一種懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法與流程

本發明涉及一種懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法，屬于煤礦綜掘設備自主導控領域。

背景技術：

懸臂式掘進機是實現煤礦巷道掘進工作的核心設備。在傳統的地下巷道掘進過程中，大部分掘進機為本機人工操作控制，掘進機操作人員只憑人工觀察和操作經驗來調節截割臂擺速，操作穩定性低，調節誤差大，工作效率低，且存在安全隱患，大大增加了礦井工作人員的工作強度及工作危險性。機器人化掘進機遠程智能控制能夠實現綜掘工作面少人化或無人化，使掘進工作安全、高效。掘進機截割過程中，由于煤巖硬度變化，恒速擺動的驅動油缸會導致截割部負載不穩定，截割電機輸出功率不穩定，易使截割電機和驅動油缸過載，導致掘進機結構件和電氣件損壞，或易使掘進機截割部長時間處于較低的工作效率。

公開號為“zl200520090353.1”專利名稱為“掘進機截割智能控制系統”，該專利試圖利用電流互感器檢測截割電流，并以此為判斷依據，當截割電流變大時，控制電磁閥從而降低截割臂擺速。

公開號為“cn205078272u”專利名稱為“一種掘進機截割臂自動調速系統”。該專利試圖利用電流傳感器檢測截割電機電流，并以此為判斷依據，當截割電流變大時，控制電液比例閥調整流量，從而降低截割臂擺速，起到對結構件和電氣件的保護作用。

上述2種方法有許多共同之處，即檢測截割電流作為判據來控制液壓閥，且當截割電機負載過大時進行截割臂擺速調節。但這2種方法都存在很多局限性：

(1)實行截割臂擺速控制的判據太單一，只能粗略地判定截割臂負載情況，且不具備人機交互功能。

(2)無法直接表明或反映截割臂擺速大小，且控制過程較簡單，不能保證截割臂擺速控制精度，控制效果不能達到最佳。

(3)只考慮截割臂負載過大導致悶車或結構件、電氣件損壞的情況，未考慮截割臂負載過小導致截割效率低下，掘進機驅動冗余的情況，智能化程度不能達到最佳。

技術實現要素：

技術問題：本發明的主要目的在于，針對目前煤礦巷道綜掘工作面實際情況及掘進機截割過程中截割臂擺速調節方法的種種缺陷，提出一種掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法，主要包括截割臂擺速自適應控制硬件系統設計，截割臂擺速自適應控制策略，截割臂擺速自適應控制方法。旨在實現掘進機截割臂擺速調節智能化，掘進機截割過程機器人化，綜掘工作面少人化或無人化。

技術方案：本發明的目的是這樣實現的：該系統包括：傳感與檢測系統，檢測截割部系統工作參數并實時傳輸到掘進機機載主控系統；掘進機機載主控系統，處理來自傳感與檢測系統的信號，產生并傳輸控制信號；系統執行機構，執行來自機載主控系統的控制信號，進行相應的動作。

所述的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統，其特征是：所述的掘進機機載主控系統包括可編程計算機控制器、智能工控面板、比例放大電路板；其中，可編程計算機控制器與比例放大電路板封裝在掘進機電控箱內，可編程計算機控制器與智能工控面板通過通訊接口相連接，并實現實時雙向通信；可編程計算機控制器須具備占用空間小、易于拔插、具有電接觸的軟件監控等特點，智能工控面板表面的工業防護等級至少為ip65，在劇烈振動中能夠安全可靠運行，面板操作模式為觸摸屏式，存儲容量可擴展。

所述的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統，其特征是：所述的傳感與檢測系統包括2個油缸位移傳感器，分別安裝在回轉驅動油缸內部和升降驅動油缸內部；2個油缸壓力傳感器，分別檢測回轉驅動油缸壓力與升降驅動油缸壓力，在兩個油缸的出油口與平衡閥之間、進油口與平衡閥之間共布置4個測點；3個電流變送器，分別檢測截割電機的三項電流，并轉換成電壓信號連續輸送到計算機取平均值與額定電流進行比較；2個振動加速度傳感器，采集靠近截割頭位置的不同方向的截割臂振動信號；所有的傳感與檢測裝置均為礦用防爆或本質安全型設備，所有的傳感與檢測裝置均通過接口電路或放大電路與機載主控系統中的可編程計算機控制器相連接，并實現實時通信。

所述的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統，其特征是：所述的執行機構包括2組電液比例方向閥，具體為負載敏感式比例多路換向閥，安裝在掘進機操作箱內；截割臂擺動機構；截割電機。

