張旭輝，謝亞洲

( 西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

目前，我國懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)工作主要通過掘進(jìn)機(jī)操作人員目測觀察和手動操作相結(jié)合的方式實(shí)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(jìn)成本[1，2]。

關(guān)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(jìn)工作面生產(chǎn)安全事故高發(fā)，所以急需提高掘進(jìn)機(jī)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(xué)模型，利用空間交匯技術(shù)建立了掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡化了掘進(jìn)機(jī)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(jì)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主截割控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)斷面自動成形截割。李軍利等[8]人建立掘進(jìn)機(jī)截割部運(yùn)動學(xué)模型和液壓控制系統(tǒng)動力學(xué)模型，搭建以PLC為核心的控制系統(tǒng)并使用PID算法實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動油缸行程和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確跟蹤，但是數(shù)據(jù)量比較大，具體應(yīng)用還有待驗(yàn)證。綜上所述，以PLC、PLVC、PCC為核心的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，都存在數(shù)據(jù)處理能力較差、復(fù)雜的算法實(shí)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(yīng)掘進(jìn)機(jī)自動化、智能化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面的集成需要。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)采集處理，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的截割部進(jìn)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(yīng)PID控制算法有效地避免了懸臂式掘進(jìn)機(jī)巷道掘進(jìn)超挖欠挖的發(fā)生，為掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)自動化、智能化掘進(jìn)提供技術(shù)支撐。

1 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

為了滿足掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)時(shí)響應(yīng)，以DSP為控制核心實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)檢測與控制。掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)主要功能包括：掘進(jìn)機(jī)基本控制、斷面自動成形控制。掘進(jìn)機(jī)基本控制模塊包括行走、行星輪運(yùn)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(yīng)PID控制算法實(shí)現(xiàn)斷面自動成形的。遠(yuǎn)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(jī)對上位機(jī)的通信，采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的通信，并利用QT軟件開發(fā)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用MYSQL實(shí)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(jìn)機(jī)主要硬件設(shè)計(jì)

基于DSP的掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jì)

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(jì)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(dá)到要求，并且可去除干擾信號，對控制器起保護(hù)作用。輸出接口電路圖如圖2(a)所示[10]。為了實(shí)現(xiàn)對液壓比例控制閥的控制，采用DAC7724實(shí)現(xiàn)12位精度的4路模擬輸出接口設(shè)計(jì)，最終可以達(dá)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(jì)

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

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(jìn)機(jī)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(hù)DSP系統(tǒng)的ADC模塊[11]。ADC電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。該設(shè)計(jì)解決了專用傳感器接口連接不便的問題，實(shí)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(jì)

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，DSP通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互。由于上位機(jī)沒有CAN接口，系統(tǒng)采用宇泰的USB轉(zhuǎn)CAN的接口(UT-8251)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信。通過查詢實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信，上位機(jī)通過中斷實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 掘進(jìn)機(jī)程序設(shè)計(jì)及算法驗(yàn)證

程序采用模塊設(shè)計(jì)，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(yuǎn)程通信模塊等。其中，數(shù)據(jù)采集處理模塊將掘進(jìn)機(jī)工況數(shù)據(jù)存入鏈表中，實(shí)現(xiàn)每隔一定的時(shí)間刷新一次。

3.1 掘進(jìn)機(jī)程序設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部的精確控制主要是對掘進(jìn)機(jī)截割部的液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，截割臂的運(yùn)動通過升降油缸和回轉(zhuǎn)臺油缸的伸縮實(shí)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(jìn)機(jī)機(jī)身調(diào)整好的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的。截割部在進(jìn)行垂直上下截割時(shí)，設(shè)上為正，下為負(fù)，令α為垂直升降角度，截割部在水平截割時(shí)，設(shè)左為正，右為負(fù)，令β為水平回轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)行簡化，巷道斷面的截割邊界的所有點(diǎn)都為已知，掘進(jìn)機(jī)截割臂在空間的角度實(shí)時(shí)位置可通過位置解析算法計(jì)算出來。當(dāng)截割頭接近邊界點(diǎn)時(shí)，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(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)原理

