煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)研究

隨著智能技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，要求膠帶機(jī)能夠高精度、高效率完成工作，因此，煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)成為研究重點(diǎn)。本文分析了膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、重要性以及控制算法，主要目的就是提升智能制造領(lǐng)域膠帶機(jī)的性能，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.膠帶機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理

膠帶機(jī)安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的工作阻力小，能夠以較低的電力消耗運(yùn)送較遠(yuǎn)的距離[1]。膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)為膠帶機(jī)提供牽引力，主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。膠帶機(jī)的工作原理是膠帶環(huán)繞傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向和拉緊滾筒形成一個(gè)環(huán)形。當(dāng)膠帶機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒，膠帶受到傳動(dòng)滾筒的摩擦力而運(yùn)轉(zhuǎn)，拉緊滾筒為膠帶提供合適的張力，保證膠帶機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

2.膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)的重要性

煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)在智能制造中處于核心地位，對(duì)生產(chǎn)的效率、安全性、產(chǎn)品質(zhì)量以及成本都有著不可替代的作用[3]。智能制造對(duì)煤礦井下膠帶機(jī)的控制精度提出了更高要求，不僅體現(xiàn)在膠帶機(jī)的定位精度上，還包括對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡和速度的精確控制。精確控制技術(shù)對(duì)于提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要，精確控制輸送速度、物料投放量都要求智能化控制系統(tǒng)具備高度的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。另外，精確控制技術(shù)對(duì)于提升生產(chǎn)安全性也具有重要作用，精確控制技術(shù)能夠確保膠帶機(jī)的運(yùn)行軌跡和操作精度，避免因設(shè)備運(yùn)行偏差導(dǎo)致的安全事故?？山柚_控制技術(shù)對(duì)膠帶機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，保障生產(chǎn)過(guò)程始終穩(wěn)定且連貫，精準(zhǔn)把控產(chǎn)品質(zhì)量。智能化的主要目的就是降低成本，實(shí)現(xiàn)利益最大化，而精確控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行和遠(yuǎn)程監(jiān)控，人工成本得到了有效地控制。

3.膠帶機(jī)智能化精確控制算法設(shè)計(jì)

3.1基于PID控制的膠帶機(jī)控制算法設(shè)計(jì)

PID的控制原理就是通過(guò)計(jì)算被控對(duì)象的誤差，對(duì)系統(tǒng)的誤差和輸出變量進(jìn)行比例、積分和微分處理，從而生成一個(gè)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)膠帶機(jī)。PID調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

本文采取了近似代替的方法，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量表達(dá)式，即：

式中， 為比例增益； 為積分增益； 為微分增益； e （ k ） 為第k個(gè)采樣時(shí)刻的實(shí)際值與給定值的差值。

其中，比例項(xiàng)負(fù)責(zé)降低誤差的幅度;積分項(xiàng)負(fù)責(zé)消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分項(xiàng)根據(jù)偏差變化的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可縮短被控制變量的調(diào)節(jié)過(guò)程。

3.2采用自適應(yīng)控制技術(shù)提升控制精度

自適應(yīng)控制技術(shù)是提高控制精準(zhǔn)度的關(guān)鍵技術(shù)保障，面對(duì)負(fù)載大、輸送距離長(zhǎng)的工況時(shí)，膠帶機(jī)啟動(dòng)階段能快速生成充足的張緊力，有效降低輸送帶的振動(dòng)幅度。自適應(yīng)控制的流程如下：首先，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，動(dòng)力方程為：

根據(jù)參數(shù)估計(jì)的結(jié)果設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制律，其表達(dá)式為：

式中， 為質(zhì)量矩陣； 為離心力矩陣； G（ q） 為傳遞函數(shù)； 為比例增益；e為誤差量； 為誤差量的導(dǎo)數(shù)。

在現(xiàn)代控制理論中實(shí)施反饋控制是采用自適應(yīng)控制技術(shù)提升控制精度的最后一個(gè)步驟。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)需要將計(jì)算出的扭矩 τ 應(yīng)用到膠帶機(jī)上，并持續(xù)監(jiān)測(cè)膠帶機(jī)的工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況調(diào)整參數(shù)估計(jì)和控制律。

