掘進機自動掘進系統(tǒng)的應用設計與模擬研究

馮 超

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

掘進機是一種對煤炭、巖石等進行截割、運輸、連續(xù)轉(zhuǎn)載、噴霧除塵與調(diào)整行進的聯(lián)合機組[1-2]，其中的懸臂式掘進機已經(jīng)成為目前煤礦開采不可或缺的重要設備，為合理高效布置采煤作業(yè)面創(chuàng)造了有利條件[3]。因此，應用掘進機不僅能夠提高掘進的效率，降低勞動強度，還可以降低成本，改善礦井下作業(yè)條件[4]。依據(jù)結(jié)構(gòu)，掘進機可分為全截割面型掘進機和部分截割面型掘進機[5]，其中全截割面型掘進機是將電、機、液與自動控制連為一體，可完成掘進、支護洞壁及轉(zhuǎn)運煤渣等任務，具有快速性、安全性、高質(zhì)量等優(yōu)點[6-7]。而本文是以部分斷面掘進機為控制對象，對掘進機自動掘進系統(tǒng)進行設計，旨在提高巷道掘進施工的舒適性和安全性，推動掘進機向智能化和無人化方向發(fā)展。

1 掘進機自動掘進系統(tǒng)的整體設計

對于掘進機自動掘進系統(tǒng)，本文設計以加強型的懸臂式部分斷面作為控制對象，在掘進機車體上安裝有傳感器組合與慣性測量系統(tǒng)等。其中，利用慣測系統(tǒng)對掘進機車體進行實時定位，利用傳感器組合對掘進機的姿態(tài)進行獲取，并通過計算機將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，最后，經(jīng)一定控制算法完成對掘進機驅(qū)動系統(tǒng)的控制。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設計

掘進機自動掘進系統(tǒng)包含四部分，具體是上下位機、慣測系統(tǒng)、驅(qū)動控制。在遠程操控室內(nèi)上位機，是用來完成人機交互工作，對掘進機初始化和工作情況進行實時監(jiān)控；下位機、慣測系統(tǒng)均位于掘進機車體內(nèi)，主要是依據(jù)上位機下達的任務控制整個系統(tǒng)。采用CAN總線傳輸將上位機和下位機進行通信連接。其中，CAN總線的抗干擾能力比較強，中間可增加中繼器，促使其抗干擾、驅(qū)動能力進一步提高。圖1為掘進機自動掘進系統(tǒng)的整體設計圖。

1.2 自動掘進流程

圖1 掘進機自動掘進系統(tǒng)的整體設計圖

通電后，掘進機首先對各個器件進行初始化操作，并開始自檢，若自檢合格后就等候開始命令下達；若下達開始命令，裝載機就可通過上位機將車體的軌跡數(shù)據(jù)載入，并對掘進機所處的方位進行查看檢測，若目標方位和車體方位數(shù)據(jù)相同，系統(tǒng)執(zhí)行支架安裝命令；若目標方位和車體方位數(shù)據(jù)不同，系統(tǒng)執(zhí)行人工等候命令，便于其后期順利到達目標位置。若支架還未裝好，系統(tǒng)進行等候，反之進行截割挖掘。挖掘過程中，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器[8-9]來對掘進機截割頭的左右上下擺動動作進行控制。

當掘進截割完成一個斷面開挖后，掘進機收好支架，然后對下一個車體軌跡數(shù)據(jù)繼續(xù)裝載，執(zhí)行下一輪的循環(huán)掘進作業(yè)。如下頁圖2所示為掘進機自動掘進流程。

2 掘進機自動掘進系統(tǒng)的硬件設計

掘進機自動掘進系統(tǒng)中，上位機采用工控機，其運行平臺選用Windows2000操作系統(tǒng)；下位機采用嵌入式主機，其運行平臺選用嵌入式操縱系統(tǒng)。此外，通過CAN擴展總線接口模塊，將上下位機都掛接在CAN的總線上。再通過CAN總線，將下位機和掘進機驅(qū)動控制模塊SPT-K、驅(qū)動控制器PLC相連接。此外，上下位機均配有自動/手動切換開關(guān)，為手動進行控制以及系統(tǒng)調(diào)試創(chuàng)造有利條件。下頁圖3為掘進機自動掘進系統(tǒng)的硬件設計圖。

3 掘進機自動掘進系統(tǒng)的軟件設計

圖2 掘進機自動掘進流程圖

圖3 掘進機自動掘進系統(tǒng)的硬件設計圖

上位機軟件模塊包含有主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、繪圖模塊、通信模塊、空間坐標變化模塊和數(shù)據(jù)模塊，其中主控模塊主要是對整個上位機軟件進行運行控制。在運行過程中，主控模塊的定時器以一定的間隔時間將通信模塊與下位機通信，對下位機上傳至載體中的掘進機工作情況和位置進行讀取。經(jīng)過空間坐標變換處理的數(shù)據(jù)，就可獲得慣性坐標中掘進機的坐標。再通過數(shù)據(jù)存儲模塊將得到的坐標、狀態(tài)存儲至數(shù)據(jù)模塊中。與此同時，通過空間坐標變換模塊，將慣性坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換成顯示坐標系下的坐標，最后利用繪圖模塊，將這些坐標在上位機界面上進行顯示。

下位機控制軟件包含有掘進機截割頭控制算法、車體運動控制算法、異常處理和地質(zhì)判斷、通信接口。下位機也同樣配有自動/手動切換開關(guān)，為系統(tǒng)調(diào)試以及異常情況創(chuàng)造有利條件。圖4為下位機控制軟件結(jié)構(gòu)圖。

4 仿真分析

圖4 掘進機下位機控制軟件結(jié)構(gòu)圖

本文對掘進系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器的動態(tài)響應特性進行仿真分析，得到如圖5所示的階躍響應圖。掘進機控制系統(tǒng)的時間響應，從整體來看可分為兩個階段，即穩(wěn)態(tài)和動態(tài)階段。其中，穩(wěn)態(tài)指的是時間趨向無窮時，系統(tǒng)的輸出狀態(tài)；動態(tài)指的是系統(tǒng)從最初的狀態(tài)直至達到最終狀態(tài)的響應過程。對系統(tǒng)響應進行研究，需要對穩(wěn)態(tài)和動態(tài)中的特點和相關(guān)性能進行研討。通常情形下，掘進自動系統(tǒng)跟蹤以及復現(xiàn)階躍輸入是比較嚴格的工作條件，所以通常衡量性能的優(yōu)劣時采用階躍響應。

圖5 掘進系統(tǒng)階躍響應圖

從圖5中可看出，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器不僅具有很好的動態(tài)響應特性，且當掘進環(huán)境軌跡路線發(fā)生變化時，還具有更好的魯棒性[10]，可隨掘進運動軌跡變化而變化；此外，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制對非線性控制效果也比較明顯，能夠較好地對截割動作中的超挖和欠挖現(xiàn)象進行處理，利于截割斷面的一次成型。

5 結(jié)語

本文提出掘進機的自動掘進系統(tǒng)，主要對其整體結(jié)構(gòu)及軟硬件進行應用設計，其中，整體結(jié)構(gòu)包括上位機、下位機、驅(qū)動系統(tǒng)和慣測系統(tǒng)；硬件分上下位機，且上下位機分別采用工控機和嵌入式主機；而軟件系統(tǒng)屬于掘進機的主要控制系統(tǒng)。最后，本文對該自動系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器的動態(tài)響應特性進行分析。仿真結(jié)果表明：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器動態(tài)響應特性好，且具有更好的魯棒性，對非線性控制效果也比較顯著，利于截割斷面一次成型。