掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)模糊控制策略的設(shè)計(jì)

曹 輝

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 太原 030206）

引言

掘進(jìn)過程為煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，掘進(jìn)效率決定整個(gè)煤礦的建設(shè)周期，掘進(jìn)質(zhì)量決定巷道的成型質(zhì)量，最終影響著工作面的回采效率和安全性。目前，傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)行走控制系統(tǒng)主要通過操作人員的肉眼觀察并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)糾偏控制，以保證掘進(jìn)機(jī)行走在正確的軌道上。但在由于工作面能見度低、操作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和精力均存在差距，使得在實(shí)際生產(chǎn)中存在手動(dòng)糾偏不到位或者過位的情況，進(jìn)而導(dǎo)致欠挖和過挖的現(xiàn)象發(fā)生[1]。為此，本文主要以掘進(jìn)機(jī)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例展開研究，基于模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)行走軌跡的跟蹤控制。

1 掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)概述

掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件為履帶，其能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，可保證控制系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓馬達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)控制，同時(shí)可保證履帶在正確的軌道上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的無人值守。常規(guī)掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)組成圖

由圖1 可以看出，掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、拖輪以及履帶組成。掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)主要依靠液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，其左右兩側(cè)存在兩個(gè)獨(dú)立對(duì)稱的液壓控制系統(tǒng)。液壓馬達(dá)為行走系統(tǒng)的動(dòng)力源，通過對(duì)比例換向閥的左位、右位以及中位三個(gè)位置進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單側(cè)履帶的前進(jìn)、后退以及靜止三種工作狀態(tài)的控制。此外，液壓控制系統(tǒng)中采用單向閥，以避免液壓油的回流；采用溢流閥對(duì)液壓系統(tǒng)線路進(jìn)行保護(hù)，以避免超壓狀態(tài)下系統(tǒng)出現(xiàn)故障。同時(shí)，對(duì)比例換向閥左位和右位閥門開度大小進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油流速的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行走速度的控制[2]。

當(dāng)左右兩側(cè)比例換向閥處于相同的位置且閥開度大小一致時(shí)，掘進(jìn)機(jī)處于前進(jìn)或者后退的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)左側(cè)閥口的開度大于右側(cè)閥口時(shí)，掘進(jìn)機(jī)向右轉(zhuǎn)向運(yùn)行；反之，掘進(jìn)機(jī)向左轉(zhuǎn)向運(yùn)行。

2 掘進(jìn)機(jī)行走軌跡的跟蹤控制

掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)過程中，由于工作面不可預(yù)知的因素較多，因此掘進(jìn)設(shè)備必須根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)掘進(jìn)方向、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以保證設(shè)備按照預(yù)定軌跡運(yùn)行。一般情況下，應(yīng)保證掘進(jìn)機(jī)按照巷道的中線運(yùn)行，只有保證掘進(jìn)機(jī)在巷道的中線位置運(yùn)行，才能避免巷道出現(xiàn)欠挖或者超挖的情況。

為保證掘進(jìn)機(jī)行走軌跡按照預(yù)定軌道運(yùn)行，需保證設(shè)備的位置偏差、方位角偏差、距離偏差及橫縱坐標(biāo)偏差不超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，其中對(duì)位置和方位角偏差的控制尤為重要。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的規(guī)定，要求掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行軌跡偏移巷道中線的距離不得超過0.05 m；要求方位角的偏差不超過0.05 rad。

掘進(jìn)機(jī)行走軌跡的跟蹤控制：根據(jù)巷道的定位精度、施工方法、施工精度以及巷道的地質(zhì)條件，對(duì)掘進(jìn)機(jī)左右行走系統(tǒng)的速度進(jìn)行控制，從而保證設(shè)備能夠按照預(yù)定軌跡或者巷道中線運(yùn)行。實(shí)踐表明，采用傳統(tǒng)的控制理論無法保證掘進(jìn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的軌跡跟蹤控制，且在突發(fā)情況下，對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走方向的控制存在滯后性。為此，本文基于模糊控制算法，以掘進(jìn)機(jī)的位置偏差和方位角偏差為輸出，對(duì)掘進(jìn)機(jī)左右行走系統(tǒng)履帶的速度差進(jìn)行控制，以此保證掘進(jìn)機(jī)按照預(yù)定軌道運(yùn)行[3]。同時(shí)，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)左右履帶速度叉的閉環(huán)控制，對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)行走軌跡跟蹤控制模糊控制框圖

