一种悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法与流程

本发明涉及一种悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法，属于煤矿综掘设备自主导控领域。

背景技术：

悬臂式掘进机是实现煤矿巷道掘进工作的核心设备。在传统的地下巷道掘进过程中，大部分掘进机为本机人工操作控制，掘进机操作人员只凭人工观察和操作经验来调节截割臂摆速，操作稳定性低，调节误差大，工作效率低，且存在安全隐患，大大增加了矿井工作人员的工作强度及工作危险性。机器人化掘进机远程智能控制能够实现综掘工作面少人化或无人化，使掘进工作安全、高效。掘进机截割过程中，由于煤岩硬度变化，恒速摆动的驱动油缸会导致截割部负载不稳定，截割电机输出功率不稳定，易使截割电机和驱动油缸过载，导致掘进机结构件和电气件损坏，或易使掘进机截割部长时间处于较低的工作效率。

公开号为“zl200520090353.1”专利名称为“掘进机截割智能控制系统”，该专利试图利用电流互感器检测截割电流，并以此为判断依据，当截割电流变大时，控制电磁阀从而降低截割臂摆速。

公开号为“cn205078272u”专利名称为“一种掘进机截割臂自动调速系统”。该专利试图利用电流传感器检测截割电机电流，并以此为判断依据，当截割电流变大时，控制电液比例阀调整流量，从而降低截割臂摆速，起到对结构件和电气件的保护作用。

上述2种方法有许多共同之处，即检测截割电流作为判据来控制液压阀，且当截割电机负载过大时进行截割臂摆速调节。但这2种方法都存在很多局限性：

(1)实行截割臂摆速控制的判据太单一，只能粗略地判定截割臂负载情况，且不具备人机交互功能。

(2)无法直接表明或反映截割臂摆速大小，且控制过程较简单，不能保证截割臂摆速控制精度，控制效果不能达到最佳。

(3)只考虑截割臂负载过大导致闷车或结构件、电气件损坏的情况，未考虑截割臂负载过小导致截割效率低下，掘进机驱动冗余的情况，智能化程度不能达到最佳。

技术实现要素：

技术问题：本发明的主要目的在于，针对目前煤矿巷道综掘工作面实际情况及掘进机截割过程中截割臂摆速调节方法的种种缺陷，提出一种掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法，主要包括截割臂摆速自适应控制硬件系统设计，截割臂摆速自适应控制策略，截割臂摆速自适应控制方法。旨在实现掘进机截割臂摆速调节智能化，掘进机截割过程机器人化，综掘工作面少人化或无人化。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该系统包括：传感与检测系统，检测截割部系统工作参数并实时传输到掘进机机载主控系统；掘进机机载主控系统，处理来自传感与检测系统的信号，产生并传输控制信号；系统执行机构，执行来自机载主控系统的控制信号，进行相应的动作。

所述的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统，其特征是：所述的掘进机机载主控系统包括可编程计算机控制器、智能工控面板、比例放大电路板；其中，可编程计算机控制器与比例放大电路板封装在掘进机电控箱内，可编程计算机控制器与智能工控面板通过通讯接口相连接，并实现实时双向通信；可编程计算机控制器须具备占用空间小、易于拔插、具有电接触的软件监控等特点，智能工控面板表面的工业防护等级至少为ip65，在剧烈振动中能够安全可靠运行，面板操作模式为触摸屏式，存储容量可扩展。

所述的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统，其特征是：所述的传感与检测系统包括2个油缸位移传感器，分别安装在回转驱动油缸内部和升降驱动油缸内部；2个油缸压力传感器，分别检测回转驱动油缸压力与升降驱动油缸压力，在两个油缸的出油口与平衡阀之间、进油口与平衡阀之间共布置4个测点；3个电流变送器，分别检测截割电机的三项电流，并转换成电压信号连续输送到计算机取平均值与额定电流进行比较；2个振动加速度传感器，采集靠近截割头位置的不同方向的截割臂振动信号；所有的传感与检测装置均为矿用防爆或本质安全型设备，所有的传感与检测装置均通过接口电路或放大电路与机载主控系统中的可编程计算机控制器相连接，并实现实时通信。

