多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方面，常用的方法是基于物理原理的數(shù)學(xué)建模和仿真建模的方法、以及拉格朗日法[53-55]（圖5），通過分析多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)和控制邏輯，采用狀態(tài)空間、傳遞函數(shù)等描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為并建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在動(dòng)力學(xué)特性研究方面，學(xué)者們大多關(guān)注多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)在不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通過模擬系統(tǒng)加速、減速、定速以及負(fù)載變化等工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，評估系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，并通過系統(tǒng)控制策略和參數(shù)調(diào)整能夠有效進(jìn)行負(fù)載分配和能效優(yōu)化、故障診斷與容錯(cuò)控制、系統(tǒng)優(yōu)化與性能改進(jìn)[56-57]。但對于復(fù)雜的多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)，大量的模型和物理參數(shù)既增加了建模困難度，又降低了模型求解效率。

圖5 全永磁驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)機(jī)-電耦合動(dòng)力學(xué)模型原理Fig.5 Principle of machine-electric coupling dynamic model of fully permanent magnet driven belt conveyor

近些年，計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)建模方法逐漸興起[58]，例如基于系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的方法，對系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，利用辨識(shí)算法估計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，常見的辨識(shí)方法包括最小二乘法、極大似然估計(jì)、粒子群算法、模型預(yù)測控制等[59-61]，同樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型經(jīng)常用于多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)建模[62]，通過捕捉多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)對多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為的建模和預(yù)測。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模方法具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)性，可以從實(shí)際系統(tǒng)中獲取模型參數(shù)，適用于復(fù)雜多電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的建模。

2.3 多永磁電機(jī)同步控制技術(shù)

多永磁電機(jī)同步控制技術(shù)是保障多電機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行的控制策略，在電動(dòng)汽車、交通列車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[63]。目前刮板輸送機(jī)僅限于雙驅(qū)動(dòng)永磁直驅(qū)式，相比傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，永磁直驅(qū)式刮板輸送機(jī)在能耗、控制性能方面都得到了明顯的改善，研究表明[64]永磁電機(jī)直驅(qū)具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度等特點(diǎn)，但鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的張力脈動(dòng)也會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)較大的脈動(dòng)，如圖6 所示滿載運(yùn)行下鏈條動(dòng)態(tài)特性變化，因此，優(yōu)化電機(jī)控制算法保證電機(jī)同步運(yùn)行控制顯得尤為重要。

圖6 刮板輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)鏈條動(dòng)態(tài)特性Fig.6 Chain dynamic characteristics of scraper conveyor permanent magnet direct drive system

多永磁電機(jī)同步控制主要關(guān)注多電機(jī)系統(tǒng)中各電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制策略[65]，包括功率分配、速度/轉(zhuǎn)矩控制、相位同步，通過建立的不同電機(jī)之間的數(shù)學(xué)模型、同步控制策略實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)的高效運(yùn)行[66-69]。由于在多永磁電機(jī)系統(tǒng)中，永磁電機(jī)之間的磁鏈不一定完全相等，包括電流調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、換相角調(diào)節(jié)等手段的磁鏈調(diào)節(jié)策略被提出，以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)系統(tǒng)中永磁電機(jī)之間的磁鏈均衡?？紤]到多永磁電機(jī)運(yùn)行中，電機(jī)故障對系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，發(fā)展多電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷成為重點(diǎn)[70-71]，包括故障檢測、故障定位、故障恢復(fù)等，以提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性?？刂扑惴ǖ倪x擇是實(shí)現(xiàn)多永磁電機(jī)同步控制的關(guān)鍵，一些學(xué)者深入研究了永磁電機(jī)的建模、磁場定向控制、諧波抑制控制和高性能控制策略等，尤其諧波抑制控制技術(shù)和高性能控制策略被廣泛研究，結(jié)合現(xiàn)代控制理論、人工智能技術(shù)，模型預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法被應(yīng)用到永磁電機(jī)的控制中[72-73]，致力于提高多電機(jī)系統(tǒng)的性能、效率和穩(wěn)定性。此外，數(shù)學(xué)與控制科學(xué)的發(fā)展，永磁電機(jī)同步控制也逐漸朝著交叉融合、多尺度控制的方向發(fā)展，考慮系統(tǒng)整體性能與可靠性，通信故障、外部干擾的精準(zhǔn)識(shí)別與處理成為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要內(nèi)容。

