1引言
社会经济快速发展，工业化进程日益加快。在大量多种物料的运输需求下，带式输送机[1]应运而生，并凭借输送物料类型不受限、装卸灵活、安全平稳、成本低等诸多优势，广泛应用于建材业、冶金业、煤炭业等重要行业中。科技迅猛发展，输送机技术不断升级，智能化、数字化、自动化输送设备层出不穷，给工业生产带来了极大便利，但此类高新设备也使应用企业面临着不可忽视的高能耗问题，尤其是输送过程呈显著不均衡性的煤炭业最为明显。散状煤料的运输量无法固定，当输送带上没有物料或煤量过小时，会形成空载或轻载现象[2-3]，若不及时调整运输速度，将耗费大量电能，增加生产成本。
煤炭行业规模不断壮大，在“碳达峰，碳中和”的“双碳”战略目标[4]提出后，煤炭产业向绿色低碳方向转型，构建绿色低碳循环新格局的重要性越来越明显。因此，为加快煤炭产业转型升级与绿色低碳发展，深入贯彻“双碳”战略目标，本文面向煤矿用的智能带式输送机，研究出一种自适应节能控制技术，通过采取以下措施，有效协调了经济发展水平与能源消耗问题，打造出清洁型、节约型的煤炭产业：根据输送机受力情况，分析输送带运行速度、煤料输送量及电机功率间的关系，建立耗能有效的约束条件，确保所消耗的能源以最大程度发挥作用；将输送机整个工作周期中所产生的采样估计时延上限作为电机功率的分配界限，提升控制可靠度；结合模糊控制理论与变结构控制技术，赋予并加强节能控制技术的自适应性。
2时延有界的煤矿智能带式输送机自适应节能控制技术
2.1煤矿智能带式输送机有效耗能分析
探究皮带运行速度、煤料输送量及电机功率间关联，发现输送机有效的耗能条件，给自适应节能控制技术研究提供理论依据。已知输送机倾斜角度为
，皮带长度为
，单位长度质量为
，承载托辊、回程托辊、煤料的单位长度质量分别是
、
、
，正常输送煤料时产生的摩擦阻力系数与重力加速度分别是
、
，则由下式解得基本阻力
：
（1）
输送机在输送状态下的运行阻力类型除基本阻力
外，还有附加阻力
、倾斜阻力
、特殊阻力
，故结合上式推导出下列驱动滚筒克服四种运行阻力时所需的牵引力
计算公式：
（2）
假设皮带运行速度是
，煤料输送量是
，输送机的提升高度是
，则利用下式求解出设备电机的驱动功率
：
（3）
根据上式可知，皮带运行速度
、煤料输送量
及电机功率
之间存在显著的正相关性。若皮带允许的煤料最大线密度为
，则恒定输送量
与速度
的关系如下：
（4）
由此推导出下列保证输送机耗能有效的约束条件：
（5）
其中，
指代皮带最小运行速度；
指代煤料最少输送量。
2.2基于时延上界的功率分配
值对控制结果影响较大，设定输送机整个工作周期中所产生的采样估计时延上限是
，作为电机功率的分配界限，使能耗具备有界性，确保控制可靠且有效。按照以下流程架构功率分配模型：
（1）将耗能有效条件下的皮带运行速度划分为
个区段，假设区段允许的最小功率是
，最大功率是
，控制最多次数是
，则通过下列下取整公式，解得该区段的采样估计时延
：
（6）
（2）令下列不等式条件成立，即各区段时延总和不超出时延上限
：
（7）
其中，
指代第
个速度区段的采样估计时延。
（2）结合式（3），构建出下列公式界定的功率分配模型：
（8）
该式内，
、
分别指代输送机的机械损耗功率系数与电机损耗功率系数；
、
分别指代区段
的煤料输送量与皮带运行速度。
2.3自适应节能控制
基于输送机能耗有效条件与时延上界功率分配模型，在模糊控制理论[5]中融入变结构控制技术[6]，完成自适应节能控制，为煤炭产业实现绿色低碳发展提供技术支撑。所提自适应节能控制技术的具体实现步骤描述如下：
