基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法及装置与流程

1.本公开属于斗轮堆取料控制技术领域，具体涉及一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法及装置。


背景技术：

2.斗轮堆取料机是火力发电厂燃料系统常用设备。司机可通过司机室的操作杆来操控堆取料机的行走、悬臂俯仰和回转动作。手动操作时，司机通过观察悬臂皮带和斗轮电流大小或者根据操作经验观察的方法来判断取料流量的大小。随着智慧电厂、数字化煤场的推进，斗轮堆取料机作为燃料系统的重要设备，改变传统人工堆取料作业方式，引入自动化手段，实现斗轮堆取料机堆料、取料作业全过程的自动化，提高燃料管理的自动化水平，已势在必行。
3.作为衡量堆取料机自动化水平的重要运行参数就是自动取料作业悬臂皮带煤流量的恒定性。传统自动取料悬臂皮带恒流量控制采用不同的角度区间给定不同的回转速度或者通过斗轮电机电流进行控制，当斗轮电流大降低回转速度、当斗轮电流小则增加回转速度。以上方法均未建立堆取料机的动力学数学模型即没有找到驱动力和回转角速度、回转角加速度之间的数学关系，并以数学模型为基础对受控对象进行控制，未能从根本上解决控制悬臂皮带恒流量的方法。


技术实现要素：

4.本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法及装置。
5.本公开的一方面，提供一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法，所述方法包括：
6.获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
7.根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人动力学理论建立所述斗轮堆取料机的动力学模型，并建立一种基于动力学模型的pid算法，所述动力学模型用于表征回转机构驱动力矩和回转、俯仰驱动机构角速度及角加速度之间的关系；
8.获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，根据所述实际驱动力矩和所述动力学模型，通过所述pid算法得到所述斗轮堆取料机的所述回转机构所需调整的目标回转角速度和目标回转角加速度；
9.控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行，以使得所述斗轮堆取料机实现恒流量取料。
10.在一些实施方式中，所述动力学模型满足下述关系式：
[0011][0012]
其中，s＝sin，c＝cos，m2为回转机构的质量，m3为悬臂机构的质量，m4为斗轮支撑机构的质量，m5为斗轮中心支架机构的质量，m
w
为斗轮机构的质量，l2为俯仰中心至回转中心的距离，l3为悬臂长度，l4为斗轮中心至回转中心的垂直距离，l5为斗轮中心至悬臂中心的水平距离，θ2为回转角度，为回转角速度，为回转角加速度，θ3为悬臂的俯仰角度，为俯仰角速度，为俯仰角加速度。
[0013]
在一些实施方式中，所述获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，包括：
[0014]
在所述回转机构上设置转矩测量传感器，根据所述转矩测量传感器得到所述回转机构的实际驱动力矩。
[0015]
在一些实施方式中，所述获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，包括：
[0016]
根据所述基本运行数据，计算得到驱动力矩和工作电流之间的关系式；
[0017]
获取所述回转机构的实际工作电流，根据所述实际工作电流和所述关系式，得到所述回转机构的实际驱动力矩。
[0018]
在一些实施方式中，所述工作电流采用加权电流，其满足下述关系式：
[0019]
i
w
＝i
b
+ai
s
[0020]
其中，i
b
为轮斗电机电流、i
s
为回转电机电流、a为加权系数；对加权电流i
w
采取分级控制模式，分别为设定值i
sv
、偏大值i
h
、过大值i
hh
、保护值i
hhh
；
[0021]
所述控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行，包括：
[0022]
当i
w
∈(0，i
h
)时，则根据计算出的所述目标回转角速度和目标回转角加速度进行恒流量回转取料作业，将输出值维持在设定值i
sv
附近；
[0023]
当i
w
∈[i