2.4 多智能體自適應(yīng)協(xié)同控制

將永磁電機(jī)、控制器及驅(qū)動(dòng)鏈輪看作智能體單元，串聯(lián)多個(gè)智能體單元就形成了一種典型的多智能體系統(tǒng)。多智能體自適應(yīng)協(xié)同控制是指通過對永磁電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)調(diào)整，使其能夠自適應(yīng)地應(yīng)對不同工況和負(fù)載條件下的運(yùn)行需求，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能和高效能耗的控制策略。

自適應(yīng)控制算法是多智能體自適應(yīng)協(xié)同控制的核心[74-75]，模型參考自適應(yīng)控制、自適應(yīng)輸出反饋控制[76]、自適應(yīng)在線辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)等技術(shù)被應(yīng)用于多電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別，通過調(diào)整控制參數(shù)提高系統(tǒng)的控制性能和適應(yīng)性。自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)控的關(guān)鍵，研究多永磁電機(jī)系統(tǒng)性能和負(fù)載需求，確定系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，包括功率分配策略、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制等，滿足多智能體系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行要求和最低能耗，主要的協(xié)同方法包括自適應(yīng)Actor-Critic 方法[77]、COMA 算法[78]、全局狀態(tài)信息[79]、半分布式多智能體學(xué)習(xí)方法[80]，負(fù)載在線辨識(shí)是多智能體自適應(yīng)調(diào)整的物理依據(jù)[81]，基于傳感監(jiān)測、信號(hào)處理、狀態(tài)識(shí)別預(yù)測負(fù)載類型與瞬態(tài)響應(yīng)，深入研究多智能體系統(tǒng)中的相互耦合關(guān)聯(lián)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[82-83]，提高多智能體之間的協(xié)同性是保障多智能體自適應(yīng)協(xié)同運(yùn)行的關(guān)鍵。

綜合來看，多智能體自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)和平行控制方法在研究領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展[84]?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^不斷深入的理論研究和實(shí)際應(yīng)用探索，取得了一系列成功案例。例如，王巖等[85]將人員智能體、設(shè)備智能體、巷道智能體及巷道環(huán)境智能體等集成，建立了掘進(jìn)工作面“人員-設(shè)備-巷道-環(huán)境”協(xié)同作業(yè)過程高度呈現(xiàn)的數(shù)字孿生體模型，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生體與物理系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面平行智能控制架構(gòu)(圖7)，提升了掘進(jìn)工作面“人員－設(shè)備－巷道－環(huán)境” 全要素控制能力。馬宏偉等[86]煤礦“掘快支慢”的難題，提出了鉆錨機(jī)器人多機(jī)械臂、多鉆機(jī)協(xié)作的快速支護(hù)方案（圖8），構(gòu)建了以工序時(shí)長最短為目標(biāo)的時(shí)間協(xié)同任務(wù)分配模型，有望實(shí)現(xiàn)鉆錨機(jī)器人多機(jī)械臂多鉆機(jī)系統(tǒng)的智能協(xié)同控制和并行作業(yè)。

圖7 掘進(jìn)工作面平行智能控制架構(gòu)Fig.7 Parallel intelligent control architecture for excavation working face

圖8 煤礦鉆錨機(jī)器人智能協(xié)同控制架構(gòu)Fig.8 Intelligent collaborative control architecture of coal mine anchor drilling robot

3 刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)尚處于理論階段，目前國內(nèi)并無相關(guān)的文獻(xiàn)研究以及產(chǎn)品，但對于多點(diǎn)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已有較為成熟的產(chǎn)品，例如帶式輸送機(jī)、高鐵動(dòng)車組等，部分研究成果與技術(shù)具有可借鑒性和復(fù)制性。因此，針對刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)面臨的諸多挑戰(zhàn)和技術(shù)難題，為加快刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)必須實(shí)現(xiàn)以下4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的集中突破（圖9）。

