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      基于模糊控制的掘進(jìn)機(jī)機(jī)械臂新型控制方式

      2024-02-24 00:00:00侯慶張靜宇胡振華葉鈺斌
      現(xiàn)代鹽化工 2024年6期
      關(guān)鍵詞:搖桿油壓掘進(jìn)機(jī)

      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。

      參考文獻(xiàn):

      [1]李紅勇,張俊峰,馬忠強(qiáng).煤礦掘進(jìn)機(jī)常見故障及處理方法[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2023,64(17):108111.

      [2]貝加萊:Compact-S PLC[J].今日制造與升級(jí),2020(4):60.

      [3]尹冬冬.基于霍爾元件的液壓支架測(cè)距系統(tǒng)[J].山東煤炭科技,2019(2):125126,129.

      [4]王志慧.基于PLC的帶式輸送機(jī)自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā),2023,38(8):195197.

      [5]姬江濤,王啟洲,張玉成,等.無人駕駛農(nóng)機(jī)裝備的模糊PI-LQR轉(zhuǎn)向控制算法[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2024,45(3):916,115.

      [6]林志.智能閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)建模及總體方案設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2024(11):3740.

      [7]袁學(xué)海.基于Zadeh蘊(yùn)涵的重心法模糊系統(tǒng)[J].遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,35(4):433440.

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