掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號同步采集誤差補(bǔ)償方法

蔡玉杰，楊 倫，劉 濤

（1.鄭州西亞斯學(xué)院電信與智能制造學(xué)院，河南 鄭州 451100；2.中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

1 引言

掘進(jìn)機(jī)是一種煤礦機(jī)械，具有切割、搬運(yùn)、除塵等多種功能，通常應(yīng)用在巖石和煤炭的切割過程中。作為礦井下必不可少的機(jī)械設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)分為液壓和電機(jī)驅(qū)動兩種。其中，液壓驅(qū)動的同步性非常好，具備無級變速功能，但是噪聲較大，功率低；電機(jī)驅(qū)動還分為變頻、單速和雙速驅(qū)動等形式，變頻驅(qū)動是現(xiàn)階段最為常用的驅(qū)動電機(jī)。掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境通常復(fù)雜惡劣，在切割不同煤巖時會發(fā)生振動現(xiàn)象。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用，掘進(jìn)機(jī)等工程機(jī)械的精度要求越來越高。而振動誤差是影響掘進(jìn)機(jī)精度的主要因素之一。通過分析振動信號，能夠?qū)崟r掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，提高工作人員的操作性能，優(yōu)化關(guān)鍵部件，對提高煤炭生產(chǎn)效率意義重大。

為了提高掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率和穩(wěn)定性，需要研究并實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)振動信號誤差補(bǔ)償。但由于工作環(huán)境的影響，振動信號具有瞬時性，對信號誤差補(bǔ)償工作帶來較大困難。為此，相關(guān)學(xué)者針對此方面工作開展大量研究。

文獻(xiàn)［1］提出基于BP改進(jìn)PID的掘進(jìn)機(jī)閉環(huán)回路跟隨誤差補(bǔ)償方法。建立動力驅(qū)動系統(tǒng)的AMEsim模型，并對其進(jìn)行模擬試驗(yàn)，獲取動力驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和壓力等參數(shù)。采用Simulink算法構(gòu)造了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，并將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID法相結(jié)合，對其進(jìn)行了綜合控制，從而得到了壓力和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。完成了跟隨誤差補(bǔ)償。該方法能夠完成振動誤差補(bǔ)償工作，但是隨機(jī)遲滯現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致采集結(jié)果和實(shí)際振動情況相差較大。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)小波閾值-形態(tài)學(xué)融合算法的振動信號誤差抑制方法。采用小波閾值技術(shù)與形態(tài)學(xué)方法相結(jié)合的方法，研究機(jī)械設(shè)備振動數(shù)據(jù)采集過程中存在的各種復(fù)雜來源，對其進(jìn)行降噪處理。將改進(jìn)的小波閾值函數(shù)引入到小波變換中，通過調(diào)整函數(shù)的收斂性，實(shí)現(xiàn)對高斯噪音和穩(wěn)態(tài)偏移的有效消除。該方法對信號噪聲的消除效果較好，但信號采集時延較大。文獻(xiàn)［3］提出基于多級干涉的掘進(jìn)機(jī)震源信號的復(fù)合干涉方法?；谧顑?yōu)維納濾波器的脈沖反卷積方法壓縮掘進(jìn)機(jī)的聲源信號，消除多峰脈沖的干擾，實(shí)現(xiàn)信號脈沖化。該方法可有效檢測掘進(jìn)機(jī)震源干擾信號，但采集到的信號仍存在隨機(jī)遲滯的問題。文獻(xiàn)［4］提出采煤機(jī)振動信號采集分類方法。

采用STM32對系統(tǒng)中的振動信號進(jìn)行采集和處理，并將其遠(yuǎn)程傳輸?shù)椒?wù)器端，采用信號的光譜能量距離提取系統(tǒng)中各類特征，采用經(jīng)過訓(xùn)練的VGG16算法來實(shí)現(xiàn)特征分類。該方法對振動信號的分類準(zhǔn)確性較好，但對采集信號的誤差補(bǔ)償效果較差。文獻(xiàn)［5］提出用于刀具磨損監(jiān)測的機(jī)床功率和振動信號采集方法，開發(fā)了一種同步采集機(jī)床功率、振動信號的系統(tǒng)，根據(jù)采集到的信號，設(shè)計(jì)了與待監(jiān)測過程相對應(yīng)的振動和功率特性信息識別方法。該方法能夠?qū)崟r采集和篩選刀具全壽命周期內(nèi)功率和振動信號的變化，但對振動信號誤差的補(bǔ)償準(zhǔn)確性較差。