圖9 刮板輸送機(jī)多永磁電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)Fig.9 Key technologies of multi-permanent magnet motor series drive system for scraper conveyor

3.1 多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)新構(gòu)型設(shè)計(jì)

鏈傳動(dòng)系統(tǒng)作為刮板輸送機(jī)主要的故障結(jié)構(gòu)，其張力動(dòng)態(tài)特征是體現(xiàn)刮板輸送機(jī)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)，同時(shí)也是載荷分布的重要表征[87]，但張力特征與落煤時(shí)變載荷、結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等多個(gè)因素相關(guān)，因此，考慮煤礦工作面參數(shù)、載荷特征、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等條件建立多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)新構(gòu)型是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為此可借助虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)、物理模擬、數(shù)值分析以及實(shí)驗(yàn)測試等手段，通過模擬典型煤層特征下采煤機(jī)截割過程中的落煤過程，建立落煤沖擊激勵(lì)時(shí)空分布表達(dá)方程，分析載荷特征對刮板輸送機(jī)工作參數(shù)、驅(qū)動(dòng)形式的影響，基于散體物料極限平衡條件，分析刮板作用于物料的靜態(tài)力及刮板作用力的傳播區(qū)域，引入煤巖介質(zhì)物料參數(shù)與刮板鏈條動(dòng)張力不均勻程度系數(shù)，確定多級(jí)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板鏈極限節(jié)距范圍，建立不同驅(qū)動(dòng)間距下的多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)樣機(jī)模型，研究典型煤巖介質(zhì)輸送過程多驅(qū)動(dòng)之間刮板鏈張力變化與空間分布規(guī)律，分別探究單因素和復(fù)合因素作用下不同驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)順序、輸送形式（彎曲、平直、垂直）、鋪設(shè)傾角（側(cè)傾角、前后傾角）、刮板間距、鏈條直徑、驅(qū)動(dòng)電機(jī)間距、鏈條間距條件下每個(gè)智能體單元的鏈條動(dòng)張力變化規(guī)律，建立典型煤巖介質(zhì)輸送下刮板輸送機(jī)載荷譜的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

構(gòu)建多級(jí)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)概念性輸送系統(tǒng)基本框架模型，分析輸送系統(tǒng)在強(qiáng)落煤沖擊載荷和精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)需求，利用Environment-Based Design（EBD）設(shè)計(jì)方法，提取并識(shí)別輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的沖突關(guān)系，集成EBD 和TRIZ 設(shè)計(jì)理論沖突矩陣工具創(chuàng)建機(jī)電輸送系統(tǒng)新傳遞構(gòu)型原理解，結(jié)合輸送系統(tǒng)對原理解進(jìn)行具體化設(shè)計(jì)，得到輸送系統(tǒng)的整體性和規(guī)范性解決方案；同時(shí)為保障新構(gòu)型的可靠性，采用規(guī)范化的功能描述方式表述組件之間的相互作用關(guān)系，建立系統(tǒng)組件可靠度模型、組件相互獨(dú)立假設(shè)下系統(tǒng)串聯(lián)可靠度模型，最終形成建立智能體單元鏈條動(dòng)張力識(shí)別—輸送系統(tǒng)規(guī)范化解決方案—輸送系統(tǒng)可靠性匹配關(guān)系的設(shè)計(jì)體系。

3.2 多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)非線性機(jī)-電耦合動(dòng)力學(xué)建模

鏈-鏈及鏈-鏈輪接觸特性、鏈的多向變形耦合、剛?cè)峒皺C(jī)電耦合、摩擦力等會(huì)顯著影響刮板輸送機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，而多驅(qū)動(dòng)參數(shù)的引入導(dǎo)致鏈條的非線性和遲滯效應(yīng)增強(qiáng)，尤其在復(fù)雜工況下呈現(xiàn)不同的特征且相關(guān)因素間也會(huì)存在關(guān)聯(lián)耦合，因此建立多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)非線性機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型對于描述鏈傳動(dòng)系統(tǒng)非線性特征、載荷時(shí)空分布特性尤為重要。

