斗輪機煤場定位的控制算法

史春玲，李一紅

（武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢430074）

斗輪堆取料機（簡稱斗輪機）是火力發電廠輸煤系統中取煤和堆煤的重要設備之一.為了使斗輪機運行效率更高，并確保煤粉混合均勻，節約資源，提高燃燒效率，在斗輪機堆煤和取煤時，必須對斗輪機進行準確定位［1］.本文針對電廠輸煤斗輪堆取料機煤場的定位算法進行了研究，以期進一步提高當前斗輪堆取料機的自動化程度.

1 斗輪機的結構

以軌道式斗輪機為例.斗輪機主要由金屬架構、進料皮帶機（尾車部分）、懸臂皮帶機、回轉機構、行走機構、斗輪及斗輪裝置、俯仰液壓機構等組成［2］.

其中，進料皮帶機位于尾車上.它依靠尾車上兩組液壓缸的作用，完成俯仰動作.回轉機構主要由支撐部分與回轉驅動裝置組成.回轉驅動裝置一般安裝在轉盤尾部或側部，安裝在減速器輸出軸上的驅動齒輪與軸承的外齒相嚙合，通過電動機的動力傳動，實現轉盤以上部分對于門座的回轉.行走機構是用來將斗輪機在軌道上往復運動的機構，可以進行堆、取料行走和調車行走.操作室為斗輪機的中樞，操作室與立柱相固定，由操作盤 、操作儀表、控制設備及配電屏等組成.

2 斗輪在煤場中的D－H表示法

斗輪機煤場定位系統由傳感器、DSP及其外圍電路等組成.斗輪機簡化成機器人手臂形式的模型后，即可建立機構運動學方程.為描述斗輪機相鄰構件間平移和轉動關系，可用D－H（Danevit－Hartennberg）方法.D－H方法是為每個關節處的桿件坐標系建立4×4齊次變換矩陣，表示它與前一桿件坐標系的關系.這樣逐步變換，即可用基座坐標來表示斗輪坐標.具體做法為：把構件坐標系嵌入斗輪機的每一個連桿機構中，用齊次變換來描述這些坐標系之間的相對位置和方向.描述一個連桿與下一個連桿之間關系的齊次變換矩陣記為An矩陣（其中n表示第n個連桿）.假設斗輪機簡化模型尺寸如圖1所示［3］.

連桿各參數作如下定義：轉角θn，連桿n繞關節n的Zn－1軸的轉角，右手法則；距離dn，連桿n沿關節n的Zn－1軸的位移，沿Zn－1正向為正；長度an，連桿n沿Xn方向上的長度，Xn正向一致；扭角αn，連桿n兩關節軸線之間的扭角，右手法則.

對于斗輪機基座即行走機構來講，距離d1是其關節變量；對于回轉機構和俯仰機構來講，轉角θ2、θ3是其關節變量.

斗輪機各連桿坐標系建立后，n－1系與n系之間的變換關系可用坐標系的平移、旋轉來實現.從n－1系到n系的變換步驟如下：

1）令n－1系繞Zn－1軸旋轉θ角，使Xn－1與Xn平行；

2）沿Zn－1軸平移dn，使Xn－1與Xn重合；

3）沿Xn－1軸平移an，使兩個坐標系原點重合；

4）繞Xn－1的軸旋轉αn角，使得n－1系與n系重合.

圖1 斗輪機簡化模型尺寸

用一個總的變換矩陣An來表示連桿n的齊次變換矩陣為：

這樣，第n系中的點rn在第n－1系中可表示為

由此可推出第n坐標相對于基座坐標系位置齊次變換矩陣為

式中，［nnpnqn］是固連在第n個桿件上的第n個坐標系的姿態矩陣，Wn是由基座坐標系原點指向第n個坐標系原點的位置矢量.

對于斗輪機而言，斗輪機斗輪相對于行走機構的位置齊次變換矩陣為

只要求出A1、A2、A3，便可得到斗輪機斗輪相對于基座坐標系位置齊次變換矩陣.

確定斗輪的運動方程后，即可對斗輪進行準確的坐標定位.

3 算法示例

假設有一斗輪機行走輪到回轉中心距離為12 m，回轉中心軸到俯仰鉸點距離85m，俯仰鉸點到輪中心點距離6m，回轉中心至地面帶輪的距離為25m.建立圖1所示的坐標系，斗輪機初始位置在參考坐標系（X0，Y0，Z0）中為P（1000）.斗輪機俯仰角度10°，接著回轉角度為60°，向前行走100m.求運動后，斗輪相對于參考坐標系的坐標.

所以位置齊次變換矩陣為

解之得 X0＝4.924／629.53＝0.0078，Y0＝－0.868／629.53＝－0.0014，Z0＝－8.66／629.53＝－0.0138.

綜上所述，經過一系列的變換后，P點相對于參 考 坐 標 系 （X0，Y0，Z0） 的 坐 標 為 （0.0078，－0.0014，－0.0138）.

4 結束語

電廠輸煤系統面積較大，電煤在煤場中的儲運是隨機的，如何實現斗輪機高效輸送電煤，如何在煤場中對斗輪機準確定位，以準確控制論斗輪相對煤堆的位置，進而提高輸煤效率，對保證鍋爐的正常運行，提高生產效率具有一定的現實意義.斗輪機的安全、有效運行，對電廠的正常、持續運轉起關鍵作用.

［1］ 國電太原第一熱電廠.輸煤系統和設備［M］.北京：中國電力出版社，2008：2－5.

［2］ 中國動力工程學會.火力發電廠設備技術手冊第四卷火電站系統與輔機［M］.北京：機械工業出版社，1998：5－12.

［3］ 計算機輔助設計與制造［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.