摘要：掘進機是煤礦工業(yè)的重要設(shè)備。目前，掘進機機械臂是以恒定移動速度切割截面為主，往往無法根據(jù)實際情況對移動速度進行調(diào)整，導(dǎo)致設(shè)備工作時易進入過載或欠載狀態(tài)。為解決該問題，提出了一種掘進機機械臂新型控制方式，即將傳統(tǒng)的手柄式機械臂操控方式更換成以模糊控制為控制原理，通過PLC控制器調(diào)控液壓閥油壓大小來調(diào)整機械臂的移動速度。這種機械臂新型控制方式能夠保證設(shè)備作業(yè)的安全性，確保煤巖開采的高效性。

關(guān)鍵詞：掘進機；PLC控制器；模糊控制；液壓閥我國是能源消耗大國，隨著國家發(fā)展與國際形勢的變化，天然氣、石油等能源價格不斷攀升，煤炭資源逐漸獲得關(guān)注，市場需求的提高將刺激煤炭行業(yè)的發(fā)展。在國家“采掘并重，掘機先行”政策和市場需求的刺激下，針對掘進機機械臂恒速移動方式來對掘進機的調(diào)控方式進行進一步的研究，建立完善的自動化系統(tǒng)將是未來重點發(fā)展方向。對此提出一種掘進機新型自動化控制方式使掘進機機械臂可以在不同的工作區(qū)間中保持安全穩(wěn)定的變化速度。

1掘進機作業(yè)問題

掘進機主要由破碎機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)滾筒、機械臂、牽引部、液壓系統(tǒng)等組成。在使用掘進機作業(yè)過程中，改變切割位置需要不斷調(diào)整機械臂的位置，但機械臂以恒定速度移動容易導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓或過載運行，進而引發(fā)以下問題：截齒磨損嚴重或者脫落、器械振動幅度偏大或偏小，導(dǎo)致軸承溫度過高或過低［1］。嚴重時將會產(chǎn)生安全事故，降低生產(chǎn)效能?；谝陨蠁栴}，建立新型調(diào)控系統(tǒng)控制機械臂以變化的移動速度完成位置移動是目前亟待解決的問題。

2調(diào)控系統(tǒng)

2.1調(diào)控系統(tǒng)的組成

調(diào)控系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)與模糊控制器構(gòu)成。執(zhí)行機構(gòu)由控制搖桿、PLC控制器、液壓閥、傳感器系統(tǒng)與顯示模塊構(gòu)成。模糊控制器以模糊控制理論為基礎(chǔ)建立模糊算法，將隸屬度函數(shù)作為辨別函數(shù)辨別當前機械臂所處角度與機械臂工作區(qū)間范圍的隸屬程度。操作人員操作控制搖桿改變機械臂位置，傳感器模塊采集機械臂位置信息傳輸至模糊控制器進行推理決策，將決策結(jié)果輸出至PLC控制器，調(diào)控液壓閥油壓，以調(diào)整機械臂的移動速度。見圖1。

2.2執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)由控制搖桿，PLC控制器，傳感器模塊與顯示模塊構(gòu)成。為適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境，PLC控制器作為動作系統(tǒng)的核心器件，采用了貝加萊推出的Compact-S型PLC控制器（X20CP04841）。此PLC控制器是移動設(shè)備專用PLC控制器，能夠確保掘進機截割控制的穩(wěn)定性和可靠性［2］，可以通過對液壓閥流量的調(diào)控來完成對機械臂移動速度的控制。傳感器采用IP等級為六級及以上的傳感器，在液壓閥與機械臂處分別連接油壓傳感器與傾角傳感器，建立傳感器模塊，在動作過程中完成數(shù)據(jù)采集。傳感器模塊將當前油壓大小、機械臂傾角值反饋至顯示模塊。顯示模塊選用GETAC生產(chǎn)的ZX80，外形輕巧堅固，可抵御沖擊、潑濺、振動且從6英尺高處跌落而不會損壞或中斷。

在機械臂調(diào)控過程中，通過控制搖桿移動產(chǎn)生電信號調(diào)控機械臂。控制搖桿選用由霍爾元件構(gòu)成的霍爾搖桿?；魻栐ㄟ^檢測磁場的變化來檢測搖桿的位置和方向，輸出信號更加穩(wěn)定和精確，具有功耗小，頻率高、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、安裝方便、耐震動、不怕污染或腐蝕［3］等優(yōu)點，更加適應(yīng)實際工作環(huán)境。在新型調(diào)控系統(tǒng)中，控制搖桿不再直接控制機械臂移動速度，控制搖桿的變化方向代表機械臂移動方向，移動速度由PLC控制器調(diào)控油壓大小控制。

3模糊控制器的建立

模糊控制器主要由模糊化過程、知識庫與推理決策邏輯以及精確化計算組成［4］。掘進機在工作狀態(tài)下，機械臂的移動是連續(xù)變化的，輸入值常位于中間值?；谠卤硎痉ńC械臂所處空間角度的隸屬度函數(shù)，選擇Π函數(shù)建立隸屬度函數(shù)。模糊化過程是將精確的測量值轉(zhuǎn)化為模糊子集的過程。

知識庫由數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫構(gòu)成。在數(shù)據(jù)庫中確立量化等級，通過量化將論域確定為5段，確定等效的基本模糊集［NB、NS、ZE、PS、PB］的輸入。