為此，基于機(jī)械系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)理論、多物理場耦合廣義能量變分原理研究刮板輸送機(jī)非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，基于已建立的圓環(huán)鏈動(dòng)力學(xué)模型[88]（圖10），考慮鏈環(huán)之間“局部彈性-局部塑性-整體彈性”的變形模式，基于非線性粘彈性碰撞理論，采用如圖11 所示非線性分布式徑向彈簧模型模擬接觸部分彈塑性轉(zhuǎn)化特性，彈簧與變形位移的關(guān)系根據(jù)Hertz 接觸理論確定，針對刮板鏈往復(fù)（加卸載）運(yùn)動(dòng)變形特性的脈動(dòng)變化，通過試驗(yàn)和粘彈性碰撞理論確定刮板鏈阻尼參數(shù)，并利用分布式阻尼模型表征鏈條的遲滯特性，針對啟動(dòng)時(shí)靜動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)化誘發(fā)載荷突變，考慮輸煤載荷引起系統(tǒng)質(zhì)量變化、落煤沖擊時(shí)空分布，推導(dǎo)摩擦力等外載荷時(shí)空變化的外載激勵(lì)數(shù)學(xué)方程，研究不同速度、負(fù)載等工況下最大靜摩擦因數(shù)、摩擦載荷時(shí)變曲線特征，形成考慮彈塑性、往復(fù)變形模式轉(zhuǎn)化的刮板鏈非線性分布式彈簧-阻尼模型。

圖10 圓環(huán)鏈動(dòng)力學(xué)模型Fig.10 Circular chain dynamics model

圖11 刮板鏈變形模式轉(zhuǎn)化力學(xué)模型Fig.11 Scraper chain deformation mode transformation mechanical model

分析永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，確定電路系統(tǒng)能量構(gòu)成，主要包括輸入電能、控制電路、電機(jī)損耗及驅(qū)動(dòng)輸出能量，基于電磁轉(zhuǎn)化理論，構(gòu)建永磁電機(jī)傳遞函數(shù)，確定輸入驅(qū)動(dòng)參數(shù)與輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速、力矩的雙向耦合關(guān)系，建立電場與力場能量表達(dá)等效關(guān)系，通過做功Wr=Trθ（Tr為輸出轉(zhuǎn)矩，θ為角位移）表征永磁電機(jī)機(jī)電雙向輸入/輸出的物理信息，進(jìn)而獲得永磁電機(jī)機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)能量方程。

基于廣義能量變分方法，將鏈傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)能量分為動(dòng)能、勢能及外力做功[89]，主要表達(dá)如式（1）所示，其中，基于式（1）動(dòng)能定義，利用已建立的鏈條非線性彈簧阻尼模型、落煤誘導(dǎo)質(zhì)量參數(shù)時(shí)空分布模型推導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)能表達(dá)式，基于運(yùn)動(dòng)連續(xù)彈性體模型理論，引入圓環(huán)鏈剛體運(yùn)動(dòng)，構(gòu)建刮板鏈空間組合模型剛?cè)狁詈蠎?yīng)變-位移關(guān)系，根據(jù)式（2）彈性體內(nèi)部勢能定義（σ為應(yīng)力張量，ε為應(yīng)變張量），獲得系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿菽?；根?jù)式（3）彈簧彈性勢能定義，推導(dǎo)獲得鏈-鏈耦合界面勢能和阻尼耗散能量方程；引入已建立了外載激勵(lì)數(shù)學(xué)方程，獲得摩擦力、落煤沖擊等外部載荷做功表達(dá)式，根據(jù)作者提出的廣義變分原理，利用拉格朗日乘子法和最小二乘法，構(gòu)建各類邊界條件等界面的勢能表達(dá)式，可實(shí)現(xiàn)通過固支、簡支邊界條件、彈性邊界條件模擬卡鏈、裂紋等特殊工況，最終建立時(shí)變多源驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)總能量泛函方程。

