基于模糊控制的掘進(jìn)機(jī)機(jī)械臂新型控制方式

摘要：掘進(jìn)機(jī)是煤礦工業(yè)的重要設(shè)備。目前，掘進(jìn)機(jī)機(jī)械臂是以恒定移動(dòng)速度切割截面為主，往往無法根據(jù)實(shí)際情況對(duì)移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致設(shè)備工作時(shí)易進(jìn)入過載或欠載狀態(tài)。為解決該問題，提出了一種掘進(jìn)機(jī)機(jī)械臂新型控制方式，即將傳統(tǒng)的手柄式機(jī)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(jī)械臂的移動(dòng)速度。這種機(jī)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(jìn)機(jī)；PLC控制器；模糊控制；液壓閥我國(guó)是能源消耗大國(guó)，隨著國(guó)家發(fā)展與國(guó)際形勢(shì)的變化，天然氣、石油等能源價(jià)格不斷攀升，煤炭資源逐漸獲得關(guān)注，市場(chǎng)需求的提高將刺激煤炭行業(yè)的發(fā)展。在國(guó)家“采掘并重，掘機(jī)先行”政策和市場(chǎng)需求的刺激下，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)械臂恒速移動(dòng)方式來對(duì)掘進(jìn)機(jī)的調(diào)控方式進(jìn)行進(jìn)一步的研究，建立完善的自動(dòng)化系統(tǒng)將是未來重點(diǎn)發(fā)展方向。對(duì)此提出一種掘進(jìn)機(jī)新型自動(dòng)化控制方式使掘進(jìn)機(jī)機(jī)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(jìn)機(jī)作業(yè)問題

掘進(jìn)機(jī)主要由破碎機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)滾筒、機(jī)械臂、牽引部、液壓系統(tǒng)等組成。在使用掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中，改變切割位置需要不斷調(diào)整機(jī)械臂的位置，但機(jī)械臂以恒定速度移動(dòng)容易導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓或過載運(yùn)行，進(jìn)而引發(fā)以下問題：截齒磨損嚴(yán)重或者脫落、器械振動(dòng)幅度偏大或偏小，導(dǎo)致軸承溫度過高或過低［1］。嚴(yán)重時(shí)將會(huì)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(jī)械臂以變化的移動(dòng)速度完成位置移動(dòng)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(jī)構(gòu)與模糊控制器構(gòu)成。執(zhí)行機(jī)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(dāng)前機(jī)械臂所處角度與機(jī)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(jī)械臂位置，傳感器模塊采集機(jī)械臂位置信息傳輸至模糊控制器進(jìn)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(jī)械臂的移動(dòng)速度。見圖1。

2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)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(dòng)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(dòng)設(shè)備專用PLC控制器，能夠確保掘進(jìn)機(jī)截割控制的穩(wěn)定性和可靠性［2］，可以通過對(duì)液壓閥流量的調(diào)控來完成對(duì)機(jī)械臂移動(dòng)速度的控制。傳感器采用IP等級(jí)為六級(jí)及以上的傳感器，在液壓閥與機(jī)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(dòng)作過程中完成數(shù)據(jù)采集。傳感器模塊將當(dāng)前油壓大小、機(jī)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(jiān)固，可抵御沖擊、潑濺、振動(dòng)且從6英尺高處跌落而不會(huì)損壞或中斷。

在機(jī)械臂調(diào)控過程中，通過控制搖桿移動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)調(diào)控機(jī)械臂?？刂茡u桿選用由霍爾元件構(gòu)成的霍爾搖桿?；魻栐ㄟ^檢測(cè)磁場(chǎng)的變化來檢測(cè)搖桿的位置和方向，輸出信號(hào)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(dòng)、不怕污染或腐蝕［3］等優(yōu)點(diǎn)，更加適應(yīng)實(shí)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(jī)械臂移動(dòng)速度，控制搖桿的變化方向代表機(jī)械臂移動(dòng)方向，移動(dòng)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(shí)庫與推理決策邏輯以及精確化計(jì)算組成［4］。掘進(jìn)機(jī)在工作狀態(tài)下，機(jī)械臂的移動(dòng)是連續(xù)變化的，輸入值常位于中間值?；谠卤硎痉ńC(jī)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(cè)量值轉(zhuǎn)化為模糊子集的過程。