所述的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制方法，其特征是：

(1)掘進機截割臂以常態下默認擺速進行截割，傳感與檢測系統檢測相應的截割部系統工作參數，將信號實時傳輸到機載主控系統進行處理，并以實時更新的數據的方式在智能工控面板上顯示。

(2)油缸位移傳感器測得的油缸位移數據傳輸到可編程計算機控制器中，根據油缸位移數據計算出截割頭的空間位置及截割臂擺速；上述計算結果最終在智能工控面板上以實時更新的數據和圖像的方式顯示。

(3)當煤巖硬度發生變化時，截割頭載荷也會相應地發生變化。根據截割臂擺速、截割電流和煤巖硬度之間的數學關系，截割電流會以正相關關系相應地發生變化；根據截割頭載荷與驅動油缸壓力之間的數學關系，驅動油缸壓力會以正相關關系相應地發生變化；根據相關研究，靠近截割頭處的截割臂振動加速度會以正相關關系相應地發生變化。構建數據融合策略，將截割電流，驅動油缸壓力和截割臂振動加速度三個變量進行數據融合得到一個最優權值，作為煤巖硬度變化判定的判據；將額定截割電流，驅動油缸額定工作壓力和截割臂振動加速度經驗值進行數據融合得到上述最優權值的標定值。

(4)采用pid控制方法，將最優權值與其標定值進行比較，控制負載敏感式比例多路換向閥進行動作，通過改變油液流量來改變驅動油缸位移變化率，調節截割臂擺速。一次控制指令執行完成后，將更新后的最優權值與其標定值進行比較，若偏差在設定標準范圍內，截割臂以此時的擺速進行截割；若偏差超出設定標準范圍，則繼續循環上述控制過程，直至偏差減小到設定標準范圍內，截割臂以此時的擺速進行截割。

(5)無論掘進機截割臂是水平擺動截割還是垂直擺動截割，截割臂擺速控制方法與過程均為上述控制方法與過程，截割臂擺速始終與煤巖硬度相適應，從而實現掘進機截割臂擺速自適應控制，使掘進機始終以最高效率進行截割工作。

本發明懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法與現有截割臂擺速調節方法對比，具有明顯的優點與有益效果。借由上述技術方案，本發明提供的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法可達到相當的技術進步性及實用性，并具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有下列優點：

(1)本發明利用其傳感與檢測系統，能夠準確判斷出掘進機截割過程中截割臂負載情況，并能夠根據傳感器檢測到的數據，準確計算出截割頭的空間位置及截割臂擺速。

(2)本發明利用其機載主控系統，不僅能實現截割臂擺速調節自動化與智能化，而且能實現人機交互功能，方便技術人員在必要的時候進行人工控制掘進機。

(3)本發明懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制方法，通過多參數數據融合控制策略與反饋循環控制過程，能夠保證掘進機截割臂擺速控制的高精度與高效率。

(4)本發明懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法，不僅能夠實現截割過程中截割臂負載過大時的截割臂擺速降速控制，實現對掘進機結構件及電氣件的保護作用，而且能實現截割臂負載過小時的截割臂擺速升速控制，保證截割電機及驅動油缸的滿負載恒功率輸出，使掘進機始終以最高效率進行截割。

綜上所述，本發明懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法，可實現掘進過程中掘進機截割臂擺速調節的完全自動化，為掘進機自主導控的實現鋪平道路，大大減輕了掘進機操控人員的工作強度及工作壓力，甚至將掘進機操控人員從巷道掘進工作的危險中解放出來。該系統適用于煤巖硬度變化較大的綜掘工作面，對于現今同行業的技術人員來說均具有許多可取之處，而確實具有創新性與技術進步性。不僅具有很高的經濟價值，而且具有很好的社會價值。

如上所述是本發明的基本構思。但是，在本發明的技術領域內，只要具備最基本的知識，可以對本發明的其他可操作的實施例進行改進。在本發明中對實質性技術方案提出了專利保護請求，其保護范圍應包括具有上述技術特點的一切變化方式。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。

附圖說明

圖中：

圖1是本發明結構組成示意圖

圖2是本發明系統圖

圖3是機載主控系統安裝位置圖

圖4是各傳感與檢測裝置安裝位置圖

圖5是截割臂截割過程機構二維簡圖

圖6是截割臂擺速控制方案圖

1：機載主控系統2：傳感與檢測系統

3：執行機構4：智能工控面板

5：可編程計算機控制器6：比例放大電路板

7：電流變送器8：電流變送器

9：電流變送器10：油缸位移傳感器

11：油缸位移傳感器12：油缸壓力傳感器

13：油缸壓力傳感器14：振動加速度傳感器

15：振動加速度傳感器

16：負載敏感式比例多路換向閥

17：負載敏感式比例多路換向閥

18：回轉驅動油缸19：升降驅動油缸

20：掘進機電控箱21：掘進機操作箱

22：截割電機

具體實施方式

為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及其方法的具體實施方式、結構、特征及其功效，詳細說明如后。

