掘進機自動掘進控制系統(tǒng)的應(yīng)用

張 鵬

(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

目前礦山機械的發(fā)展方向為智能化、大型化和無人化，懸臂式掘進機已經(jīng)實現(xiàn)了機械化施工，但是操作人員的勞動強度依然很大，勞動環(huán)境十分惡劣，事故傷亡時有發(fā)生。為了改善礦工的工作環(huán)境，提高煤炭生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性，對掘進機的自動掘進技術(shù)進行改造十分必要，本文研究了一種基于CAN總線和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的掘進機自動掘進系統(tǒng)，能夠?qū)蜻M機進行遠程監(jiān)視，實現(xiàn)預(yù)定掘進路線軌跡跟蹤和截割自主作業(yè)。

1 自動掘進系統(tǒng)總體分析

1.1 掘進機工作原理

自動掘進機的工作過程可分解為三個動作：①掘進機在推進油缸的作用下向掘進方向移動；②液壓機構(gòu)帶動刀盤高速旋轉(zhuǎn)，切削泥土；③螺旋輸送機把切削下來的泥土輸送到帶式輸送機上，后經(jīng)由渣土車運離掘進巷道。

1.2 自動掘進系統(tǒng)功能

自動掘進機的功能有自動跟蹤掘進和人工操作掘進兩種。自動跟蹤掘進是掘進機在沒有人為干預(yù)的情況下，按照預(yù)定三維軌跡，以路徑最短、速度最快的方式完成巖石切割。人工操作掘進包含兩方面的含義：①軌跡跟蹤控制，在此控制過程中需要考慮地球切平面的控制和垂直平面的位移偏差控制；②巖石截割控制，在給定的軌跡約束內(nèi)，掘進機的大臂以最優(yōu)路徑切割巖石壁。

(1) 軌跡跟蹤控制。二維跟蹤控制器和軌跡誤差計算模塊是軌跡跟蹤控制中的兩個重要設(shè)備，軌跡誤差計算模塊的功能是求取預(yù)定軌跡和由慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取的實際掘進軌跡的差值，二維跟蹤控制器的功能是對掘進機器人進行運動控制。

(2) 截割控制。截割控制的步驟依次為坐標(biāo)變換、作業(yè)規(guī)劃和控制策略選擇，由于掘進機大臂的位置信息是定義在移動的掘進機坐標(biāo)系中的，因此要想完成作業(yè)規(guī)劃必須將其轉(zhuǎn)換到靜止坐標(biāo)系中。對慣導(dǎo)系統(tǒng)測量的掘進機位姿信息和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的大臂位置信息進行綜合分析，得到作業(yè)規(guī)劃，再結(jié)合掘進機自身狀態(tài)選擇相應(yīng)的控制策略。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與掘進流程

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

自動掘進系統(tǒng)的硬件由工控機(上位機)、嵌入式主機(下位機)、驅(qū)動控制模塊、慣測系統(tǒng)和傳感器五個部分組成，所有部分通過總線接口接入CAN總線進行數(shù)據(jù)通訊，通過加裝中繼器，CAN總線可以獲得很強的抗擾能力，傳輸距離可達數(shù)公里，完全滿足系統(tǒng)要求。自動掘進系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。工控機采用Windows2000操作系統(tǒng)，配置在操作室，能夠進行掘進機初始化和工況監(jiān)視，是人員與自動掘進系統(tǒng)的人機交互窗口。SPT-K是一款嵌入式高性能機械專用控制器，該控制器特別適應(yīng)巷道內(nèi)高溫高濕、高振動的工作環(huán)境，其內(nèi)部集成了PLC、功率放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和繼電器輸出模塊。為了方便手動控制和系統(tǒng)調(diào)試，工控機和嵌入式主機都有手動和自動兩種工作模式，通過切換開關(guān)進行模式轉(zhuǎn)換。

圖1 自動掘進系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 掘進流程

一個完整的自動掘進作業(yè)流程為：首先進行各裝置自檢，自檢完成后進入等待，開始按鈕動作后，將工控機下發(fā)的預(yù)定掘進軌跡下載至嵌入式主機，并判斷此時掘進機坐標(biāo)是否滿足預(yù)定掘進軌跡，若不滿足則等待人工操作調(diào)整掘進機位置，待掘進機坐標(biāo)滿足預(yù)定掘進軌跡后發(fā)出支架安裝指令，支架安裝完成后，掘進頭開始對斷面進行截割作業(yè)，作業(yè)完成后發(fā)出支架收起指令，待支架收起后向工控機發(fā)出應(yīng)答，工控機收到后下發(fā)下一輪掘進作業(yè)的車體軌跡數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)管理和控制軟件