其中：ρ為密度；d為位移矢量；σ為應(yīng)力張量；ε為應(yīng)變張量；k為各向彈簧單位面積剛度向量。

采用切比雪夫（Chebyshev）等正交多項(xiàng)式作為形函數(shù)展開鏈傳動(dòng)系統(tǒng)各向位移，根據(jù)物理場和空間位置有序排列驅(qū)動(dòng)參數(shù)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)向量（圖12），并據(jù)此組裝形成系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度、阻尼等系數(shù)矩陣，建立不同工況下多永磁電機(jī)（多源）驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型，利用Jacobi 線性化方法求得系統(tǒng)模態(tài)特性，基于模態(tài)疊加與Newmark 等有限差積分法，研究方程快速求解方法，計(jì)算系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

圖12 系數(shù)矩陣協(xié)調(diào)排列示意圖Fig.12 Coefficient matrix coordination arrangement diagram

3.3 多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)鏈條張力脈動(dòng)與主動(dòng)控制

張力脈動(dòng)及其鏈多向運(yùn)動(dòng)、電機(jī)電場等相互耦合是跳鏈、斷鏈、磨損及電路電涌等故障的重要誘因，包括鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)引起的固定周期特征，以及系統(tǒng)剛?cè)狁詈霞澳Σ亮Α⒙涿簺_擊外載荷等非線性突變因素引起的寬帶多線譜特征，具有寬時(shí)頻、空間不均勻性的特點(diǎn)，多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、可跟蹤調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，但同時(shí)也放大了張力脈動(dòng)對整機(jī)性能的影響，因此張力脈動(dòng)的主動(dòng)控制是保障整機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

針對上述問題，梳理產(chǎn)生張力脈動(dòng)的外激勵(lì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化誘發(fā)激勵(lì)等因素，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)控制輸入變量，將不同時(shí)空變化因素代入已建立的多永磁電機(jī)（多源）驅(qū)動(dòng)非線性機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型，研究不同工作狀態(tài)下刮板鏈變形轉(zhuǎn)化、摩擦力、落煤沖擊等外載荷特性變化對鏈傳動(dòng)系統(tǒng)張力脈動(dòng)時(shí)頻特性的影響規(guī)律，明確系統(tǒng)張力脈動(dòng)主要因素與其頻率特征，基于外部激勵(lì)和系統(tǒng)固有特性，揭示相關(guān)頻率峰值響應(yīng)機(jī)理，確定主要貢獻(xiàn)因素；基于已建立的圓環(huán)鏈子結(jié)構(gòu)模型，研究刮板鏈彈性變形、界面力學(xué)特征耦合轉(zhuǎn)化等對張力脈動(dòng)傳遞特性的影響規(guī)律，建立不同工況下張力脈動(dòng)傳遞時(shí)空圖譜。

設(shè)定各電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出分布比例，計(jì)算不同轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速下鏈輪旋轉(zhuǎn)周期激勵(lì)系統(tǒng)的張力脈動(dòng)幅頻特性、傳遞特性，研究驅(qū)動(dòng)力矩/轉(zhuǎn)速、不同位置電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩/轉(zhuǎn)速分配規(guī)律對鏈傳動(dòng)系統(tǒng)張力脈動(dòng)幅頻、傳遞特性的影響規(guī)律，基于機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)與輸出力學(xué)特性的對應(yīng)關(guān)系，明確各電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生張力脈動(dòng)的關(guān)系，結(jié)合張力脈動(dòng)傳遞時(shí)空圖譜，分析鏈傳動(dòng)系統(tǒng)張力脈動(dòng)誘發(fā)不同位置電機(jī)處速度、轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，基于機(jī)電耦合關(guān)系得到張力脈動(dòng)引起驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)電流等驅(qū)動(dòng)參數(shù)的脈動(dòng)特性，建立起張力脈動(dòng)與電機(jī)控制電路雙向耦合映射關(guān)系，即構(gòu)建起來了不同工況下張力脈動(dòng)與各電機(jī)協(xié)同特性的關(guān)系，為張力脈動(dòng)寬帶自適應(yīng)控制方法與多永磁電機(jī)協(xié)同控制方法的融合提供關(guān)系模型。