為解決上述問題，這里設(shè)計(jì)一種掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號同步采集誤差補(bǔ)償方法。建立隨機(jī)激勵模型，合理選取傳感器型號，通過穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)方法提高傳感器的靈敏度，獲得更加精準(zhǔn)的振動信號，利用同步采集策略，確保多傳感器獲取的信息能夠?qū)崟r同步，滿足振動信號誤差同步動態(tài)補(bǔ)償。能夠有效解決隨機(jī)遲滯現(xiàn)象，提升信號采集準(zhǔn)確性。

2 隨機(jī)激勵傳感信號分析

掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號是掘進(jìn)過程中的重要監(jiān)測指標(biāo)，可以反映掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)和掘進(jìn)進(jìn)度等信息。然而，在實(shí)際采集過程中，由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性，如機(jī)械振動、溫度變化、電磁干擾等因素的干擾，會導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號的采集誤差。這種隨機(jī)誤差是由于測量過程中的各種偶然因素引起的，是一種不可避免的誤差。為了提高掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號的采集精度，需要對采集誤差進(jìn)行補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)振動信號誤差補(bǔ)償，首先需要研究掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)激勵振動信號特征，得到掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)和振動誤差信息。并將其作為誤差補(bǔ)償參考值，從而使掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動更加準(zhǔn)確可控。

2.1 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動學(xué)特征方程

掘進(jìn)機(jī)是一種重要的礦山開采設(shè)備，其運(yùn)動學(xué)特征方程描述了掘進(jìn)機(jī)在工作時的運(yùn)動規(guī)律。掘進(jìn)機(jī)在工作時會受到各種隨機(jī)激勵信號的影響，例如地震波、風(fēng)力、溫度等。為準(zhǔn)確模擬出振動信號的激勵過程，需建立掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動學(xué)特征方程，將隨機(jī)激勵信號轉(zhuǎn)化為掘進(jìn)機(jī)的響應(yīng)信號，進(jìn)而分析掘進(jìn)機(jī)在不同激勵條件下的響應(yīng)特性，為掘進(jìn)機(jī)的安全運(yùn)行提供支持。

2.1.1 基本假設(shè)

本章節(jié)研究掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)激勵振動信號特征，因此需要構(gòu)造合理的激勵函數(shù)，準(zhǔn)確模擬出振動信號的激勵過程，有利于后期信號的準(zhǔn)確采集。要想確保隨機(jī)激勵科學(xué)合理，需結(jié)合掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行構(gòu)造。

將掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動學(xué)模型當(dāng)作某多自由度系統(tǒng)，由于計(jì)算較為復(fù)雜，必須設(shè)置一些假設(shè)有利于簡化分析。

為此，提出的基本假設(shè)有：

假設(shè)1：掘進(jìn)機(jī)每個部位的質(zhì)量都較為平均，并利用m1、m2和m3表示切割頭、懸臂以及機(jī)身質(zhì)量；

假設(shè)2：煤壁壓縮強(qiáng)度始終保持不變；

假設(shè)3：利用彈性元件將掘進(jìn)機(jī)各部件連接在一起，且k1、k2和k3代表切割頭、懸臂、機(jī)身三個部件分別和底邊之間的剛度，c1、c2和c3描述三者阻尼；

假設(shè)4：掘進(jìn)機(jī)無故障，保持正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.2 運(yùn)動方程建立

在上述假設(shè)下，構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動的動力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動的動力學(xué)模型Fig.1 Dynamic Model of Roadheader Movement

構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動的動力學(xué)模型，如圖1所示。圖中：(xf，yf)—掘進(jìn)機(jī)前輪坐標(biāo)值；(xr，yr)—掘進(jìn)機(jī)后輪坐標(biāo)值；O—掘進(jìn)機(jī)瞬時轉(zhuǎn)動中心；r—掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑；a—掘進(jìn)機(jī)前軸到質(zhì)心的軸距；b—掘進(jìn)機(jī)后軸到質(zhì)心的軸距；l—兩軸之間軸距；θ—掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)圖1構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動的動力學(xué)方程表示為［6］：

