基于DSP的懸臂式掘進機控制系統(tǒng)設(shè)計

張旭輝，謝亞洲

( 西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

目前，我國懸臂式掘進機的掘進工作主要通過掘進機操作人員目測觀察和手動操作相結(jié)合的方式實現(xiàn)的。該方式的自動化水平比較低，巷道斷面成形質(zhì)量往往取決于人為因素，加之煤礦井下能見度低、粉塵大等不利因素的影響，極易出現(xiàn)超挖、欠挖現(xiàn)象，降低了后續(xù)施工的安全系數(shù)，增加了掘進成本[1，2]。

關(guān)于懸臂式掘進機自動化控制中的截割斷面自動成形技術(shù)難題尚未解決，因此掘進工作面生產(chǎn)安全事故高發(fā)，所以急需提高掘進機的自動化和智能化水平。田劼、吳淼等建立了截割頭位置與液壓缸之間的數(shù)學模型，利用空間交匯技術(shù)建立了掘進機位姿的測量方法[3，4]。通過仿真分析充分說明了斷面自動截割成形控制系統(tǒng)的有效性和合理性。魏景生等[5]利用PLC控制器搭建掘進機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進機斷面恒功率自動化截割控制。王鑫等[6]提出將PLVC控制器作為核心控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以有效的降低掘進機電控系統(tǒng)的復雜性，簡化了掘進機的液壓控制系統(tǒng)。王蘇彧等[7]利用PCC和智能控制面板設(shè)計了懸臂式掘進機自主截割控制系統(tǒng)，實現(xiàn)斷面自動成形截割。李軍利等[8]人建立掘進機截割部運動學模型和液壓控制系統(tǒng)動力學模型，搭建以PLC為核心的控制系統(tǒng)并使用PID算法實現(xiàn)了對驅(qū)動油缸行程和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的準確跟蹤，但是數(shù)據(jù)量比較大，具體應用還有待驗證。綜上所述，以PLC、PLVC、PCC為核心的掘進機控制系統(tǒng)，都存在數(shù)據(jù)處理能力較差、復雜的算法實現(xiàn)較為困難、完成控制需要較多的模塊的問題，迫切需要研發(fā)一種新型控制系統(tǒng)，用來適應掘進機自動化、智能化、遠程監(jiān)控等方面的集成需要。因此本文設(shè)計了一種基于DSP的懸臂式掘進機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)采集處理，為了能夠更好地實現(xiàn)對掘進機的截割部進行精確控制和斷面自動成形截割，本文引入單神經(jīng)元自適應PID控制算法有效地避免了懸臂式掘進機巷道掘進超挖欠挖的發(fā)生，為掘進機適應自動化、智能化掘進提供技術(shù)支撐。

1 掘進機控制系統(tǒng)總體方案

為了滿足掘進機控制系統(tǒng)各功能模塊的實時響應，以DSP為控制核心實現(xiàn)掘進機實時檢測與控制。掘進機控制系統(tǒng)主要功能包括：掘進機基本控制、斷面自動成形控制。掘進機基本控制模塊包括行走、行星輪運動、數(shù)據(jù)采集處理等功能。斷面自動成形控制是基于斷面輪廓自動截割的控制方法結(jié)合單神經(jīng)元自適應PID控制算法實現(xiàn)斷面自動成形的。遠程監(jiān)控主要是使用CAN總線通信，通過查詢方式完成下位機對上位機的通信，采用中斷的方式實現(xiàn)上位機對下位機的通信，并利用QT軟件開發(fā)上位機實現(xiàn)掘進機的遠程監(jiān)控，使用MYSQL實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 掘進機主要硬件設(shè)計

基于DSP的掘進機控制系統(tǒng)主要硬件模塊包括：基本輸出接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊模塊。用于完成掘進機基本功能的控制和斷面自動成形控制[9]。

2.1 基本輸出接口設(shè)計

由于控制要求需要I0輸出24V的電壓，而DSP只能輸出3.3V。本設(shè)計中采用東芝生產(chǎn)的TLP293-4光電耦合器件和ULN2803作為輸出驅(qū)動器能夠達到要求，并且可去除干擾信號，對控制器起保護作用。輸出接口電路圖如圖2(a)所示[10]。為了實現(xiàn)對液壓比例控制閥的控制，采用DAC7724實現(xiàn)12位精度的4路模擬輸出接口設(shè)計，最終可以達到對截割臂精確控制的要求如圖2(b)所示。