h
，i
hh
)时，则停止回转动作；待加权电流i
w
∈(0，i
h
)时继续执行上述恒流量回转取料作业；
[0024]
当i
w
∈(i
hh
，i
hhh
)时，则调整大车的行走位置，自动后退设定的距离，待加权电流i
w
∈(0，i
h
)时继续执行上述恒流量回转取料作业，并累加和记录自动后退距离以便至下一个回转取料周期中使用；
[0025]
在取料过程中发生严重的坍塌时导致i
w
≥i
hhh
，则紧急停机，停止取料作业。
[0026]
在一些实施方式中，在控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行之前，所述方法还包括：
[0027]
获取目标料堆的料堆三维模型，并得到所述目标料堆的边界位置信息；
[0028]
根据所述料堆三维模型，计算出分层层数和和每层取料切入点对应的斗轮堆取料机的定位数据，所述定位数据包括行走位置、回转角度和俯仰角度；
[0029]
控制所述斗轮堆取料机移至所述目标料堆的顶层取料切入点，按照计算出的回转角度范围和俯仰高度进行回转取料作业；
[0030]
当悬臂到达料堆边界时，斗轮堆取料机大车寸进设定的距离，然后反方向回转取料；
[0031]
当上一层取料完毕，斗轮堆取料机自动移动到下一层取料切入点进行回转取料，直至达到预设的取料任务；
[0032]
并且，在取料过程中控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行。
[0033]
本公开的另一方面，提供一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料装置，所述装置包括：
[0034]
获取模块，用于获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
[0035]
建立模块，用于根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人动力学理论建立所述斗轮堆取料机的动力学模型，并建立一种基于动力学模型的pid算法；所述动力学模型用于表征回转机构驱动力矩和回转、俯仰驱动机构角速度及角加速度之间的关系；
[0036]
计算模块，用于获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，根据所述实际驱动力矩和所述动力学模型，通过所述pid算法得到所述斗轮堆取料机的所述回转机构所需调整的目标回转角速度和目标回转角加速度；
[0037]
控制模块，用于控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行，以使得所述斗轮堆取料机实现恒流量取料。
[0038]
在一些实施方式中，所述动力学模型满足下述关系式：
[0039][0040]
其中，s＝sin，c＝cos，m2为回转机构的质量，m3为悬臂机构的质量，m4为斗轮支撑机构的质量，m5为斗轮中心支架机构的质量，m
w
为斗轮机构的质量，l2为俯仰中心至回转中心的距离，l3为悬臂长度，l4为斗轮中心至回转中心的垂直距离，l5为斗轮中心至悬臂中心的水平距离，θ2为回转角度，为回转角速度，为回转角加速度，θ3为悬臂的俯仰角度，为俯仰角速度，为俯仰角加速度。
[0041]
本公开的另一方面，提供一种电子设备，包括：
[0042]
一个或多个处理器；
[0043]
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个
处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现根据前文记载的所述的方法。
[0044]
本公开的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据前文记载的所述的方法。
[0045]
本公开的基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法及装置，以堆取料机的动力学数学模型为基础，提出了驱动力矩或者驱动电机电流与角速度和角加速度之间的数学关系，更有利于实现恒流量控制的目的，提高控制精度。可以适应于全煤型料堆的自动取料作业，对于不规则或者凹凸不平的料堆也能够完成自动取料的目的。
附图说明
[0046]
图1为本公开一实施例的斗轮堆取料机的三维简图；
[0047]
图2为本公开另一实施例的基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法；