式中：Qj—縱向激振力；t—時間；—廣義速度；qj—廣義位移，j=1，2，3，…；V—系統(tǒng)勢能；T—系統(tǒng)動能；D—耗散函數(shù)。V、T、D分別表示為：

2.2 振動信號隨機(jī)激勵特性分析

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)動力學(xué)方程特征，構(gòu)造下述隨機(jī)激勵：假設(shè)掘進(jìn)機(jī)在功率密度為Sx的隨機(jī)激勵x(t)的影響下進(jìn)行工作，則響應(yīng)Y的功率譜表示為：

式中：Qj(t)—運(yùn)動方程響應(yīng)函數(shù)。一般情況下，計(jì)算SY較為復(fù)雜，因此利用一種虛擬激勵法，該方法簡單高效，具體過程如下。通過虛擬激勵法建立隨機(jī)激勵，與其對應(yīng)的響應(yīng)為，則有：

如果存在多個響應(yīng)，則功率譜矩陣公式描述為：

將切割頭在荷載作用下的虛擬激勵寫作矩陣形式：

式中：M—質(zhì)量；C—阻尼；K—剛度矩陣；F—指示向量。則切割頭隨機(jī)激勵的功率密度序列表示為：

式中：R(n′)—自相關(guān)函數(shù)；k—隨機(jī)整數(shù)。建立的隨機(jī)激勵傳感信號表示為：

在上述構(gòu)造的隨機(jī)激勵傳感信號分析下，利用不同傳感器可實(shí)現(xiàn)振動信號采集。

3 基于多傳感器下的掘進(jìn)機(jī)振動信號誤差補(bǔ)償

掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號的同步采集誤差主要來源于以下兩個方面：

（1）傳感器誤差：傳感器在長時間使用過程中，可能會出現(xiàn)漂移、失靈等問題，導(dǎo)致采集誤差。

（2）環(huán)境干擾：掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，如機(jī)械振動、溫度變化、電磁干擾等因素的干擾，也可能導(dǎo)致采集誤差。

為了消除掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號的采集誤差，提高采集精度，采用傳感器校準(zhǔn)及同步誤差補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號同步采集誤差補(bǔ)償。

3.1 多傳感器的選擇與安裝

這里可選取多個加速度傳感器來完成振動信號采集，此種傳感器由質(zhì)量塊、彈性和敏感元件以及電路構(gòu)成。多個傳感器中有電壓式、電容式和電感式等類型。

掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，所以在選取型號時必須綜合考慮溫度和濕度和采樣頻率等因素。以電壓式傳感器為例，選取YA-19F型傳感器［7］，電壓式傳感器參數(shù)表，如表1所示。

表1 電壓式傳感器參數(shù)表Tab.1 Parameters of Voltage Sensor

多個傳感器在安裝過程中需要注意的事項(xiàng)包括很多，一些安裝因素會影響設(shè)備的工作狀態(tài)。對于這里所選的傳感器主要考慮安裝形式和位置的問題［8］。這里選擇三一SCR260型掘進(jìn)機(jī)為對象，三一SCR260型掘進(jìn)機(jī)示意圖，如圖2所示。

圖2 三一SCR260型掘進(jìn)機(jī)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Sany SCR 260 Roadheader

如圖2所示，采用4個傳感器，將傳感器布設(shè)在電機(jī)附近，為提高信號采集的準(zhǔn)確性，將傳感器按順序布置在與電機(jī)水平的方位。這樣能夠保證所有傳感器采集范圍能夠覆蓋整個電機(jī)。

3.2 傳感器校準(zhǔn)

為消除傳感器漂移、失靈等問題導(dǎo)致的采集誤差，利用正弦穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)方法提高信號采集精度。

結(jié)合正弦穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)正弦穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 正弦穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural Diagram of Sine Steady State Calibration System

該系統(tǒng)的振動臺使用的是電磁振動臺，由圖3可知，校準(zhǔn)系統(tǒng)主要分為四大模塊，包括激勵源、振動設(shè)備、測量設(shè)備和計(jì)算機(jī)。各部分作用如下：