所述的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统，其特征是：所述的执行机构包括2组电液比例方向阀，具体为负载敏感式比例多路换向阀，安装在掘进机操作箱内；截割臂摆动机构；截割电机。

所述的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制方法，其特征是：

(1)掘进机截割臂以常态下默认摆速进行截割，传感与检测系统检测相应的截割部系统工作参数，将信号实时传输到机载主控系统进行处理，并以实时更新的数据的方式在智能工控面板上显示。

(2)油缸位移传感器测得的油缸位移数据传输到可编程计算机控制器中，根据油缸位移数据计算出截割头的空间位置及截割臂摆速；上述计算结果最终在智能工控面板上以实时更新的数据和图像的方式显示。

(3)当煤岩硬度发生变化时，截割头载荷也会相应地发生变化。根据截割臂摆速、截割电流和煤岩硬度之间的数学关系，截割电流会以正相关关系相应地发生变化；根据截割头载荷与驱动油缸压力之间的数学关系，驱动油缸压力会以正相关关系相应地发生变化；根据相关研究，靠近截割头处的截割臂振动加速度会以正相关关系相应地发生变化。构建数据融合策略，将截割电流，驱动油缸压力和截割臂振动加速度三个变量进行数据融合得到一个最优权值，作为煤岩硬度变化判定的判据；将额定截割电流，驱动油缸额定工作压力和截割臂振动加速度经验值进行数据融合得到上述最优权值的标定值。

(4)采用pid控制方法，将最优权值与其标定值进行比较，控制负载敏感式比例多路换向阀进行动作，通过改变油液流量来改变驱动油缸位移变化率，调节截割臂摆速。一次控制指令执行完成后，将更新后的最优权值与其标定值进行比较，若偏差在设定标准范围内，截割臂以此时的摆速进行截割；若偏差超出设定标准范围，则继续循环上述控制过程，直至偏差减小到设定标准范围内，截割臂以此时的摆速进行截割。

(5)无论掘进机截割臂是水平摆动截割还是垂直摆动截割，截割臂摆速控制方法与过程均为上述控制方法与过程，截割臂摆速始终与煤岩硬度相适应，从而实现掘进机截割臂摆速自适应控制，使掘进机始终以最高效率进行截割工作。

本发明悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法与现有截割臂摆速调节方法对比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)本发明利用其传感与检测系统，能够准确判断出掘进机截割过程中截割臂负载情况，并能够根据传感器检测到的数据，准确计算出截割头的空间位置及截割臂摆速。

(2)本发明利用其机载主控系统，不仅能实现截割臂摆速调节自动化与智能化，而且能实现人机交互功能，方便技术人员在必要的时候进行人工控制掘进机。

(3)本发明悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制方法，通过多参数数据融合控制策略与反馈循环控制过程，能够保证掘进机截割臂摆速控制的高精度与高效率。

(4)本发明悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法，不仅能够实现截割过程中截割臂负载过大时的截割臂摆速降速控制，实现对掘进机结构件及电气件的保护作用，而且能实现截割臂负载过小时的截割臂摆速升速控制，保证截割电机及驱动油缸的满负载恒功率输出，使掘进机始终以最高效率进行截割。

综上所述，本发明悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法，可实现掘进过程中掘进机截割臂摆速调节的完全自动化，为掘进机自主导控的实现铺平道路，大大减轻了掘进机操控人员的工作强度及工作压力，甚至将掘进机操控人员从巷道掘进工作的危险中解放出来。该系统适用于煤岩硬度变化较大的综掘工作面，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有创新性与技术进步性。不仅具有很高的经济价值，而且具有很好的社会价值。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