有關本發明的前述及其他技術內容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中將可清楚呈現。通過具體實施方式的說明，當可對本發明為達成預定目的所采取的技術手段及功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，并非用來對本發明加以限制。

本發明較佳實施例的懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及其方法，如圖2所示，由機載主控系統1、傳感與檢測系統2、系統執行機構3組成；其中，機載主控系統包括智能工控面板4、可編程計算機控制器5、比例放大電路板6；傳感與檢測系統包括電流變送器(7、8、9)、油缸位移傳感器(10、11)、油缸壓力傳感器(12、13)、振動加速度傳感器(14、15)；系統執行機構包括負載敏感式比例多路換向閥(16、17)、回轉驅動油缸18、升降驅動油缸19。

如圖3所示，智能工控面板4安裝在掘進機操作部，方便進行人機交互，可編程計算機控制器5與比例放大電路板6封裝在掘進機電控箱20內，負載敏感式比例多路換向閥(16、17)安裝在掘進機操作箱21內；可編程計算機控制器5與智能工控面板4可實現實時雙向通信，負載敏感式比例多路換向閥(16、17)與比例放大電路板6通過接口電路連接。

如圖4(a)所示，油缸位移傳感器10安裝在回轉驅動油缸18內部，油缸壓力傳感器12安裝在回轉驅動油缸18缸筒外部，在進油口與平衡閥之間、出油口與平衡閥之間布置2個測點；如圖4(b)所示，油缸位移傳感器11安裝在升降驅動油缸19內部，油缸壓力傳感器13安裝在升降驅動油缸19缸筒外部，在進油口與平衡閥之間、出油口與平衡閥之間布置2個測點；如圖4(c)所示，電流變送器(7、8、9)安裝在截割電機22上，振動加速度傳感器14安裝在靠近截割頭處截割臂左側平面上，振動加速度傳感器15安裝在靠近截割頭處截割臂下側平面上；上述所有傳感器均可與可編程計算機控制器5實現實時通信。

如圖5(a)所示，當掘進機截割臂垂直并切進設計好的巷道斷面時，以此時的截割頭端部頂點與煤壁接觸點o為原點，建立平面直角坐標系，掘進機在一個巷道斷面截割周期中，截割頭在坐標系xoy內做平面運動，截割頭的空間位置可用截割頭端部頂點坐標o’(x，y)來表示。

如圖5(b)所示，回轉臺回轉中心為o；右側油缸桿與回轉臺鉸接點為a，油缸筒與本體架鉸接點為b；左側油缸筒與本體架鉸接點為c，油缸桿與回轉臺鉸接點為d。當截割臂垂直于設計好的巷道斷面時，回轉驅動油缸長度為l1，回轉臺回轉中心到油缸筒與本體架鉸接點的距離為ob＝oc＝l2，回轉臺回轉半徑oa＝od＝r，回轉臺回轉中心到截割頭端部頂點的距離oo’＝lx。假設截割過程中，油缸位移傳感器10檢測回轉驅動油缸的位移為l1，截割臂水平擺角為γ，此時，油缸桿與回轉臺鉸接點為d’。

如圖5(c)所示，截割臂與回轉臺鉸接點為o’，油缸筒與回轉臺鉸接點為e，油缸桿與截割臂鉸接點為f；當截割臂垂直于設計好的巷道斷面時，升降驅動油缸長度為ef＝l3，截割臂與回轉臺鉸接點到油缸筒與回轉臺鉸接點距離為o’e＝l4，截割臂與回轉臺鉸接點到油缸桿與截割臂鉸接點距離為o’f＝l5，截割臂與回轉臺鉸接點到截割頭端部頂點的距離o’o’＝ly；假設截割過程中，油缸位移傳感器11檢測升降驅動油缸的位移為l2，截割臂垂直傾角為λ，此時，油缸桿與截割臂鉸接點在豎直平面上的投影為f’。

圖5(b)與圖5(c)中各角度為：

截割頭在坐標系xoy內的橫坐標為：

截割頭在坐標系xoy內的縱坐標為：

綜上，截割頭在坐標系xoy內的坐標為：

油缸位移傳感器(10，11)的采樣周期為δt，在一個采樣周期內，回轉驅動油缸18位移為δl1，升降驅動油缸19位移為δl2，截割臂水平擺角為δγ，垂直傾角為δλ，則截割臂水平擺動的角速度為：