3.3基于背景建模法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

背景建模是用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)前景的常用方法，最大的優(yōu)點(diǎn)就是根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以設(shè)計(jì)不同的建模方法[4]。背景建模法用于煤礦井下膠帶機(jī)中可精確檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其建模流程如下：

[1]背景初始化

在煤礦井下膠帶機(jī)的背景建模中需要進(jìn)行初始化，提供基準(zhǔn)狀態(tài)及消除初始誤差，使背景模型更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

[2]背景更新

背景更新的主要目的是能適應(yīng)環(huán)境隨時(shí)間的變化，避免因環(huán)境因素的改變導(dǎo)致對(duì)膠帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)出現(xiàn)誤判或漏判。背景更新的關(guān)鍵步驟如下：

① 更新方式

所有像素點(diǎn)以相同的方式更新，表達(dá)式為：

式中，α是學(xué)習(xí)率，范圍在[0，1]之間；Bt和It分別是t時(shí)刻的背景和當(dāng)前幀。

② 學(xué)習(xí)率

學(xué)習(xí)率可以是確定且能動(dòng)態(tài)調(diào)整的，也可以是模糊的。學(xué)習(xí)率影響背景模型適應(yīng)環(huán)境變化所需的時(shí)長(zhǎng)，因此，針對(duì)具有不同時(shí)域特征的背景，應(yīng)當(dāng)采用差異化的學(xué)習(xí)速率。

[3]前景檢測(cè)

前景檢測(cè)是通過(guò)之前的操作成功獲取背景之后，將待檢測(cè)的視頻幀圖像減去背景圖像，獲得其中的運(yùn)動(dòng)前景部分。

3.4基于卡爾曼濾波與最近鄰法結(jié)合 的目標(biāo)跟蹤

卡爾曼濾波器通過(guò)迭代的方法將整個(gè)追蹤過(guò)程分為預(yù)估和矯正兩個(gè)步驟：一是計(jì)算下一個(gè)狀態(tài)的變量和誤差協(xié)方

差，如式（6）；二是將先驗(yàn)估計(jì)和新的測(cè)量值結(jié)合起來(lái)進(jìn)行后驗(yàn)估計(jì)。

在井下膠帶運(yùn)輸機(jī)輸送物體的場(chǎng)景中，視頻檢測(cè)算法流程如下： ① 對(duì)初始化后的視頻幀圖像進(jìn)行處理，檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域，并追蹤目標(biāo)區(qū)域的外接矩形中心。② 運(yùn)用卡爾曼濾波算法對(duì)下一幀Tracks的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。 ③ 采用最近鄰方法，匹配預(yù)測(cè)得到的Tracks位置與新檢測(cè)到的Detections位置。 ④ 對(duì)各個(gè)預(yù)測(cè)Tracks和Detections區(qū)域中心之間的歐氏距離進(jìn)行計(jì)算。 ⑤ 對(duì)預(yù)測(cè)Tracks的位置進(jìn)行更新，更新后的Tracks將用于后續(xù)視頻幀中的目標(biāo)跟蹤。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文深入探討了煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)，通過(guò)分析膠帶機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理，明確了其在智能制造中的重要性，重點(diǎn)研究PID控制、自適應(yīng)控制、背景建模和卡爾曼濾波與最近鄰法在提高控制精度方面的應(yīng)用。本研究對(duì)煤礦井下膠帶機(jī)智能化精確控制技術(shù)的發(fā)展具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]煤炭工業(yè)部書(shū)刊室．皮帶運(yùn)輸機(jī)[M].中國(guó)工業(yè)出版社，1965.

[2]余洲生。連續(xù)輸送機(jī)械[M].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，1981.

[3]趙文博。井下膠帶輸送機(jī)的智能視頻監(jiān)測(cè)方法研究[D].西安科技大學(xué)，2014.

[4]萬(wàn)劍?；卩徲蛳嚓P(guān)性的背景建模方法研究[D].重慶大學(xué)，2016.

作者單位：充礦能源集團(tuán)股份有限公司南屯煤礦