附图说明

图中：

图1是本发明结构组成示意图

图2是本发明系统图

图3是机载主控系统安装位置图

图4是各传感与检测装置安装位置图

图5是截割臂截割过程机构二维简图

图6是截割臂摆速控制方案图

1：机载主控系统2：传感与检测系统

3：执行机构4：智能工控面板

5：可编程计算机控制器6：比例放大电路板

7：电流变送器8：电流变送器

9：电流变送器10：油缸位移传感器

11：油缸位移传感器12：油缸压力传感器

13：油缸压力传感器14：振动加速度传感器

15：振动加速度传感器

16：负载敏感式比例多路换向阀

17：负载敏感式比例多路换向阀

18：回转驱动油缸19：升降驱动油缸

20：掘进机电控箱21：掘进机操作箱

22：截割电机

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及其方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明较佳实施例的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及其方法，如图2所示，由机载主控系统1、传感与检测系统2、系统执行机构3组成；其中，机载主控系统包括智能工控面板4、可编程计算机控制器5、比例放大电路板6；传感与检测系统包括电流变送器(7、8、9)、油缸位移传感器(10、11)、油缸压力传感器(12、13)、振动加速度传感器(14、15)；系统执行机构包括负载敏感式比例多路换向阀(16、17)、回转驱动油缸18、升降驱动油缸19。

如图3所示，智能工控面板4安装在掘进机操作部，方便进行人机交互，可编程计算机控制器5与比例放大电路板6封装在掘进机电控箱20内，负载敏感式比例多路换向阀(16、17)安装在掘进机操作箱21内；可编程计算机控制器5与智能工控面板4可实现实时双向通信，负载敏感式比例多路换向阀(16、17)与比例放大电路板6通过接口电路连接。

如图4(a)所示，油缸位移传感器10安装在回转驱动油缸18内部，油缸压力传感器12安装在回转驱动油缸18缸筒外部，在进油口与平衡阀之间、出油口与平衡阀之间布置2个测点；如图4(b)所示，油缸位移传感器11安装在升降驱动油缸19内部，油缸压力传感器13安装在升降驱动油缸19缸筒外部，在进油口与平衡阀之间、出油口与平衡阀之间布置2个测点；如图4(c)所示，电流变送器(7、8、9)安装在截割电机22上，振动加速度传感器14安装在靠近截割头处截割臂左侧平面上，振动加速度传感器15安装在靠近截割头处截割臂下侧平面上；上述所有传感器均可与可编程计算机控制器5实现实时通信。

如图5(a)所示，当掘进机截割臂垂直并切进设计好的巷道断面时，以此时的截割头端部顶点与煤壁接触点o为原点，建立平面直角坐标系，掘进机在一个巷道断面截割周期中，截割头在坐标系xoy内做平面运动，截割头的空间位置可用截割头端部顶点坐标o’(x，y)来表示。

如图5(b)所示，回转台回转中心为o；右侧油缸杆与回转台铰接点为a，油缸筒与本体架铰接点为b；左侧油缸筒与本体架铰接点为c，油缸杆与回转台铰接点为d。当截割臂垂直于设计好的巷道断面时，回转驱动油缸长度为l1，回转台回转中心到油缸筒与本体架铰接点的距离为ob＝oc＝l2，回转台回转半径oa＝od＝r，回转台回转中心到截割头端部顶点的距离oo’＝lx。假设截割过程中，油缸位移传感器10检测回转驱动油缸的位移为l1，截割臂水平摆角为γ，此时，油缸杆与回转台铰接点为d’。

如图5(c)所示，截割臂与回转台铰接点为o’，油缸筒与回转台铰接点为e，油缸杆与截割臂铰接点为f；当截割臂垂直于设计好的巷道断面时，升降驱动油缸长度为ef＝l3，截割臂与回转台铰接点到油缸筒与回转台铰接点距离为o’e＝l4，截割臂与回转台铰接点到油缸杆与截割臂铰接点距离为o’f＝l5，截割臂与回转台铰接点到截割头端部顶点的距离o’o’＝ly；假设截割过程中，油缸位移传感器11检测升降驱动油缸的位移为l2，截割臂垂直倾角为λ，此时，油缸杆与截割臂铰接点在竖直平面上的投影为f’。

图5(b)与图5(c)中各角度为：

截割头在坐标系xoy内的横坐标为：

截割头在坐标系xoy内的纵坐标为：

综上，截割头在坐标系xoy内的坐标为：

油缸位移传感器(10，11)的采样周期为δt，在一个采样周期内，回转驱动油缸18位移为δl1，升降驱动油缸19位移为δl2，截割臂水平摆角为δγ，垂直倾角为δλ，则截割臂水平摆动的角速度为：