截割臂垂直擺動的角速度為：

截割頭的空間位置信息及截割臂擺速信息以實時更新的數據與圖像的方式在智能工控面板上顯示。

截割電機的額定電流為i0，對電流變送器(7、8、9)測得的截割電機三相電流求均值，即為截割電流為i；回轉驅動油缸的額定工作壓力為p01，油缸壓力傳感器12測得的油缸壓力為p1；升降驅動油缸的額定工作壓力為p02，油缸壓力傳感器13測得的油缸壓力為p2；振動加速度傳感器14測得的截割臂振動加速度為acc1，經驗值為acc01；振動加速度傳感器15測得的截割臂振動加速度為acc2，經驗值為acc02。

構建數據融合策略，對i，p1，acc1進行數據融合，得到最優權值w1(i，p1，acc1)；對i，p2，acc2進行數據融合，得到最優權值w2(i，p2，acc2)；對i0，p01，acc01進行數據融合，得到最優權值標定值w01(i0，p01，acc01)；對i0，p02，acc02進行數據融合，得到最優權值標定值w02(i0，p02，acc02)。數據融合方法如下：

其中，k1，m1，n1分別為截割臂水平擺動截割時的截割電流，回轉驅動油缸壓力，截割臂振動加速度的融合影響系數；k2，m2，n2分別為截割臂垂直擺動截割時的截割電流，升降驅動油缸壓力，截割臂振動加速度的融合影響系數。

采用pid控制方法，截割臂水平擺動截割時，將最優權值w1(i，p1，acc1)作為煤巖硬度變化判定的判據，與其標準值w01(i0，p01，acc01)進行比較，將其偏差e1作為pid控制的輸入；截割臂垂直擺動截割時，將最優權值w2(i，p2，acc2)作為煤巖硬度變化判定的判據，與其標準值w02(i0，p02，acc02)進行比較，將其偏差e2作為pid控制的輸入。

其中，e1＝w1(i，p1，acc1)-w01(i0，p01，acc01)

e2＝w2(i，p2，acc2)-w02(i0，p02，acc02)

懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法的實施步驟為：

(1)掘進機截割臂以常態下默認擺速進行截割，傳感與檢測系統檢測相應的截割部系統工作參數，將信號實時傳輸到機載主控系統進行處理，并以實時更新的數據的方式在智能工控面板上顯示。

(2)根據油缸位移傳感器(10、11)測得的回轉驅動油缸和升降驅動油缸位移數據，利用上述計算方法，計算出截割頭的空間位置o’(x，y)和截割臂擺動速度ω1，ω2，并在智能工控面板上以實時更新的數據及圖像的方式顯示。

(3)如圖6所示，以截割臂水平擺動截割為例，實時判斷比較w1/w01的值，若0.9≤w1/w01≤1，則截割臂全速擺動；若w1/w01＜0.9，則啟動pid控制模塊，提高截割臂擺速；若w1/w01＞1，則啟動pid控制模塊，降低截割臂擺速。同理，截割臂垂直擺動截割時，控制方案亦是如此。所有的控制命令均由可編程計算機控制器給出，經過比例放大電路板傳輸到執行機構，控制負載敏感式比例多路換向閥進行動作，通過改變油缸油液流量的方式調節截割臂擺動速度。

(4)以截割臂水平擺動截割為例，一次控制指令執行完成后，繼續判斷比較更新后的w1/w01的值，若0.9≤w1/w01≤1，則截割臂以此時的擺速進行截割；若w1/w01＜0.9或w1/w01＞1，則繼續循環(3)中的控制過程，直至達到0.9≤w1/w01≤1，截割臂以此時的擺速進行截割。同理，截割臂垂直擺動截割亦是如此。

(5)無論掘進機截割臂是水平擺動截割還是垂直擺動截割，截割臂擺速控制方法與過程均為上述控制方法與過程，截割臂擺速始終與煤巖硬度相適應，從而實現掘進機截割臂擺速自適應控制，使掘進機始終以最高效率進行截割工作。

上述如此結構構成的本發明懸臂式掘進機截割臂擺速自適應控制系統及方法的技術創新，對于現今同領域內的技術人員來說均具有許多可取之處，而確實具有技術進步性。

如上所述是本發明的基本構思。但是，在本發明的技術領域內，只要具備最基本的知識，可以對本發明的其他可操作的實施例進行改進。在本發明中對實質性技術方案提出了專利保護請求，其保護范圍應包括具有上述技術特點的一切變化方式。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。