3.1 上位機管理軟件

上位機搭載的軟件為實現(xiàn)系統(tǒng)管理目的的可視化程序，結(jié)構(gòu)如圖2所示，以主程序為核心，按照功能劃分為四大功能模塊：實時通訊接口模塊、手動/自動模式切換模塊、設(shè)備初始化模塊和實時監(jiān)控模塊。實時通訊接口模塊的功能是實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。手動/自動模式切換模塊是為了方便系統(tǒng)調(diào)試或異常狀態(tài)處理而加入的，提升了系統(tǒng)的靈活性和安全性。初始化模塊的功能程序包括系統(tǒng)自檢、選擇控制策略、作業(yè)規(guī)劃和預(yù)定軌跡裝入，初始化的過程是用戶通過工控機人機界面完成的。實時監(jiān)控程序通過仿真的圖形化界面多方面展現(xiàn)掘進機位置信息，具體包括鉆頭位置、車體姿態(tài)和位置、運動軌跡等的顯示，工作人員能夠直觀地將現(xiàn)場情況與預(yù)定數(shù)據(jù)進行對比，及時發(fā)現(xiàn)控制偏差。

圖2 上位機管理軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 下位機控制軟件

下位機控制軟件以主程序為核心，分別接收來自切換開關(guān)和傳感器的手動/自動切換指令和掘進機各項位置數(shù)據(jù)，通過實時通訊接口向上位機發(fā)送工況信息和接收控制指令。下位機的主要功能是進行車體和鉆頭控制、異常處理和地質(zhì)判斷。下位機控制軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 下位機控制軟件結(jié)構(gòu)圖

車體運動軌跡的控制對象是掘進機履帶的兩個電機，慣測系統(tǒng)將實際運動軌跡轉(zhuǎn)換為車體位置三維坐標(biāo)，通過CAN總線發(fā)送給下位機控制器，與給定運動軌跡做差得到軌跡偏差，再次發(fā)送至CAN總線，PLC接收到軌跡偏差信息后進行基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制，控制兩個履帶電機運動，形成完整的閉環(huán)控制回路。鉆頭控制包括旋轉(zhuǎn)平臺方位、截割頭俯仰和截割頭長度控制回路，三者不存在耦合，分別獨立控制，其控制結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別是旋轉(zhuǎn)平臺和截割頭支架采用角度傳感器測量角度，經(jīng)過CAN總線發(fā)送給下位機控制器，而截割頭長度采用位移傳感器測量，不經(jīng)過CAN總線，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機控制器。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 CAN通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

CAN通訊網(wǎng)絡(luò)是自動掘進系統(tǒng)的核心，其設(shè)計品質(zhì)決定了整個系統(tǒng)的實時性能。在CAN通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，特別是軟件和硬件層面實現(xiàn)CAN總線時需要著重加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。CAN通訊網(wǎng)絡(luò)將上位機和下位機、下位機和PLC在數(shù)據(jù)層面上雙向連接起來，在設(shè)計接收程序時按幀接收，并對每一幀進行數(shù)據(jù)分析才能清除內(nèi)存。

4.2 改進PID控制算法

PID控制是一種傳統(tǒng)的、應(yīng)用廣泛的控制算法，但是其參數(shù)整定相當(dāng)程度上依賴控制對象的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。在自動掘進系統(tǒng)中，車體變形是常見的現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)車體變形時，掘進機的數(shù)學(xué)模型不再準(zhǔn)確，機械大臂會對門墻產(chǎn)生欠挖和超挖，導(dǎo)致門墻變形，因此單純的PID控制無法滿足實時控制的要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠逼近所有非線性函數(shù)，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和傳統(tǒng)PID控制結(jié)合起來，能夠改善掘進機的自動掘進控制效果。

5 結(jié)束語

掘進機自動掘進控制系統(tǒng)具有自動和手動兩種模式，在自動模式中，系統(tǒng)主要完成軌跡控制和截割控制。系統(tǒng)主要部分是位于監(jiān)控室的工控機和位于掘進機機身的嵌入式控制器，分別搭載管理軟件和控制軟件。CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)決定了系統(tǒng)的實時性能，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的PID控制器決定了系統(tǒng)的控制性能。