圖2 基本輸出模塊設(shè)計

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)字和模擬量采集，通過RS485和RS232總線完成多種數(shù)字量傳感器數(shù)據(jù)的采集，由于掘進機模擬量傳感器電壓輸出在0～10V之間而DSP內(nèi)部的ADC模塊不能直接采集，所以通過電阻分壓加上電壓跟隨器把輸入電壓按線性比例縮小到0～3V之間，并用肖特基二極管構(gòu)成的鉗位電路保護DSP系統(tǒng)的ADC模塊[11]。ADC電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計如圖3所示。該設(shè)計解決了專用傳感器接口連接不便的問題，實現(xiàn)多種類型傳感器數(shù)據(jù)采集[12]。例如代替PLC的8AD模塊，降低控制器的成本。

圖3 ADC電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

2.3 通信模塊設(shè)計

為了實現(xiàn)掘進機的遠程監(jiān)控，DSP通過CAN總線實現(xiàn)與上位機的信息交互。由于上位機沒有CAN接口，系統(tǒng)采用宇泰的USB轉(zhuǎn)CAN的接口(UT-8251)實現(xiàn)上下位機通信。通過查詢實現(xiàn)下位機與上位機的通信，上位機通過中斷實現(xiàn)與下位機的通信，從而實現(xiàn)對掘進機的遠程監(jiān)控。

3 掘進機程序設(shè)計及算法驗證

程序采用模塊設(shè)計，主要功能模塊包括：基本功能控制模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、斷面自動成形模塊、遠程通信模塊等。其中，數(shù)據(jù)采集處理模塊將掘進機工況數(shù)據(jù)存入鏈表中，實現(xiàn)每隔一定的時間刷新一次。

3.1 掘進機程序設(shè)計

懸臂式掘進機截割部的精確控制主要是對掘進機截割部的液壓系統(tǒng)進行精確控制，截割臂的運動通過升降油缸和回轉(zhuǎn)臺油缸的伸縮實現(xiàn)截割部垂直與水平擺動，控制系統(tǒng)主要由位移傳感器、液壓缸、比例換向閥、DSP控制器等組成。控制原理如圖4所示。本文在掘進機機身調(diào)整好的基礎(chǔ)上進行研究的。截割部在進行垂直上下截割時，設(shè)上為正，下為負，令α為垂直升降角度，截割部在水平截割時，設(shè)左為正，右為負，令β為水平回轉(zhuǎn)運動角度。由于煤礦中大多使用矩形巷道，所以本文以矩形巷道為例。為精簡控制程序，對控制流程進行簡化，巷道斷面的截割邊界的所有點都為已知，掘進機截割臂在空間的角度實時位置可通過位置解析算法計算出來。當截割頭接近邊界點時，截割臂擺動速度自動降低，斷面自動截割控制方法如圖5(a)所示[13，14]，該系統(tǒng)斷面自動成形控制程序流程如圖5(b)所示。

圖4 掘進機截割部控制系統(tǒng)原理

圖5 掘進機巷道斷面控制方法

3.2 算法仿真分析

為了實現(xiàn)斷面的精確截割，減少超挖、欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。毛清華和李軍利等以PLC為控制器，采用PID算法實現(xiàn)對截割頭的精確控制，但是由于實際工況環(huán)境比較復雜，震動等不利因素的影響，易出現(xiàn)參數(shù)整定不良、環(huán)境適應性差的問題[15，16]。針對以上問題，本文提出單神經(jīng)元自適應PID控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID算法。為了驗證該算法在掘進機截割控制過程中的有效性，本文將單神經(jīng)元自適應PID控制算法與傳統(tǒng)PID算法進行對比，以懸臂式掘進機水平回轉(zhuǎn)控制數(shù)學模型為例，垂直升降控制同理[13，17]。