[0048]
图3为本公开另一实施例的斗轮堆取料机位置矢量示意图；
[0049]
图4为本公开另一实施例的恒流量控制框图；
[0050]
图5为本公开另一实施例的基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料装置的结构示意图。
具体实施方式
[0051]
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
[0052]
本实施例的一方面，涉及一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法，如图1所示，斗轮堆取料机一般包括俯仰机构、回转机构和行走机构。
[0053]
如图2所示，一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法，包括：
[0054]
s011、获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据。
[0055]
具体地，在本步骤中，所获取的设备机械参数和基本运行数据如下表1所示。
[0056]
表1
[0057][0058]
s012、根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人动力学理论建立所述斗轮堆取料机的动力学模型，并建立一种基于动力学模型的pid算法，所述动力学模型用于表征回转机构驱动力矩和回转、俯仰驱动机构角速度及角加速度之间的关系。
[0059]
具体地，一并参考图3，其中，θ1、θ2和θ3分别为行走机构的角度、回转角度和俯仰角
度，r1至r5分别为斗轮堆取料机行走坐标系原点o1至各机构的位置矢量，按照机器人动力学的定义，并利用斗轮堆取料机各连杆位置矢量关系计算得到各驱动机构的动力学模型。
[0060]
s013、获取目标料堆的料堆三维模型，并得到料堆的边界位置信息。
[0061]
具体地，在本步骤中，可以通过三维激光扫描仪获取目标料堆的三维模型，三维处理软件将从激光扫描仪得到的点云信息处理成目标料堆的三维模型，并得到目标料堆的边界位置信息。三维模型为实现自动取料提供模型基础和数据基础。
[0062]
自动取料开始之前，设定自动取料的任务信息，包括起始位置、终止位置、大车寸进距离、分层层数、取料流量等信息。根据任务信息和料堆三维模型数据计算出分层层数和和每层取料切入点对应的斗轮堆取料机的定位数据，包括行走位置、回转角度和俯仰角度。
[0063]
s014、启动自动取料任务。
[0064]
具体地，在本步骤中，plc根据取料动作接收取料位置信息。plc根据取料位置信息控制斗轮堆取料机移至目标料堆的顶层取料切入点，按照计算出的回转角度范围和俯仰高度进行回转取料作业。
[0065]
s015、调用基于堆取料机动力学模型的恒流量取料控制的控制方法。
[0066]
具体地，在本步骤中，所调用的动力学模型为步骤s012所得到的动力学模型。调用已经设计完成的基于堆取料机动力学模型的pid控制算法，实时调节悬臂皮带恒流量以达到恒流量的目的。图4所示为该系统的控制框图。
[0067]
具体地，在本步骤中，获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，根据所述实际驱动力矩和所述动力学模型，得到所述斗轮堆取料机的所述回转机构所需调整的目标回转角速度和目标回转角加速度。控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行，以使得所述斗轮堆取料机实现恒流量取料。
[0068]
本实施例的基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料方法，以堆取料机的动力学数学模型为基础，提出了驱动力矩或者驱动电机电流与角速度和角加速度之间的数学关系，更有利于实现恒流量控制的目的，提高控制精度。本实施例的方法，可以适应于全煤型料堆的自动取料作业，对于不规则或者凹凸不平的料堆也能够完成自动取料的目的。
[0069]
在一些实施方式中，机器人动力学是对机器人机构的力和运动之间的关系进行研究的科学，主要研究机器人在运动过程中各关节之间的相互作用，即加在机器人各关节的驱动力与各关节的位置、速度、加速度之间的关系。本实施例采用应用非常广泛和成熟的拉格朗日(lagrange)方法建立斗轮堆取料机的动力学模型。拉格朗日函数如式(1)所示：
[0070]
l＝k
‑
p(1)
[0071]
式(1)中，k为系统的动能，p为系统的势能。
[0072]