（1）对比皮带运行速度
与传感器采集速度
，所得偏差
和变化率
即控制依据；
（2）设定偏差是
，变化率是
，输出功率是
，三者量化论域是-6到6的整数集合，对应基本论域分别为
、
、
，模糊集合由负大、负中、负小、零、正小、正中、正大模糊预言集组成，集合表达形式为
，比例因子为
、
、
，明确隶属度函数的赋值情况。根据隶属度函数，模糊化处理传感器采集数据的偏差与变化率，将其中一项参数转化为模糊语言的隶属度向量，得到模糊变量。通常当偏差相对较大时，隶属度函数值从较低分辨率中选取，反之，当偏差相对较小时，则取从较高分辨率中确定隶属度函数，确保控制过程的持续稳定；
（3）根据约束条件式（5），利用if-then模糊语句[7]建立呈“或”关系的模糊控制规则，矩阵表达式如下所示：
（9）
（4）根据构建的模糊控制规则，经模糊推理[8]，取得模糊推理结果；
（5）清晰化处理模糊控制量，得到可用于变结构控制技术的去模糊化控制量；
（6）采用变结构控制技术，结合估计时延，构建出下式所示的自适应控制律
，作为自适应控制依据：
（10）
上式里，
、
各指代自适应控制的速度可调正增益与负增益；
表示时延
对应的控制滑模面；
表示滑模控制的切换增益[9]；
表示切换增益导数值。其中，导数
的取值情况划分自适应控制律为两种情况：当导数值不小于0时，切换增益
呈单调递增状态，直至速度可调正增益
达到正可调参数
的最大值时停止，且滑动变量与滑模面之间的距离越大，导数值越大；当导数值小于0时，切换增益
变为反比例函数形式，且导数值随滑动变量与滑模面间距的增加而减小。
（7）将下列不等式方程组作为保证控制律稳定性的约束条件：
（11）
该式内，
表示控制增益；
指代时延有界的滑动变量。
3自适应节能控制技术对煤炭绿色低碳发展的作用分析
3.1基于煤炭绿色低碳发展的技术效用评价体系构建
选取某市一座工作过程呈自动化、智能化、数字化的大型煤矿，在不影响企业正常运转的前提下，运行自适应节能控制技术。针对该煤矿开采概况与PD-1000型号智能带式输送机的使用工况，结合当前“碳达峰，碳中和”的“双碳”战略发展目标，建立出控制技术在低碳发展中的效用评价体系（如表1所示），探究该项技术是否对目标产业的转型升级与绿色低碳发展存在推动作用。其中，各指标的权重值通过熵权-层次分析法[10]确定；一级指标中，输送机能耗的评估指数值随耗能程度的减小而变大，煤炭利用的评估指数值则与煤料使用程度呈正相关。
表1 基于煤炭绿色低碳发展的控制技术效用评价体系
3.2对煤炭绿色低碳发展的效用分析
3.2.1综合效用评估
图1所示为节能控制技术应用前后的综合效用指数变化情况。由此可见：研究区域在运行控制技术初期就展示出了显著成效，绿色低碳发展水平持续走高，在短期内达到较高数值后便进入平稳状态，并始终保持在高水平范围里。这说明，本文根据探究皮带运行速度、煤料输送量及电机功率间关联，联立出的输送机有效耗能条件，给自适应节能控制奠定了可靠的理论依据，设立的电机功率采样估计时延上限，较好地赋予了能耗有界性，确保控制有效，通过融合模糊控制理论与变结构控制策略，使控制技术具有较强的自适应性，能够推动煤矿向节能型、环保型方向发展，为煤炭产业实现升级转型提供强有力的助动作用。
图1 节能控制技术综合效用指数示意图
3.2.2一级指标效用评估