（1）激勵源：包括信號和功率放大器兩部分，在校準(zhǔn)系統(tǒng)中，通過信號發(fā)生器發(fā)射正弦信號，功率放大器對其放大，將該信號發(fā)送到振動臺，使振動臺運(yùn)動。

（2）振動設(shè)備：為待校準(zhǔn)的傳感器提供參考輸入，由控制器、振動臺裝置構(gòu)成。

（3）測量設(shè)備：測量振動臺的產(chǎn)生的波形，通常使用激光測振儀，同時配合高速采集設(shè)備使用。

（4）計(jì)算機(jī)：作為上述設(shè)備應(yīng)用的載體，通過總線連接采集設(shè)備，具有傳輸速度快、可靠性高等優(yōu)勢，能夠?qū)崟r顯示計(jì)算結(jié)果。

3.3 掘進(jìn)機(jī)振動信號同步誤差補(bǔ)償

經(jīng)過上述校準(zhǔn)后的傳感器提高了靈敏度，但是還無法實(shí)現(xiàn)振動信號同步誤差補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)振動信號誤差補(bǔ)償，利用上文經(jīng)傳感器校準(zhǔn)后的掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)和加速度傳感器測量值［9］，在隨機(jī)傳感激勵信號分析的基礎(chǔ)上，提出一種同步誤差補(bǔ)償?shù)牟杉绞健?/p>

假設(shè)傳感器的傳輸時延最佳預(yù)測值計(jì)算式為［10］：

式中：d—節(jié)點(diǎn)深度；Ta—傳輸固有時延；—i級路由節(jié)點(diǎn)的退出時間，F(xiàn)x(t)隨機(jī)信號激勵約束。

據(jù)此得出傳感器每次采樣的同步累計(jì)誤差為：

式中：fa—理論采樣頻率；fs—實(shí)際頻率；Gn—采樣總次數(shù)；Ncn—采樣節(jié)點(diǎn)獲取的第n個捕獲值。

采集開始后，每個采樣周期的補(bǔ)償值為：

4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提方法的采集性能，設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號同步采集誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)測礦井深度在（580～1200）m之間，實(shí)驗(yàn)選用EBZ120型煤礦用掘進(jìn)機(jī)，EBZ120型煤礦用掘進(jìn)機(jī)井下作業(yè)現(xiàn)場圖，如圖4所示。

圖4 EBZ120型煤礦用掘進(jìn)機(jī)井下作業(yè)現(xiàn)場圖Fig.4 EBZ120 Type Coal Mine Tunneling Machine Underground Operation Site Diagram

實(shí)驗(yàn)使用3個加速度傳感器，用于采集掘進(jìn)機(jī)在不同位置和方向上的振動信號。傳感器的數(shù)量和布置位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

ARF-A-T 低量程3軸加速度傳感器實(shí)物圖，如圖5所示。

圖5 ARF-A-T低量程3軸加速度傳感器實(shí)物圖Fig.5 ARF-A-T Low Range 3-Axis Acceleration Sensor Physical Image

實(shí)驗(yàn)所選懸臂式掘進(jìn)機(jī)，此種設(shè)備無需從不同角度進(jìn)行多次切割，機(jī)型靈活，切割臂能夠自由擺動，提高生產(chǎn)效率。掘進(jìn)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)表，如表2所示。

表2 掘進(jìn)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)表Tab.2 Table of Relevant Technical Parameters of Roadheader

采集到的掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號加速度，如表3所示。

表3 掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號加速度Tab.3 Random Vibration Signal Acceleration of Tunneling Machine

在上述參數(shù)的設(shè)置下，設(shè)置實(shí)驗(yàn)平臺整體架構(gòu)圖，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺整體架構(gòu)圖Fig.6 Overall Architecture of the Experimental Platform

該平臺由控制器、傳感器、儲存模塊等部分構(gòu)成。

利用主控器接收信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得傳感器信號，每完成一次采集任務(wù)，控制器都會將數(shù)據(jù)儲存到芯片中，確保數(shù)據(jù)安全。

通過任意波形發(fā)射器輸入隨機(jī)激勵，利用多傳感器采集信號波形，設(shè)定采集時間為140s，將同步采集到的振動信號記錄下來，作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析的基礎(chǔ)。