拉格朗日第二类方程如下式所示：
[0073][0074]
式(2)中，τ
i
为各驱动机构的驱动力矩，θ
i
和分别为各驱动机构的角速度和角加速度。
[0075]
利用斗轮堆取料机各连杆位置矢量关系计算得到各驱动机构的动力学模型分别如下所示：
[0076][0077]
其中，τ＝[τ
1 τ
2 τ3]
t
代表斗轮堆取料机各转动机构的驱动力矩，τ1为行走机构驱动力矩，τ2为回转机构驱动力矩，τ3为俯仰机构驱动力矩，；m(θ)代表斗轮堆取料机的惯性矩阵；θ、和分别代表各驱动机构转角、角速度和角加速度的三维矢量；代表斗轮堆取料机各驱动机构的离心力及哥氏力系数矩阵；g(θ)＝[g
1 g
2 g3]
t
代表斗轮堆取料机各驱动机构的重力项。
[0078]
由式(3)进而得到回转机构驱动力矩和回转、俯仰驱动机构角速度、回转角加速度之间的动力学模型满足下述关系式：
[0079][0080]
其中，s＝sin，c＝cos，m2为回转机构的质量，m3为悬臂机构的质量，m4为斗轮支撑机构的质量，m5为斗轮中心支架机构的质量，m
w
为斗轮机构的质量，l2为俯仰中心至回转中心的距离，l3为悬臂长度，l4为斗轮中心至回转中心的垂直距离，l5为斗轮中心至悬臂中心的水平距离，θ2为回转角度，为回转角速度，为回转角加速度，θ3为悬臂的俯仰角度，为俯仰角速度，为俯仰角加速度。
[0081]
在一些实施方式中，所述获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，包括：
[0082]
在所述回转机构上设置转矩测量传感器，根据所述转矩测量传感器得到所述回转机构的实际驱动力矩。
[0083]
在一些实施方式中，所述获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，包括：
[0084]
根据所述基本运行数据，计算得到驱动力矩和工作电流之间的关系式；
[0085]
获取所述回转机构的实际工作电流，根据所述实际工作电流和所述关系式，得到所述回转机构的实际驱动力矩。
[0086]
具体地，交流电动机转矩和电流之间的关系式如下：
[0087][0088]
式(5)中，p为电动机的功率，n为电动机的转速，u为电动机电压，i为电动机电流，为电动机的功率因数。由式(5)可知，对于恒转速的电动机，其驱动力矩与电动机电流成正比例关系。
[0089]
在一些实施方式中，定义加权电流，其满足下述关系式：
[0090]
i
w
＝i
b
+ai
s
[0091]
其中，i
b
为轮斗电机电流、i
s
为回转电机电流、a为加权系数；对加权电流i
w
采取分级控制模式，分别为设定值i
sv
、偏大值i
h
、过大值i
hh
、保护值i
hhh
。
[0092]
同时选取轮斗电流和回转电机电流作为反馈控制量，不仅可以更大程度上控制恒流量取料的精度，还可以保护轮斗电机和回转电机，防止取料过程中发生过载。回转电机电流或者转矩的大小在一定程度上能够反映出取料流量的变化，本发明采用加权系数的方法处理轮斗电机电流和回转电机电流的作为反馈的作用权重。
[0093]
s016、当i
w
∈(0，i
h
)时，则执行步骤s017、根据计算出的所述目标回转角速度和目标回转角加速度进行恒流量回转取料作业，将输出值维持在设定值i
sv
附近。
[0094]
当i
w
∈(0，i
h
)不成立时，进入步骤s020、当i
w
∈[i
h
，i
hh
)时，进入步骤s021、自动切除恒流量pid控制策略，停止回转动作；待加权电流i
w
∈(0，i
h
)时继续执行步骤s015。当i
w
∈[i
h
，i
hh
)不成立时进入步骤s022、当i
w
∈[i
hh
，i
hhh
)时，一般出现这种情况都是因为料堆有坍塌的情况，则调整大车的位置，自动后退设定的距离，待加权电流i
w
∈(0，i
h
)时继续执行步骤s015，并累加和记录自动后退距离以便至下一个回转取料周期中使用。
[0095]
在取料过程中发生严重的坍塌时导致i
w
≥i
hhh
，则进入步骤s024、紧急停机，停止取料作业。
[0096]
在一些实施方式中，在控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行之前，所述方法还包括：
[0097]
获取目标料堆的料堆三维模型，并得到所述目标料堆的边界位置信息。根据所述料堆三维模型，计算出分层层数和和每层取料切入点对应的斗轮堆取料机的定位数据，所述定位数据包括行走位置、回转角度和俯仰角度。控制所述斗轮堆取料机移至所述目标料堆的顶层取料切入点，按照计算出的回转角度范围和俯仰高度进行回转取料作业。
