礦井掘進機行走驅(qū)動自動跟蹤控制策略的設(shè)計

馮 博

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司機運部， 山西 昔陽 045300）

引言

懸臂式掘進機為當(dāng)前廣泛應(yīng)用于巷道掘進機的設(shè)備類型。傳統(tǒng)掘進機在實際巷道掘進任務(wù)中主要由作業(yè)人員通過肉眼對設(shè)備的行走方向進行糾正。在作業(yè)人員人為因素以及周圍環(huán)境因素的影響下，常導(dǎo)致掘進機掘進路徑走偏，不僅影響巷道的成型質(zhì)量，而且增加了巷道的掘進成本，降低了巷道推進的速度[1]。因此，在綜掘設(shè)備自動化、智能化的要求下，實現(xiàn)掘進機自動跟蹤技術(shù)是十分有必要的。

1 掘進機行走驅(qū)動系統(tǒng)研究

懸臂式掘進機行走驅(qū)動系統(tǒng)是實現(xiàn)設(shè)備前進、后退以及轉(zhuǎn)向的主要控制分系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進機行走驅(qū)動系統(tǒng)的自動跟蹤技術(shù)是實現(xiàn)其智能化、提升其自動化水平的基礎(chǔ)。

1.1 掘進機行走機構(gòu)的組成

懸臂式掘進機行走機構(gòu)組成如圖1所示。

如圖1所示，行走機構(gòu)主要由拖輪、履帶、導(dǎo)向輪、支重輪以及驅(qū)動輪組成。行走機構(gòu)的動力源為定量液壓馬達，液壓馬達所輸出的動力通過減速器傳遞至驅(qū)動輪，從而帶動履帶達到行走的目的。導(dǎo)向輪主要控制掘進機的行走方向，在行走過程中拖輪、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪以及支重輪處于一條直線上。當(dāng)掘進機兩邊液壓馬達以相同速度驅(qū)動履帶時，掘進機可完成前進和后退的運動；當(dāng)兩邊液壓馬達以不同速度驅(qū)動履帶時，掘進機可實現(xiàn)向左或向右的運動[2]。

圖1 掘進機行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 掘進機行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)

掘進機行走機構(gòu)的液壓系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，掘進機行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)由液壓馬達、比例方向閥、單向閥、溢流閥、電動機和定量泵等組成。其中，比例換向閥為行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)的核心，通過比例換向閥可控制液壓油的流向從而實現(xiàn)對設(shè)備前進、后退的控制；通過控制比例換向閥的開口大小實現(xiàn)對液壓馬達速度的控制，從而實現(xiàn)對設(shè)備轉(zhuǎn)向的控制。因此，通過掘進機當(dāng)前工作狀態(tài)及掘進機巷道的現(xiàn)狀實現(xiàn)對比例方向閥的控制是實現(xiàn)掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤功能的關(guān)鍵。

2 掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤控制

2.1 掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤理論分析

掘進機行走機構(gòu)的自動跟蹤控制主要保證掘進機行走的中心線按照巷道的中心線推進，從而保證掘進機截割距離巷道兩側(cè)的距離一致，盡可能地避免掘進機出現(xiàn)超挖和欠挖的現(xiàn)象。簡單地說，實現(xiàn)掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤控制的核心在于保證設(shè)備在直線前進、后退以及左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎工況下均能夠確保其行走的中心線與巷道中心線的偏差不大于0.05 m[3]。

當(dāng)掘進機行走中心線與巷道中心線的偏差大于0.05 m時，通過控制掘進機兩邊液壓馬達的速度差實現(xiàn)設(shè)備的左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，從而保證行走中心線與巷道中心線的偏差保持在一定范圍內(nèi)。因此，掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤控制的核心在于對兩邊行走機構(gòu)速度的控制。為此，設(shè)計如圖3所示的速度模糊控制系統(tǒng)。

圖3 掘進機行走機構(gòu)速度模糊控制器

如圖3所示，全站儀對掘進機實時坐標(biāo)進行測量，并將所測量的數(shù)據(jù)與預(yù)定路徑的坐標(biāo)值進行比對，基于通過比對得到的偏差值得出當(dāng)前設(shè)備存在的橫縱坐標(biāo)以及方位的偏差，并在軌跡跟蹤模糊控制器的作用下得出所需兩邊履帶（液壓馬達）的速度差值。結(jié)合當(dāng)前掘進機行走機構(gòu)兩邊履帶的速度差值與其所需偏差通過速度換算對兩邊履帶的速度進行控制，從而保證其行走中心線與巷道中心線一致。