4.1 實(shí)時采集效果

分析采集振動信號的隨機(jī)滯留情況，并將本文方法、基于BP改進(jìn)PID的掘進(jìn)機(jī)閉環(huán)回路跟隨誤差補(bǔ)償方法（文獻(xiàn)［1］方法）、基于改進(jìn)小波閾值-形態(tài)學(xué)融合算法的振動信號誤差抑制方法（文獻(xiàn)［2］方法）的采集結(jié)果進(jìn)行對比，分析不同算法的隨機(jī)遲滯現(xiàn)象，分析結(jié)果，如圖7～圖9所示。

圖7 本文方法下振動信號隨機(jī)遲滯對比圖Fig.7 .Comparison Diagram of Random Hysteresis of Vibration Signals Under the Method in this Paper

圖8 文獻(xiàn)［1］方法信號遲滯對比圖Fig.8 Reference［1］Method Signal Hysteresis Comparison Chart

圖9 文獻(xiàn)［2］方法信號遲滯對比圖Fig.9 Reference［2］Method Signal Hysteresis Comparison Chart

分析圖7～圖9可知，多傳感器同步后的信息延遲都較大，但利用這里方法采集的振動信號延遲始終較小，每次隨機(jī)遲滯都在0ns左右；文獻(xiàn)［1］方法的信號延遲較為嚴(yán)重，雖然比處理前有所好轉(zhuǎn)，但是依然難以滿足實(shí)時采集需求；文獻(xiàn)［2］方法在前80s時信號延遲嚴(yán)重，在80s后，系統(tǒng)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，遲滯現(xiàn)象有所緩解。這里方法之所以延遲較小時是因?yàn)樵O(shè)置了合理的采樣頻率，針對采集延時進(jìn)行了補(bǔ)償，所以減輕信號遲滯。

4.2 振動信號誤差補(bǔ)償效果

振動信號誤差補(bǔ)償必須在實(shí)時的基礎(chǔ)上，具備準(zhǔn)確、穩(wěn)定信號采集的能力。為驗(yàn)證振動信號誤差的補(bǔ)償效果，通過任意波形發(fā)射器上設(shè)置所需的隨機(jī)激勵函數(shù)，設(shè)置激勵類型為隨機(jī)噪聲、激勵頻率為100Hz、持續(xù)時間為5ms。輸入隨機(jī)激勵，啟動任意波形發(fā)射器發(fā)送隨機(jī)激勵，并同時開始示波器的測量。確保示波器正常運(yùn)行并記錄信號波形。作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際振動信號波形圖。并利用上述三種方法對掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號同步采集誤差進(jìn)行補(bǔ)償，得到不同方法應(yīng)用下采集到的振動信號波形圖。分析上述三種方法的信號誤差補(bǔ)償效果，不同方法動態(tài)信號采集結(jié)果圖，如圖10所示。這里采集到的信號波形和實(shí)際波形基本一致；文獻(xiàn)［1］方法雖然波形走勢相同，但是幅值比實(shí)際波形??；文獻(xiàn)［2］方法采集到的波形與實(shí)際波形相差較大。這里使用了正弦穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)方法校正了多傳感器的精度，提高傳感器的敏感性，確保振動信號的幅值和相位都能與實(shí)際波形相符，能夠有效保障掘進(jìn)機(jī)振動信號誤差補(bǔ)償精度。

5 結(jié)論

為完善掘進(jìn)機(jī)設(shè)備性能，提出掘進(jìn)機(jī)隨機(jī)振動信號同步采集誤差補(bǔ)償方法。構(gòu)造虛擬的隨機(jī)激勵，選取加速度傳感器作為信號采集設(shè)備，合理設(shè)置參數(shù)，確定安裝方式，再通過傳感器校準(zhǔn)，提高采集精度，引入傳感器同步采集策略，計(jì)算累計(jì)誤差并進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)振動信號動態(tài)誤差補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用本文方法準(zhǔn)確補(bǔ)償振動信號的誤差，實(shí)時掌握掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，通過采集到的振動信號，分析設(shè)備運(yùn)行情況，提高工作效率。但是掘進(jìn)機(jī)在應(yīng)用方面依然存在一些問題，例如，在惡劣的工作環(huán)境下，故障隨時有可能發(fā)生，因此在今后研究中應(yīng)設(shè)計(jì)一款實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，確定故障原因，及時糾正位姿，對確保煤礦工程安全具有十分重要的作用。