为深入分析智能带式输送机能耗与煤炭利用两个方面在推动煤炭产业绿色低碳发展中所作的贡献，对比节能控制技术应用前后两指标的数值，如图2所示。由此可以看出：应用后初期，设备能耗指数值增幅较大，后期逐渐趋于平稳，而煤炭利用指数值则在后期才出现大幅度增长，前期虽然整体呈现出上升趋势，但增幅较小，成效欠佳。该结论表明，尽管本文没有在应用初期就对煤料表现出良好的成效，但依旧凭借模糊控制理论与变结构控制技术的融合优势，通过持续、稳定的自适应控制，在不同阶段对不同对象发挥出了有效的控制作用，可行性优势显著。
（a）输送机能耗
（b）煤炭利用
图2 节能控制技术一级指标效用评估示意图
3.2.3二级指标效用评估
进一步探索二级各项指标在该矿区达成绿色低碳发展目标过程中起到的作用，为煤炭产业向节能型、环保型方向升级转型给出指导性建议。关于节能控制技术应用前后输送机电能与配件两指标的损耗数据变化情况，如图3所示。根据图3（a）中电能损耗量的前后变化可以看出，应用前输送机的月均耗电量为33.49万千瓦时，应用后为20.53万千瓦时，耗电量大幅下降，月最大降幅高达14.62万千瓦时；通过对比图3（b）中同期的配件损耗费用可以看出，应用前耗材月均成本高达1.33万元，且波动较大，应用后耗材费用极大程度减少并呈逐月下降趋势，月均费用仅需0.546万元，降幅超过一半。
（a）电能损耗量
（b）配件损耗费用
图3 输送机能耗控制效果评估示意图
关于技术应用前后的煤炭利用情况，如图4所示。根据原煤入洗量与煤矸石用量的对比结果可以看出：每个月入洗量均值由5.82万吨大幅提升至12.13万吨，月均使用量从8.14万吨增长至16.35万吨，涨幅都超过了二倍，发展趋势较好。
（a）原煤入洗量
（b）煤矸石用量
图4 煤炭利用情况评估示意图
综上所述，本文以皮带运行速度、煤料输送量及电机功率之间的相关性为控制依据，结合整个工作周期中所产生的采样估计时延上限，利用基于模糊控制理论与变结构控制技术的节能控制方法，自适应地控制了煤料输送设备的电机功率，使输送机大部分能耗均产生积极作用，极大程度降低了轻载或空载运行等无效耗能现象的发生概率，既避免浪费电能，也防止加剧配件磨损，减小了煤炭产业成本，有效实现低碳运行，同时，最大化煤炭输送效率与利用率，提高产量与用量，增加企业经济效益，进一步促进煤炭产业达成绿色低碳的可持续发展目标。
4结论
国民高品质生活与工业快速发展不断提升煤炭需求，推动煤炭行业进步。随着绿色发展与低碳经济战略目标的提出，能耗问题的关注度与日俱增。煤矿用的智能带式输送机是煤炭运输的关键设备，能源消耗量在整个产业成本中占比较大，作为最具潜力的节能设备，对促进企业绿色低碳发展起着至关重要的作用。煤炭开采、生产过程存在显著的不均衡特征，输送机匀速的轻载或空载运行状态会降低电机效率，增加能耗，故设计一种煤矿智能带式输送机自适应节能控制技术，以期取得良好的节能降耗效果，为深入贯彻“双碳”目标要求、实现煤炭产业绿色转型提供可靠的技术手段。
未来将从以下几个方面完善研究成果，拓展技术的发展前景与应用领域：深层剖析输送机结构与电机变频设备，探究技术对不同组件的适用性；将技术应用于多个煤炭产业中，探究技术对不同企业的实践性。煤炭产业实现绿色低碳发展除技术支持外，还需结合政策建议，比如：利用媒体、社会机构等组织，树立全民低碳理念；制定绿色低碳发展的总体规划；建立地方性环保法规、税收优惠、资金保障条例等政策保障体系与创新管理机制等，通过技术与政策双管齐下、协同演进，快速优化产业结构，建设出煤炭产业战略性的可持续发展路径。
参考文献
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