由圖2 可知，基于全站儀對(duì)掘進(jìn)機(jī)在巷道的位置、橫縱坐標(biāo)以及方位角進(jìn)行測(cè)量，將其與預(yù)定軌跡的橫縱坐標(biāo)和方位角進(jìn)行對(duì)比，得到e（l）和e（θ）；掘進(jìn)機(jī)軌跡跟蹤模糊控制器以e（l）和e（θ）為輸入，得出左右兩邊履帶的速度差；再結(jié)合當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)左右履帶的運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)位置和預(yù)定軌跡，將左右履帶的運(yùn)行速度分別調(diào)整至正確值，最終保證掘進(jìn)機(jī)處于預(yù)定軌跡運(yùn)行。

3 掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)控制策略是在操作人員對(duì)掘進(jìn)機(jī)駕駛經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的行走特點(diǎn)制定的掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)控制策略，具體如下：

1）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際行走軌跡與巷道中線位置及方位角的偏差較大，且掘進(jìn)機(jī)的整體運(yùn)行方式朝著預(yù)定軌跡運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制策略為：控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶在較小的速度差或者零速度差下運(yùn)行，使得掘進(jìn)機(jī)盡快回到預(yù)定軌跡[4]。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)位置偏差和方位角偏差為異號(hào)。

2）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際行走軌跡與巷道中線位置及方位角的偏差較大，且掘進(jìn)機(jī)的整體運(yùn)行方式背離預(yù)定軌跡運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制策略為：控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶在較大的速度差下運(yùn)行，確保掘進(jìn)機(jī)盡快轉(zhuǎn)向回到預(yù)定軌跡。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)位置偏差和方位角偏差為同號(hào)。

3）在巷道中線的位置和方位角兩個(gè)參數(shù)中，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際行走軌跡與其中一個(gè)參數(shù)的偏差較大，且與另一個(gè)參數(shù)偏差較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制策略為：控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶在較小速度差或中等速度差的狀態(tài)下運(yùn)行，保證掘進(jìn)機(jī)平穩(wěn)回到預(yù)定位置。

3.2 掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)控制策略的仿真分析

為驗(yàn)證上述模糊控制策略的效果，本文基于Simulink 軟件建立掘進(jìn)機(jī)行走控制系統(tǒng)的模糊控制模型，模型中包括有預(yù)定軌跡模塊、位置偏差模塊、軌跡跟蹤模糊控制器模塊、速度換算模塊、速度模糊控制模塊以及車體運(yùn)動(dòng)模塊等。在仿真模擬中，設(shè)定一條半徑為15 m 的曲線和直線相結(jié)合的巷道，設(shè)定仿真時(shí)間為100 s，仿真的采樣周期為0.5 s。在直線段和曲線段的掘進(jìn)機(jī)的位置偏差和方位角偏差的仿真結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，基于本文所設(shè)計(jì)的模糊控制算法對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走軌跡的跟蹤控制過程中，在直線段的絕對(duì)值最大位置和最大方位角偏差分別為0.019 m和0.02 rad；在曲線段的絕對(duì)值最大位置和最大方位角偏差分別為0.039 m 和0.03 rad。仿真結(jié)果均滿足《煤炭安全規(guī)程》中規(guī)定的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行軌跡偏移巷道中線的距離不超過0.05 m，方位角的偏差不超過0.05 rad 的要求[5]。

4 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，掘進(jìn)效率和掘進(jìn)質(zhì)量直接決定巷道的掘進(jìn)速度和后期巷道的成型質(zhì)量，進(jìn)而影響最終工作面回采的安全性和效率。為保證掘進(jìn)機(jī)能夠按照預(yù)定軌跡對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，保證巷道的成型質(zhì)量，基于模糊控制算法設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制策略經(jīng)仿真分析可知，該系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制精度滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。