截割臂垂直摆动的角速度为：

截割头的空间位置信息及截割臂摆速信息以实时更新的数据与图像的方式在智能工控面板上显示。

截割电机的额定电流为i0，对电流变送器(7、8、9)测得的截割电机三相电流求均值，即为截割电流为i；回转驱动油缸的额定工作压力为p01，油缸压力传感器12测得的油缸压力为p1；升降驱动油缸的额定工作压力为p02，油缸压力传感器13测得的油缸压力为p2；振动加速度传感器14测得的截割臂振动加速度为acc1，经验值为acc01；振动加速度传感器15测得的截割臂振动加速度为acc2，经验值为acc02。

构建数据融合策略，对i，p1，acc1进行数据融合，得到最优权值w1(i，p1，acc1)；对i，p2，acc2进行数据融合，得到最优权值w2(i，p2，acc2)；对i0，p01，acc01进行数据融合，得到最优权值标定值w01(i0，p01，acc01)；对i0，p02，acc02进行数据融合，得到最优权值标定值w02(i0，p02，acc02)。数据融合方法如下：

其中，k1，m1，n1分别为截割臂水平摆动截割时的截割电流，回转驱动油缸压力，截割臂振动加速度的融合影响系数；k2，m2，n2分别为截割臂垂直摆动截割时的截割电流，升降驱动油缸压力，截割臂振动加速度的融合影响系数。

采用pid控制方法，截割臂水平摆动截割时，将最优权值w1(i，p1，acc1)作为煤岩硬度变化判定的判据，与其标准值w01(i0，p01，acc01)进行比较，将其偏差e1作为pid控制的输入；截割臂垂直摆动截割时，将最优权值w2(i，p2，acc2)作为煤岩硬度变化判定的判据，与其标准值w02(i0，p02，acc02)进行比较，将其偏差e2作为pid控制的输入。

其中，e1＝w1(i，p1，acc1)-w01(i0，p01，acc01)

e2＝w2(i，p2，acc2)-w02(i0，p02，acc02)

悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法的实施步骤为：

(1)掘进机截割臂以常态下默认摆速进行截割，传感与检测系统检测相应的截割部系统工作参数，将信号实时传输到机载主控系统进行处理，并以实时更新的数据的方式在智能工控面板上显示。

(2)根据油缸位移传感器(10、11)测得的回转驱动油缸和升降驱动油缸位移数据，利用上述计算方法，计算出截割头的空间位置o’(x，y)和截割臂摆动速度ω1，ω2，并在智能工控面板上以实时更新的数据及图像的方式显示。

(3)如图6所示，以截割臂水平摆动截割为例，实时判断比较w1/w01的值，若0.9≤w1/w01≤1，则截割臂全速摆动；若w1/w01＜0.9，则启动pid控制模块，提高截割臂摆速；若w1/w01＞1，则启动pid控制模块，降低截割臂摆速。同理，截割臂垂直摆动截割时，控制方案亦是如此。所有的控制命令均由可编程计算机控制器给出，经过比例放大电路板传输到执行机构，控制负载敏感式比例多路换向阀进行动作，通过改变油缸油液流量的方式调节截割臂摆动速度。

(4)以截割臂水平摆动截割为例，一次控制指令执行完成后，继续判断比较更新后的w1/w01的值，若0.9≤w1/w01≤1，则截割臂以此时的摆速进行截割；若w1/w01＜0.9或w1/w01＞1，则继续循环(3)中的控制过程，直至达到0.9≤w1/w01≤1，截割臂以此时的摆速进行截割。同理，截割臂垂直摆动截割亦是如此。

(5)无论掘进机截割臂是水平摆动截割还是垂直摆动截割，截割臂摆速控制方法与过程均为上述控制方法与过程，截割臂摆速始终与煤岩硬度相适应，从而实现掘进机截割臂摆速自适应控制，使掘进机始终以最高效率进行截割工作。

上述如此结构构成的本发明悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法的技术创新，对于现今同领域内的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。