2.2 掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤控制器設(shè)計

基于2.1中的控制思路，本文擬采用模糊控制算法實現(xiàn)掘進機行走機構(gòu)兩邊液壓馬達（履帶）的速度控制。掘進機行走機構(gòu)自動跟蹤模糊控制器的控制規(guī)則為：

1）當(dāng)掘進機行走機構(gòu)的中心線與巷道中心線的偏差很大，但是其行走方向是按照其預(yù)定路徑行走時，不對行走機構(gòu)兩邊履帶的速度進行調(diào)整，確保兩邊履帶的速度偏差為零，保證行走機構(gòu)直線行走[4]。

2）當(dāng)掘進機行走機構(gòu)的中心線與巷道中心線的偏差很大，且其行走方向偏離其預(yù)定路徑行走時，及時對行走機構(gòu)兩邊履帶的速度進行調(diào)整，保證行走機構(gòu)按照預(yù)定路徑方向行走，此時兩邊履帶的速度差較大。

3）當(dāng)掘進機行走中心線與預(yù)定路徑的位置偏差和方位偏差之一很大時，及時對兩邊履帶的速度進行調(diào)整，且需要以中等或者較小速度差控制設(shè)備平穩(wěn)進入預(yù)定軌道路徑。

根據(jù)掘進機行走機構(gòu)電液比例閥、液壓馬達等參數(shù)，結(jié)合行走機構(gòu)履帶速度模糊控制規(guī)則，并基于Simulink建立模糊控制器的仿真模型，如圖4所示。

圖4 速度模糊控制器的Simulink仿真模型

如圖4所示，根據(jù)模糊控制規(guī)則所得對掘進機行走機構(gòu)液壓馬達控制的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)模糊控制規(guī)則所得對掘進機行走機構(gòu)比例方向閥控制的傳遞函數(shù)為：

根據(jù)上述所設(shè)計的掘進機行走機構(gòu)速度模糊控制器對其在不同工況下掘進機實際行走路徑與預(yù)定路徑的偏差（位置偏差和方位偏差）進行仿真分析，得出如表1所示的結(jié)果。

表1 不同工況下掘進機實際行走偏差

如表1所示，基于本文所設(shè)計的掘進機行走機構(gòu)速度模糊控制器，在直線行走工況下的最大位置偏差量為0.04 m，最小位置偏差量為-0.01 m，滿足位置偏差絕對值不超過0.05 m的要求；在轉(zhuǎn)向行走工況下，最大位置偏差量為0.04 m，最小位置偏差量為-0.04 m，滿足位置偏差絕對值不超過0.05 m的要求[5]。

對于方位偏差而言，在直線行走工況下的最大方位偏差量為0.022 rad，最小方位偏差量為-0.017 rad，滿足位置偏差絕對值不超過0.05 rad的要求；在轉(zhuǎn)向行走工況下，最大方位偏差量為0.026 rad，最小方位偏差量為0.012 rad，滿足位置偏差絕對值不超過0.05 rad的要求。

綜上所述，基于速度模糊控制器能夠保證掘進機行走中心線與預(yù)定路徑中心線位置偏差不超過0.05 m和方位偏差不超過0.05 rad的要求。

3 結(jié)論

掘進機在實際掘進任務(wù)中其行走軌跡與預(yù)定軌跡的偏差量將直接決定巷道的成型質(zhì)量和掘進成本。因此，通過對掘進機兩邊履帶（液壓馬達）速度差值的控制以實現(xiàn)設(shè)備按照預(yù)定路徑中心線推進。經(jīng)仿真分析可得：在速度模糊控制器的作用下可保證掘進機行走機構(gòu)在直線和轉(zhuǎn)彎工況下的位置偏差不超過0.04 m，方位偏差不超過0.03 rad，完全滿足位置偏差不超過0.05 m和方位偏差不超過0.05 rad的要求。