斗輪機(jī)煤場(chǎng)定位的控制算法

史春玲，李一紅

（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢430074）

斗輪堆取料機(jī)（簡(jiǎn)稱斗輪機(jī)）是火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中取煤和堆煤的重要設(shè)備之一.為了使斗輪機(jī)運(yùn)行效率更高，并確保煤粉混合均勻，節(jié)約資源，提高燃燒效率，在斗輪機(jī)堆煤和取煤時(shí)，必須對(duì)斗輪機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位［1］.本文針對(duì)電廠輸煤斗輪堆取料機(jī)煤場(chǎng)的定位算法進(jìn)行了研究，以期進(jìn)一步提高當(dāng)前斗輪堆取料機(jī)的自動(dòng)化程度.

1 斗輪機(jī)的結(jié)構(gòu)

以軌道式斗輪機(jī)為例.斗輪機(jī)主要由金屬架構(gòu)、進(jìn)料皮帶機(jī)（尾車部分）、懸臂皮帶機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、斗輪及斗輪裝置、俯仰液壓機(jī)構(gòu)等組成［2］.

其中，進(jìn)料皮帶機(jī)位于尾車上.它依靠尾車上兩組液壓缸的作用，完成俯仰動(dòng)作.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由支撐部分與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置組成.回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置一般安裝在轉(zhuǎn)盤尾部或側(cè)部，安裝在減速器輸出軸上的驅(qū)動(dòng)齒輪與軸承的外齒相嚙合，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤以上部分對(duì)于門座的回轉(zhuǎn).行走機(jī)構(gòu)是用來(lái)將斗輪機(jī)在軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)行堆、取料行走和調(diào)車行走.操作室為斗輪機(jī)的中樞，操作室與立柱相固定，由操作盤 、操作儀表、控制設(shè)備及配電屏等組成.

2 斗輪在煤場(chǎng)中的D－H表示法

斗輪機(jī)煤場(chǎng)定位系統(tǒng)由傳感器、DSP及其外圍電路等組成.斗輪機(jī)簡(jiǎn)化成機(jī)器人手臂形式的模型后，即可建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程.為描述斗輪機(jī)相鄰構(gòu)件間平移和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，可用D－H（Danevit－Hartennberg）方法.D－H方法是為每個(gè)關(guān)節(jié)處的桿件坐標(biāo)系建立4×4齊次變換矩陣，表示它與前一桿件坐標(biāo)系的關(guān)系.這樣逐步變換，即可用基座坐標(biāo)來(lái)表示斗輪坐標(biāo).具體做法為：把構(gòu)件坐標(biāo)系嵌入斗輪機(jī)的每一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)中，用齊次變換來(lái)描述這些坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和方向.描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿之間關(guān)系的齊次變換矩陣記為An矩陣（其中n表示第n個(gè)連桿）.假設(shè)斗輪機(jī)簡(jiǎn)化模型尺寸如圖1所示［3］.

連桿各參數(shù)作如下定義：轉(zhuǎn)角θn，連桿n繞關(guān)節(jié)n的Zn－1軸的轉(zhuǎn)角，右手法則；距離dn，連桿n沿關(guān)節(jié)n的Zn－1軸的位移，沿Zn－1正向?yàn)檎?；長(zhǎng)度an，連桿n沿Xn方向上的長(zhǎng)度，Xn正向一致；扭角αn，連桿n兩關(guān)節(jié)軸線之間的扭角，右手法則.

對(duì)于斗輪機(jī)基座即行走機(jī)構(gòu)來(lái)講，距離d1是其關(guān)節(jié)變量；對(duì)于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)來(lái)講，轉(zhuǎn)角θ2、θ3是其關(guān)節(jié)變量.

斗輪機(jī)各連桿坐標(biāo)系建立后，n－1系與n系之間的變換關(guān)系可用坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn).從n－1系到n系的變換步驟如下：

1）令n－1系繞Zn－1軸旋轉(zhuǎn)θ角，使Xn－1與Xn平行；

2）沿Zn－1軸平移dn，使Xn－1與Xn重合；

3）沿Xn－1軸平移an，使兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合；

4）繞Xn－1的軸旋轉(zhuǎn)αn角，使得n－1系與n系重合.

圖1 斗輪機(jī)簡(jiǎn)化模型尺寸

用一個(gè)總的變換矩陣An來(lái)表示連桿n的齊次變換矩陣為：

這樣，第n系中的點(diǎn)rn在第n－1系中可表示為

由此可推出第n坐標(biāo)相對(duì)于基座坐標(biāo)系位置齊次變換矩陣為

式中，［nnpnqn］是固連在第n個(gè)桿件上的第n個(gè)坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣，Wn是由基座坐標(biāo)系原點(diǎn)指向第n個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置矢量.

對(duì)于斗輪機(jī)而言，斗輪機(jī)斗輪相對(duì)于行走機(jī)構(gòu)的位置齊次變換矩陣為

只要求出A1、A2、A3，便可得到斗輪機(jī)斗輪相對(duì)于基座坐標(biāo)系位置齊次變換矩陣.

確定斗輪的運(yùn)動(dòng)方程后，即可對(duì)斗輪進(jìn)行準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位.

3 算法示例

假設(shè)有一斗輪機(jī)行走輪到回轉(zhuǎn)中心距離為12 m，回轉(zhuǎn)中心軸到俯仰鉸點(diǎn)距離85m，俯仰鉸點(diǎn)到輪中心點(diǎn)距離6m，回轉(zhuǎn)中心至地面帶輪的距離為25m.建立圖1所示的坐標(biāo)系，斗輪機(jī)初始位置在參考坐標(biāo)系（X0，Y0，Z0）中為P（1000）.斗輪機(jī)俯仰角度10°，接著回轉(zhuǎn)角度為60°，向前行走100m.求運(yùn)動(dòng)后，斗輪相對(duì)于參考坐標(biāo)系的坐標(biāo).

所以位置齊次變換矩陣為

解之得 X0＝4.924／629.53＝0.0078，Y0＝－0.868／629.53＝－0.0014，Z0＝－8.66／629.53＝－0.0138.

綜上所述，經(jīng)過(guò)一系列的變換后，P點(diǎn)相對(duì)于參 考 坐 標(biāo) 系 （X0，Y0，Z0） 的 坐 標(biāo) 為 （0.0078，－0.0014，－0.0138）.

4 結(jié)束語(yǔ)

電廠輸煤系統(tǒng)面積較大，電煤在煤場(chǎng)中的儲(chǔ)運(yùn)是隨機(jī)的，如何實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)高效輸送電煤，如何在煤場(chǎng)中對(duì)斗輪機(jī)準(zhǔn)確定位，以準(zhǔn)確控制論斗輪相對(duì)煤堆的位置，進(jìn)而提高輸煤效率，對(duì)保證鍋爐的正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.斗輪機(jī)的安全、有效運(yùn)行，對(duì)電廠的正常、持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)起關(guān)鍵作用.

［1］ 國(guó)電太原第一熱電廠.輸煤系統(tǒng)和設(shè)備［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008：2－5.

［2］ 中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電廠設(shè)備技術(shù)手冊(cè)第四卷火電站系統(tǒng)與輔機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：5－12.

［3］ 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.