圖6 控制系統(tǒng)算法仿真結(jié)果

采用MATLAB軟件進行仿真分析，仿真時間設(shè)置為3s。由圖6(a)所示，與傳統(tǒng)掘進機PID控制算法相比，單神經(jīng)元自適應控制算法具有更快的動態(tài)響應速度，超調(diào)量顯著減小，系統(tǒng)在很短的時間內(nèi)便趨于穩(wěn)定，由圖6(b)所示，在2s時加干擾，單神經(jīng)元自適應PID算法幾乎趨于穩(wěn)定，而傳統(tǒng)PID控制算法在2.3s時才趨于穩(wěn)定，通過對比單神經(jīng)元自適應PID算法具有良好的抗干擾性能[18]。更適用于掘進機的斷面自動截割控制。

4 實驗驗證

實驗在1∶5 EBZ160型懸臂式掘進機模型上進行的。掘進機模型截割臂長約為1000mm，根據(jù)截割機構(gòu)的幾何模型及斷面自動控制成形策略，對其進行實驗驗證。

4.1 精確控制實驗

掘進機截割部精確控制可以分為水平回轉(zhuǎn)控制和垂直控制，此次實驗分別記錄不同角度的水平回轉(zhuǎn)截割和垂直截割軌跡，并與標準角度進行對比。本次試驗共六組實驗，當α=20°、0°、-20°時，β按照從22°到-22°每隔兩度的等差數(shù)列進行精確控制實驗，當β=20°、0°、-20°時，α同理。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 實驗驗證

圖8 截割臂水平回轉(zhuǎn)控制誤差分析

由圖7的數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB處理得圖8，由圖8易得，當α=0°、20°、-20°，β控制角度與標準角度(采用E1038Bd6型絕對式光電編碼器為標準，精確度為0.09°)，由于使用絕對編碼器，規(guī)定從實驗開始為絕對零點對應22°，按照等差數(shù)列依次減少。當α=0°時，β控制角度最大誤差為0.67°，當α=20°和α=-20°時，β最大誤差分別為0.71°、0.73°。由控制誤差數(shù)據(jù)分析，當截割臂空間角度絕對值都比較小時，控制誤差相對較小。

同理，當β=0°、20°、-20°，α測量角度與標準角度對比(采用SCA126T雙軸數(shù)字輸出型傾角傳感器為標準，精確度為0.03°)。當β=0°，α測量角度最大誤差為0.69°，同理當β=20°和β=-20°時α最大誤差分別為0.73°、0.76°。由此，該控制系統(tǒng)引入單神經(jīng)元自適應算法，顯著地提高了控制系統(tǒng)的精確度。根據(jù)懸臂式掘進機實際工作情況，經(jīng)過上述分析：超挖欠挖一般發(fā)生在α和β角度絕對值都比較大的情況下。按照實際EBZ160型掘進機尺寸(西安煤機為例)，經(jīng)過計算得，截割臂升降角度和回轉(zhuǎn)角度誤差小于0.80°，就滿足掘進要求。按照截割臂最大長度4694mm計算得出巷道截割斷面邊界檢測最大誤差小于45mm，達到煤礦巷道掘進考核指標，滿足了精確控制的要求。

4.2 斷面自動成形截割實驗

根據(jù)斷面自動成形控制程序流程圖及掘進機截割部的數(shù)學模型，編寫DSP控制程序。DSP將采集到的工況數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機通過處理把α、β的數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，當掘進機調(diào)整到合適位置，啟動斷面自動截割程序，完成斷面自動截割。以1∶5 EBZ160型懸臂式掘進機作為實驗平臺，對懸臂式掘進機器人的控制算法進行實驗驗證。在空載運行，不截割斷面狀態(tài)下，其軌跡跟蹤效果如圖7所示。由圖7可看出，掘進機截割部的實際運行軌跡和理論截割軌跡，經(jīng)過分析，斷面自動成形精度滿足設(shè)計要求，實驗驗證表明以DSP為核心的控制系統(tǒng)可以精確地實現(xiàn)斷面自動成形截割。掘進機控制系統(tǒng)通過CAN總線把解算好的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行實時顯示，上位機利用QT和CAN總線實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

5 結(jié) 語

本文提出以DSP為核心的控制系統(tǒng)，詳細闡述了其硬件及各功能模塊作用，根據(jù)實際控制的需要，采用單神經(jīng)元自適應PID控制算法，實現(xiàn)掘進機截割部精確控制、斷面自動成型及遠程監(jiān)控等功能，實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足巷道掘進的要求，對提升綜掘工作面自動化、智能化具有一定的支撐作用。