掘進機自動化功能的升級設計與應用

賀亞發

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦，山西 興縣033602）

引言

掘進機的行走控制系統是完成其掘進任務的關鍵，要求行走系統能夠根據巷道的實際情況控制掘進機的行走方向和行走速度，以避免巷道內出現欠挖、超挖等現象。其中，欠挖的出現會導致工作面資源的浪費，超挖會導致后期工作面巷道支護難度和支護成本增加。因此，對掘進機行走控制系統進行研究和設計，以實現設備自動化功能的升級改造。

1 掘進機行走軌跡的測量

掘進機在實際掘進過程中受到煤礦地質、煤層等周邊環境的影響，導致其驅動系統對行走輪的控制存在一定的誤差，進而使得掘進機無法按照預定軌跡行走，出現一定的偏移量。為精確獲得掘進機在掘進過程中的實際偏移量，本文采用全站儀對掘進機的實時位置和方向進行測量。

全站儀可完成的基本功能包括有電子測距、電子測角以及對所采集數據進行計算和分析等。本文所采用的自動全站儀在精確獲取掘進機實時運動參數的同時大大降低了作業人員的勞動強度，為后續掘進機自動化功能的升級奠定基礎[1-2]。

2 掘進機行走軌跡的控制原理

掘進機行走自動化控制功能，其核心是基于某種算法和自動化控制系統完成對掘進機液壓行走驅動機構的自動化控制，使掘進機根據其實際行走軌跡和預定行走軌跡的一致性，通過其前進、后退以及轉向等操作完成對掘進機的自動化控制。

掘進機行走機構主要由驅動輪、支重輪、導向輪、履帶以及拖輪等組成。其對掘進機行走機構控制的關鍵部件為液壓馬達，通過液壓馬達對行走機構兩邊的履帶進行單獨驅動控制，從而實現設備的前進、后退以及轉向等控制。其中，當兩邊履帶的速度一致時，可實現掘進機的前進和后退；當兩邊履帶的速度存在一定的速度差時，可實現掘進機的拐彎或急轉彎操作。與控制履帶速度及其轉動方向相匹配的液壓控制系統的原理圖如圖1所示。

圖1 掘進機履帶液壓系統控制原理圖

如圖1所示，比例方向閥為掘進機液壓控制系統的核心，當比例方向閥處于左位時，液壓馬達反轉，從而實現對掘進機的后退控制；當比例方向閥處于右位時，液壓馬達正轉，從而實現對掘進機的前進控制；當比例方向閥處于中位時液壓馬達不轉動，從而實現該側履帶的靜止。其中，還可通過控制左位或者右位比例方向閥的開口大小，從而實現對掘進機某側履帶速度的控制[3-4]。

實際上，通過對比例方向閥開口大小的控制，實現對液壓馬達轉速的控制。液壓馬達轉速與掘進機履帶的行走速度的換算公式如式（1）所示：

式中：v為掘進機履帶行走速度，r為掘進機驅動輪半徑，wm為液壓馬達的角速度，i為減速器的減速比。

3 掘進機行走軌跡控制算法與模糊控制器的升級設計

3.1 掘進機行走軌跡控制算法的設計

在實際監測中，通過對掘進機運動中心線是否與預定路徑一致來判斷設備是否在預定軌跡上運行。根據相關標準要求，在實際掘進機過程中設備的位置偏差不得超過0.05 m，方位角偏差不得超過0.05 rad。

對掘進機行走軌跡的控制是通過對設備兩側履帶速度進行控制而實現的。當左側履帶速度大于右側履帶速度時，掘進機向右轉彎；當左側履帶速度小于右側履帶速度時，掘進機向左轉彎；當兩側履帶速度一致時，可實現掘進機的前進和后退。因此，對掘進機行走控制的核心在于對兩邊履帶的速度控制，其對應的模糊控制算法原理圖如圖2所示。

如圖2所示，基于全站儀對掘進機實時運動軌跡進行監測，并得出相應的位置偏差參數值，在軌跡跟蹤模糊控制器與給定速度的結合下，通過速度換算得出相應的速度控制值，最終將控制值反應到掘進機的兩邊履帶速度上，實現對掘進機運動軌跡的控制[5]。

圖2 掘進機行走軌跡控制原理圖

3.2 掘進機行走軌跡模糊PID控制器的設計

經分析，實現對掘進機行走軌跡的精確控制的核心在于根據給定速度對掘進機實時位置和方位偏差的控制。因此，實現對掘進機行走軌跡控制的核心是軌跡跟蹤模糊控制器。為實現掘進機自動化功能的升級，需完成如下模糊控制過程：

1）將掘進機實際行走軌跡與預定行走軌跡的偏差作為模糊控制器的輸入變量；

2）將輸入變量的精確值換算為模糊量；

3）根據已模糊的輸入變量結合模糊控制規則得出對應的模糊控制量；

4）將所得出的模糊控制量換算為精確的控制量，并作用于執行機構。

對于模糊PID控制器而言，其中核心為對PID控制器中的比例環節、積分環節以及微分環節系數的確定。經反復核算結合掘進機行走控制系統中電壓比例閥、液壓馬達等仿真參數，最終確定模糊PID控制器中比例環節系數為1，積分環節系數為0.5，微分環節系數為1.6，對應掘進機兩邊履帶速度控制器的模型如圖3所示。

圖3 掘進機履帶速度模糊PID控制器模型

4 掘進機自動化功能升級后的應用

基于模糊PID控制算法實現對掘進機兩邊履帶的控制，從而實現掘進機前進、后退以及轉向等功能。為驗證掘進機自動化功能的升級效果，對掘進機在直線行走和轉彎工況下預定軌跡和實際軌跡之間進行對比分析，實際應用效果如圖4所示。

圖4 預定行走軌跡與實際軌跡之間的對比

如圖4所示，實線為掘進機的預定行走軌跡，虛線為掘進機的實際行走軌跡。通過對比可知，對掘進機自動化功能升級后掘進機的實際行走軌跡與預定行走軌跡幾乎一致，即證明本次針對掘進機自動化功能的升級改造是有效的。

5 結語

掘進機為煤礦生產必不可少的設備，通過對掘進機自動行走控制系統基于模糊PID控制算法進行升級改造后，掘進機可按照預定行走軌跡完成工作面的掘進任務，并對已偏離的軌跡進行及時糾偏控制，為后續進一步提升掘進機的自動化水平奠定基礎。