圖5 掘進(jìn)機(jī)巷道斷面控制方法

3.2 算法仿真分析

為了實(shí)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(shí)現(xiàn)對截割頭的精確控制，但是由于實(shí)際工況環(huán)境比較復(fù)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(yīng)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(yīng)PID控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID算法。為了驗(yàn)證該算法在掘進(jìn)機(jī)截割控制過程中的有效性，本文將單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法與傳統(tǒng)PID算法進(jìn)行對比，以懸臂式掘進(jìn)機(jī)水平回轉(zhuǎn)控制數(shù)學(xué)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(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間設(shè)置為3s。由圖6(a)所示，與傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)PID控制算法相比，單神經(jīng)元自適應(yīng)控制算法具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度，超調(diào)量顯著減小，系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)便趨于穩(wěn)定，由圖6(b)所示，在2s時(shí)加干擾，單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法幾乎趨于穩(wěn)定，而傳統(tǒng)PID控制算法在2.3s時(shí)才趨于穩(wěn)定，通過對比單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法具有良好的抗干擾性能[18]。更適用于掘進(jìn)機(jī)的斷面自動截割控制。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在1∶5 EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)模型上進(jìn)行的。掘進(jìn)機(jī)模型截割臂長約為1000mm，根據(jù)截割機(jī)構(gòu)的幾何模型及斷面自動控制成形策略，對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 精確控制實(shí)驗(yàn)

掘進(jìn)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行對比。本次試驗(yàn)共六組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)α=20°、0°、-20°時(shí)，β按照從22°到-22°每隔兩度的等差數(shù)列進(jìn)行精確控制實(shí)驗(yàn)，當(dāng)β=20°、0°、-20°時(shí)，α同理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dāng)α=0°、20°、-20°，β控制角度與標(biāo)準(zhǔn)角度(采用E1038Bd6型絕對式光電編碼器為標(biāo)準(zhǔn)，精確度為0.09°)，由于使用絕對編碼器，規(guī)定從實(shí)驗(yàn)開始為絕對零點(diǎn)對應(yīng)22°，按照等差數(shù)列依次減少。當(dāng)α=0°時(shí)，β控制角度最大誤差為0.67°，當(dāng)α=20°和α=-20°時(shí)，β最大誤差分別為0.71°、0.73°。由控制誤差數(shù)據(jù)分析，當(dāng)截割臂空間角度絕對值都比較小時(shí)，控制誤差相對較小。

同理，當(dāng)β=0°、20°、-20°，α測量角度與標(biāo)準(zhǔn)角度對比(采用SCA126T雙軸數(shù)字輸出型傾角傳感器為標(biāo)準(zhǔn)，精確度為0.03°)。當(dāng)β=0°，α測量角度最大誤差為0.69°，同理當(dāng)β=20°和β=-20°時(shí)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(yīng)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(jìn)機(jī)實(shí)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(shí)際EBZ160型掘進(jìn)機(jī)尺寸(西安煤機(jī)為例)，經(jīng)過計(jì)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(jìn)要求。按照截割臂最大長度4694mm計(jì)算得出巷道截割斷面邊界檢測最大誤差小于45mm，達(dá)到煤礦巷道掘進(jìn)考核指標(biāo)，滿足了精確控制的要求。

4.2 斷面自動成形截割實(shí)驗(yàn)

根據(jù)斷面自動成形控制程序流程圖及掘進(jìn)機(jī)截割部的數(shù)學(xué)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(jī)，上位機(jī)通過處理把α、β的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺，對懸臂式掘進(jìn)機(jī)器人的控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在空載運(yùn)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(jìn)機(jī)截割部的實(shí)際運(yùn)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(jì)要求，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明以DSP為核心的控制系統(tǒng)可以精確地實(shí)現(xiàn)斷面自動成形截割。掘進(jìn)機(jī)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(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，上位機(jī)利用QT和CAN總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(xì)闡述了其硬件及各功能模塊作用，根據(jù)實(shí)際控制的需要，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割部精確控制、斷面自動成型及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足巷道掘進(jìn)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。