考慮多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)機(jī)電、剛?cè)狁詈系姆蔷€性動(dòng)力學(xué)問題，摩擦力、落煤沖擊等不確定參數(shù)等強(qiáng)干擾因素，傳統(tǒng)的PID 等控制方法及部分高階適應(yīng)性控制方法會(huì)產(chǎn)生顫振，無法實(shí)現(xiàn)張力脈動(dòng)的控制要求，提出利用干擾觀察器可有效提高控制系統(tǒng)的抗干擾性與控制精度的優(yōu)勢，采用強(qiáng)魯棒性非線性自適 應(yīng) 反步控制（Robust Nonlinear Adaptive Backstepping Controller）+干 擾觀測器（Disturbance Observer）的控制方式保證控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和快速響應(yīng)，根據(jù)前序研究，不同工況下選定相應(yīng)的控制頻段，以張力的均方誤差為目標(biāo)函數(shù)，引入干擾重構(gòu)自適應(yīng)控制方法與子帶濾波器加權(quán)方法，實(shí)現(xiàn)全頻段均衡控制，同時(shí)以張力脈動(dòng)響應(yīng)為控制誤差信號(hào)，基于已確定的張力脈動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，通過電機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)張力脈動(dòng)全頻段均衡控制。

3.4 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)主動(dòng)容錯(cuò)與自適應(yīng)協(xié)同控制

多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行中，（永磁電機(jī)）存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對電機(jī)故障突發(fā)工況，傳統(tǒng)雙驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)只能停機(jī)處理，而多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)可通過切換機(jī)制、功率補(bǔ)償、多電機(jī)之間的主動(dòng)容錯(cuò)控制可實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的故障自愈，如圖13 所示。因此建立智能體單元失效切換判定準(zhǔn)則、主動(dòng)容錯(cuò)控制策略，同時(shí)保障相鄰永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩同步協(xié)同運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)智能化運(yùn)行的關(guān)鍵。

圖13 多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)容錯(cuò)控制原理Fig.13 Fault-tolerant control principle of multi-drive scraper conveyor

首先通過布置振動(dòng)、電流、溫度等傳感器建立永磁電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能感知體系，分離異常的時(shí)頻域特征信號(hào)，采用降噪自動(dòng)編碼器和高斯伯努利受限玻爾茲曼機(jī)方法，構(gòu)建永磁電機(jī)故障診斷及失效預(yù)測模型，通過建立永磁電機(jī)執(zhí)行器多故障類型特征，構(gòu)建電機(jī)執(zhí)行器故障未知輸入觀測器，利用一階低通濾波器構(gòu)建傳感器故障診斷未知輸入增維觀測器，利用觀測器的觀測值和實(shí)際值形成的殘差信號(hào)，采用序貫概率比檢驗(yàn)方法，形成殘差分析評判準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生點(diǎn)的準(zhǔn)確分析判斷，利用故障診斷和預(yù)測、故障切斷準(zhǔn)則，保障刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中故障或失效的永磁電機(jī)執(zhí)行器快速隔離。

基于指數(shù)函數(shù)的平滑切換方法，在任意永磁電機(jī)故障基礎(chǔ)上，將前一個(gè)故障或失效的電機(jī)執(zhí)行器的控制量平滑切換至下一個(gè)（相鄰的）正常工作的電機(jī)執(zhí)行器上，使得多永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率輸出與控制策略再分配，形成硬件冗余容錯(cuò)控制，實(shí)現(xiàn)多永磁電機(jī)執(zhí)行器故障或失效控制再分配。

分析永磁電機(jī)的軟化系數(shù)，構(gòu)建電機(jī)軟化速度軌跡，分析多永磁電機(jī)在啟動(dòng)過程中同步誤差及電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間差異性，建立速度跟蹤誤差模糊規(guī)則表，確定改變各電機(jī)軟化系數(shù)的控制器工作模式，以確保減少多永磁電機(jī)在啟動(dòng)過程中同步誤差及電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間差異性；利用模糊自調(diào)整過濾器和新型同步補(bǔ)償器，研究基于改進(jìn)交叉耦合的多永磁同步電機(jī)速度同步控制方法，保障多永磁同步電機(jī)的速度同步性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