知識(shí)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(jí)，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(yàn)法?；趯＜医?jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)的特性，制定液壓閥調(diào)控規(guī)則，共計(jì)25條規(guī)則。其模糊邏輯設(shè)計(jì)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?yàn)楫?dāng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)角誤差很大且誤差變化率正在減小時(shí)，說明機(jī)械臂可能正在朝著目標(biāo)角度靠近，執(zhí)行器力度適當(dāng)，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?yàn)楫?dāng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)角誤差已經(jīng)為零且誤差變化率也為零時(shí)，說明機(jī)械臂轉(zhuǎn)角已經(jīng)非常接近目標(biāo)轉(zhuǎn)角，不需要進(jìn)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(jī)械臂正在受擾動(dòng)遠(yuǎn)離目標(biāo)值，需要降低油壓大小以穩(wěn)定機(jī)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?yàn)楫?dāng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)角誤差很大且誤差變化率正在減小時(shí)，說明系統(tǒng)可能出現(xiàn)了過沖，且過沖趨勢(shì)減少，需要減小比例增益來縮小誤差，同時(shí)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(jìn)行映射。由采樣時(shí)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(zhǔn)去推理隸屬度函數(shù)，通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合或依然是一個(gè)隸屬函數(shù)，無法在實(shí)際中使用，必須有一個(gè)確定的值才能應(yīng)用于受控器件或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)［6］。因此需要精確化計(jì)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(biāo)圍成面積的重心為模糊推理的最終輸出值，即對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的微小變化，模糊推理的最終輸出也會(huì)發(fā)生一定的變化［7］。

調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)理為：當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后，傳感器模塊將當(dāng)前機(jī)械臂坐標(biāo)輸入至模糊控制器，將輸入坐標(biāo)模糊化后，進(jìn)行推理決策判斷與專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較，確定決策結(jié)果后進(jìn)行精確化計(jì)算輸出至PLC控制器對(duì)移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)控。

4機(jī)械臂調(diào)控過程

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中，機(jī)械臂在水平方向上的擺角范圍約為-27.8°～27.8°，其對(duì)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(duì)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(shí)，傳感器裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前油壓大小與機(jī)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(jī)械臂的移動(dòng)速度。見圖2。

操作人員啟動(dòng)掘進(jìn)機(jī)使其進(jìn)入工作狀態(tài)，調(diào)控系統(tǒng)完成初始化。此時(shí)，傳感器模塊便對(duì)當(dāng)前的掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行采集。當(dāng)作業(yè)人員操作控制搖桿調(diào)控機(jī)械臂角度時(shí)，傳感器模塊將機(jī)械臂空間坐標(biāo)輸入至模糊推理中，經(jīng)決策判斷后，將決策得出的機(jī)械臂移動(dòng)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(duì)模糊推理決策的移動(dòng)速度輸入值，調(diào)整液壓閥油壓大小，從而調(diào)控機(jī)械臂的移動(dòng)速度。若推理決策的移動(dòng)速度與機(jī)械臂當(dāng)前的移動(dòng)速度相同，則不改變機(jī)械臂移動(dòng)速度；反之，則調(diào)整機(jī)械臂移動(dòng)速度與決策速度保持一致。此掘進(jìn)機(jī)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(jī)械臂移動(dòng)速度是掘進(jìn)機(jī)在工作中的重要工作參數(shù)。根據(jù)實(shí)際工作情況，傳感器模塊采集機(jī)械臂狀態(tài)，進(jìn)行模糊推理，通過PLC控制器調(diào)控液壓閥油壓大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)控。設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)機(jī)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(duì)于輸入信號(hào)的微小變化，其推理的最終輸出一般也會(huì)發(fā)生一定的變化，且這種變化能夠更明顯降低電機(jī)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。

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