[0098]
一并结合图2，s018、根据三维模型计算出的取料边界信息判断是否到达边界，当悬臂到达料堆边界时，进入步骤s019、斗轮堆取料机大车寸进设定的距离，然后反方向回转取料。
[0099]
总而言之，本公开适用于条形煤场斗轮堆取料机回转取料的自动控制，以达到恒流量取料的目的。将机器人动力学应用于斗轮堆取料机恒流量取料控制也是在该领域的首创。动力学模型是反映驱动力矩和角速度、角加速度之间数学关系的数学基础。通过精确的数学模型和常规的控制算法就可以达到很好的控制效果。该方法可广泛适用于不同煤种，不同煤型甚至不规则或者凹凸不平煤型的自动取料。该方法在自动取料过程中可根据驱动电机的转矩大小实时调整回转速度，并结合plc控制程序对电机电流分段保护功能达到全煤型、全煤种、全自动、恒流量取料的目的。
[0100]
本公开的另一方面，如图5所示，提供一种基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料装置100，该装置100可以适用于前文记载的方法，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。所述装置100包括：
[0101]
获取模块110，用于获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据。
[0102]
建立模块120，用于根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人动力学理论建立所述斗轮堆取料机的动力学模型，并建立一种基于动力学模型的pid算法，所述动力学模型用于表征回转机构驱动力矩和回转、俯仰驱动机构角速度及角加速度之间的关系；
[0103]
计算模块130，用于获取所述斗轮堆取料机的所述回转机构的实际驱动力矩，根据所述实际驱动力矩和所述动力学模型，通过所述pid算法，得到所述斗轮堆取料机的所述回转机构所需调整的目标回转角速度和目标回转角加速度；
[0104]
控制模块140，用于控制所述斗轮堆取料机的所述回转机构以所述目标回转角速度和目标回转角加速度运行，以使得所述斗轮堆取料机实现恒流量取料。
[0105]
本实施例的基于动力学的斗轮堆取料机恒流量取料装置，以堆取料机的动力学数学模型为基础，提出了驱动力矩或者驱动电机电流与角速度和角加速度之间的数学关系，更有利于实现恒流量控制的目的，提高控制精度。本实施例的装置，可以适应于全煤型料堆的自动取料作业，对于不规则或者凹凸不平的料堆也能够完成自动取料的目的。
[0106]
在一些实施方式中，所述动力学模型满足下述关系式：
[0107][0108]
其中，s＝sin，c＝cos，m2为回转机构的质量，m3为悬臂机构的质量，m4为斗轮支撑机构的质量，m5为斗轮中心支架机构的质量，m
w
为斗轮机构的质量，l2为俯仰中心至回转中心的距离，l3为悬臂长度，l4为斗轮中心至回转中心的垂直距离，l5为斗轮中心至悬臂中心的水平距离，θ2为回转角度，为回转角速度，为回转角加速度，θ3为悬臂的俯仰角度，为俯仰角速度，为俯仰角加速度。
[0109]
本公开的另一方面，提供一种电子设备，包括：
[0110]
一个或多个处理器；
[0111]
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现根据前文记载的所述的方法。
[0112]
本公开的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据前文记载的所述的方法。
[0113]
其中，计算机可读介质可以是本公开的装置、设备、系统中所包含的，也可以是单独存在。
[0114]
其中，计算机可读存储介质可是任何包含或存储程序的有形介质，其可以是电、磁、光、电磁、红外线、半导体的系统、装置、设备，更具体的例子包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、光纤、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd
‑
rom)、光存储器件、磁存储器件，或它们任意合适的组合。
[0115]
其中，计算机可读存储介质也可包括在基带中或作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码，其具体的例子包括但不限于电磁信号、光信号，或它们任意合适的组合。
[0116]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。