融合鏈條張力脈動(dòng)非線性動(dòng)力學(xué)模型與煤流監(jiān)測系統(tǒng)，建立刮板輸送機(jī)運(yùn)行負(fù)載在線辨識(shí)模型，基于電機(jī)輸出參數(shù)與驅(qū)動(dòng)參數(shù)的映射關(guān)系，保障永磁電機(jī)定子電阻和電感的在線識(shí)別，確定自適應(yīng)控制率的設(shè)計(jì)依據(jù)，基于永磁電機(jī)狀態(tài)空間模型，構(gòu)建不連續(xù)沖擊載荷干擾觀測器，在線估計(jì)及補(bǔ)償沖擊載荷干擾，研究單智能體電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩在線補(bǔ)償?shù)目箾_擊魯棒控制方法，探索相鄰永磁電機(jī)的速度同步與轉(zhuǎn)矩同步逼近方法，構(gòu)建轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制平滑切換機(jī)制，形成刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速協(xié)同與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)混合控制機(jī)制，設(shè)計(jì)集成網(wǎng)絡(luò)通訊、多通道數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與采集的實(shí)時(shí)控制器，保障不同工況下多智能體的控制穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

4 結(jié) 論

1）多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)新構(gòu)型設(shè)計(jì)。模型構(gòu)建是多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)，從刮板輸送機(jī)的主要故障結(jié)構(gòu)著手，以鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的張力特征為指標(biāo)，分析張力特征與落煤時(shí)變載荷、刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)條件參數(shù)等多個(gè)因素的相互耦合作用，考慮煤礦工作面參數(shù)、載荷特征、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等條件建立多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)新結(jié)構(gòu)模型。

2）多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)非線性機(jī)-電耦合動(dòng)力學(xué)建模。鏈-鏈及鏈-鏈輪接觸特性、鏈的多向變形耦合、剛?cè)峒皺C(jī)電耦合、摩擦力等會(huì)顯著影響刮板輸送機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，而多驅(qū)動(dòng)參數(shù)的引入導(dǎo)致鏈條的非線性和遲滯效應(yīng)增強(qiáng)，準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型能夠描述鏈傳動(dòng)系統(tǒng)非線性特征、載荷時(shí)空分布特性，明確各部件及各因素對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的貢獻(xiàn)，為多電機(jī)的自適應(yīng)調(diào)控和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

3）多驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)鏈條張力脈動(dòng)與主動(dòng)控制。張力脈動(dòng)及其與鏈條多向運(yùn)動(dòng)、電機(jī)電場等相互耦合是跳鏈、磨損加劇、斷鏈及電路電涌等故障的重要誘因，研究刮板鏈彈性變形、界面力學(xué)特征耦合轉(zhuǎn)化等對張力脈動(dòng)傳遞特性的影響規(guī)律，建立張力脈動(dòng)傳遞時(shí)空圖譜，形成基于多永磁電機(jī)自適應(yīng)協(xié)同的張力脈動(dòng)主動(dòng)控制新方法，可有效抑制系統(tǒng)張力、電路脈動(dòng)，提高裝備可靠性。

4）串聯(lián)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)主動(dòng)容錯(cuò)與自適應(yīng)協(xié)同控制。應(yīng)對智能體單元故障、失效等突發(fā)工況，研究永磁電機(jī)單一故障和復(fù)合多點(diǎn)故障的準(zhǔn)確識(shí)別問題，明確永磁電機(jī)的切換準(zhǔn)則，建立多永磁電機(jī)的容錯(cuò)分配控制策略，提出相鄰智能體單元的速度同步與轉(zhuǎn)矩同步逼近方法，構(gòu)建轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制平滑切換機(jī)制，形成刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速協(xié)同與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)混合控制。保證多工況下多智能體驅(qū)動(dòng)重載刮板輸送機(jī)強(qiáng)制穩(wěn)定運(yùn)行。