通過模糊函數(shù)確定其基本論域，輸出參數(shù)U由系統(tǒng)輸入，并且由輸入誤差與誤差變化率的關(guān)系共同影響。模糊控制的規(guī)則是通過語言條件語句來模擬人類的控制行為，因此模糊控制規(guī)則的建立采用專家經(jīng)驗法?；趯＜医?jīng)驗和系統(tǒng)的特性，制定液壓閥調(diào)控規(guī)則，共計25條規(guī)則。其模糊邏輯設(shè)計所遵循的基本思路為：

如果誤差e為NB，誤差變化率de是NS，則輸出U為PS。因為當機械臂轉(zhuǎn)角誤差很大且誤差變化率正在減小時，說明機械臂可能正在朝著目標角度靠近，執(zhí)行器力度適當，需要略微調(diào)控油壓增大。

如果誤差e是ZE，誤差變化率de是ZE，則輸出U為ZE。 因為當機械臂轉(zhuǎn)角誤差已經(jīng)為零且誤差變化率也為零時，說明機械臂轉(zhuǎn)角已經(jīng)非常接近目標轉(zhuǎn)角，不需要進一步調(diào)整油壓。

如果誤差e是PS，誤差變化率de是PB，則輸出U為NB。說明機械臂正在受擾動遠離目標值，需要降低油壓大小以穩(wěn)定機械臂角度。

如果誤差e是PB，誤差變化率de是NS，則輸出U為NS。 因為當機械臂轉(zhuǎn)角誤差很大且誤差變化率正在減小時，說明系統(tǒng)可能出現(xiàn)了過沖，且過沖趨勢減少，需要減小比例增益來縮小誤差，同時需要減小積分增益以防止積分過度積累，減少振蕩發(fā)生的可能［5］。

模糊推理是使用設(shè)定的二值模糊邏輯規(guī)則，結(jié)合隸屬度函數(shù)進行映射。由采樣時的輸入和模糊控制規(guī)則導(dǎo)出模糊控制器的輸出控制量。采用Madani模糊推理算法，以此為基準去推理隸屬度函數(shù)，通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合或依然是一個隸屬函數(shù)，無法在實際中使用，必須有一個確定的值才能應(yīng)用于受控器件或驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)［6］。因此需要精確化計算，在推理得到的模糊集合中采用重心法。重心法是取模糊隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即對應(yīng)于輸入信號的微小變化，模糊推理的最終輸出也會發(fā)生一定的變化［7］。

調(diào)控系統(tǒng)運作機理為：當設(shè)備啟動后，傳感器模塊將當前機械臂坐標輸入至模糊控制器，將輸入坐標模糊化后，進行推理決策判斷與專家經(jīng)驗進行比較，確定決策結(jié)果后進行精確化計算輸出至PLC控制器對移動速度進行調(diào)控。

4機械臂調(diào)控過程

懸臂式掘進機在掘進過程中，機械臂在水平方向上的擺角范圍約為-27.8°～27.8°，其對應(yīng)角度參數(shù)為NB（-27.8°～-16.3°），NS（-16.3°～-6.48°），ZE（-6.48°～6.48°），PS（6.48°～16.3°），PB（16.3°～27.8°）；在垂直方向的擺角范圍為-32.8°～32.8°，其對應(yīng)角度參數(shù)為NB（-32.8°～-18.5°），NS（-18.5°～-8.18°），ZE（-8.18°～8.18°），PS（8.18°～18.5°），PB（18.5°～32.8°）。工作時，傳感器裝置實時檢測當前油壓大小與機械臂所處空間角度，PLC控制器根據(jù)模糊控制器決策的輸出速度，調(diào)整機械臂的移動速度。見圖2。

操作人員啟動掘進機使其進入工作狀態(tài)，調(diào)控系統(tǒng)完成初始化。此時，傳感器模塊便對當前的掘進機狀態(tài)進行采集。當作業(yè)人員操作控制搖桿調(diào)控機械臂角度時，傳感器模塊將機械臂空間坐標輸入至模糊推理中，經(jīng)決策判斷后，將決策得出的機械臂移動速度輸入至PLC控制器。通過預(yù)先下載至PLC控制器中的編程比對模糊推理決策的移動速度輸入值，調(diào)整液壓閥油壓大小，從而調(diào)控機械臂的移動速度。若推理決策的移動速度與機械臂當前的移動速度相同，則不改變機械臂移動速度；反之，則調(diào)整機械臂移動速度與決策速度保持一致。此掘進機調(diào)控方式更加適應(yīng)礦下作業(yè)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。

5結(jié)論

機械臂移動速度是掘進機在工作中的重要工作參數(shù)。根據(jù)實際工作情況，傳感器模塊采集機械臂狀態(tài)，進行模糊推理，通過PLC控制器調(diào)控液壓閥油壓大小，實現(xiàn)對機械臂移動速度進行調(diào)控。設(shè)計的掘進機機械臂新型控制方式在使用中效果良好，結(jié)構(gòu)合理，性能可靠。即使對于輸入信號的微小變化，其推理的最終輸出一般也會發(fā)生一定的變化，且這種變化能夠更明顯降低電機的故障率，減少設(shè)備維修成本，提高作業(yè)的安全性，降低生產(chǎn)成本，提高整體生產(chǎn)過程中的技術(shù)水平與器械的性能。

參考文獻：

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