[发明专利]一种悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法

摘要

本发明公开一种悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法，属于煤矿综掘设备自主导控领域。该系统包括传感与检测系统；掘进机机载主控系统；系统执行机构。在掘进机截割煤壁过程中，当煤岩硬度发生变化时，截割头载荷也会发生变化，因此截割部系统的主要工作参数也会相应地发生变化。传感及检测系统对这些工作参数进行实时检测并将信号传入机载主控系统，机载主控系统对接收到的信号进行处理并控制执行机构动作，以达到截割臂摆速与所截割煤岩硬度实时匹配的自适应控制效果，从而在煤矿巷道掘进中，实现掘进机截割过程的完全自动化。

主权项

1.一种用于悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制方法，所述悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统包括传感与检测系统，检测截割部系统工作参数并实时传输到掘进机机载主控系统；掘进机机载主控系统，处理来自传感与检测系统的信号，产生并传输控制信号；系统执行机构，执行来自机载主控系统的控制信号，进行相应的动作；其特征是：所述的传感与检测系统包括2个油缸位移传感器，分别安装在回转驱动油缸内部和升降驱动油缸内部；2个油缸压力传感器，分别检测回转驱动油缸压力与升降驱动油缸压力；3个电流变送器，分别检测截割电机的三相电流，并转换成电压信号连续输送到计算机取平均值；2个振动加速度传感器，采集靠近截割头位置的不同方向的截割臂振动信号；所有的传感与检测装置均为矿用防爆或本质安全型设备，所有的传感与检测装置均通过接口电路或放大电路与机载主控系统中的可编程计算机控制器相连接，并实现实时通信；所述方法包括：(1)掘进机截割臂以常态下默认摆速进行截割，传感与检测系统检测相应的截割部系统工作参数，将信号实时传输到机载主控系统进行处理,并以实时更新的数据的方式在智能工控面板上显示；(2)油缸位移传感器测得的油缸位移数据传输到可编程计算机控制器中，根据油缸位移数据计算出截割头的空间位置及截割臂摆速；上述计算结果最终在智能工控面板上以实时更新的数据和图像的方式显示；(3)当煤岩硬度发生变化时，截割头载荷也会相应地发生变化；根据截割臂摆速、截割电流和煤岩硬度之间的数学关系，截割电流会以与煤岩硬度变化正相关的关系相应地发生变化；根据截割头载荷与驱动油缸压力之间的数学关系，驱动油缸压力会以与煤岩硬度变化正相关的关系相应地发生变化；靠近截割头处的截割臂振动加速度会以与煤岩硬度变化正相关的关系相应地发生变化；构建数据融合策略，将截割电流，驱动油缸压力和截割臂振动加速度三个变量进行数据融合得到一个最优权值，作为煤岩硬度变化判定的判据；将额定截割电流，驱动油缸额定工作压力和截割臂振动加速度经验值进行数据融合得到上述最优权值的标定值；截割电机的额定电流为I0，对电流变送器测得的截割电机三相电流求均值，即为截割电流为I；回转驱动油缸的额定工作压力为P01，油缸压力传感器测得的油缸压力为P1；升降驱动油缸的额定工作压力为P02，油缸压力传感器测得的油缸压力为P2；振动加速度传感器测得的截割臂在水平方向的振动加速度为Acc1，经验值为Acc01；振动加速度传感器测得的截割臂在垂直方向的振动加速度为Acc2，经验值为Acc02；构建数据融合策略，对I，P1，Acc1进行数据融合，得到最优权值W1(I，P1，Acc1)；对I，P2，Acc2进行数据融合，得到最优权值W2(I，P2，Acc2)；对I0，P01，Acc01进行数据融合，得到最优权值标定值W01(I0，P01，Acc01)；对I0，P02，Acc02进行数据融合，得到最优权值标定值W02(I0，P02，Acc02)；数据融合方法如下：其中，k1，m1，n1分别为截割臂水平摆动截割时的截割电流，回转驱动油缸压力，截割臂振动加速度的融合影响系数；k2，m2，n2分别为截割臂垂直摆动截割时的截割电流，升降驱动油缸压力，截割臂振动加速度的融合影响系数；(4)采用PID控制方法，将最优权值与其标定值进行比较，控制负载敏感式比例多路换向阀进行动作，通过改变油缸油液流量来改变驱动油缸位移变化率，调节截割臂摆速；一次控制指令执行完成后，将更新后的最优权值与其标定值进行比较，若偏差在设定标准范围内，截割臂以此时的摆速进行截割；若偏差超出设定标准范围，则继续循环上述控制过程，直至偏差减小到设定标准范围内，截割臂以此时的摆速进行截割；截割臂水平摆动截割时，将最优权值W1(I，P1，Acc1)作为煤岩硬度变化判定的判据，与其标准值W01(I0，P01，Acc01)进行比较，将其偏差e1作为PID控制的输入；截割臂垂直摆动截割时，将最优权值W2(I，P2，Acc2)作为煤岩硬度变化判定的判据，与其标准值W02(I0，P02，Acc02)进行比较，将其偏差e2作为PID控制的输入；其中，e1＝W1(I，P1，Acc1)‑W01(I0，P01，Acc01)e2＝W2(I，P2，Acc2)‑W02(I0，P02，Acc02)；(5)无论掘进机截割臂是水平摆动截割还是垂直摆动截割，截割臂摆速控制方法与过程均为上述控制方法与过程，截割臂摆速始终与煤岩硬度相适应，从而实现掘进机截割臂摆速自适应控制，使掘进机始终以最高效率进行截割工作。