曹 輝

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 太原 030206）

引言

掘進過程為煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，掘進效率決定整個煤礦的建設周期，掘進質量決定巷道的成型質量，最終影響著工作面的回采效率和安全性。目前，傳統(tǒng)的掘進機行走控制系統(tǒng)主要通過操作人員的肉眼觀察并結合經(jīng)驗來對其進行手動糾偏控制，以保證掘進機行走在正確的軌道上。但在由于工作面能見度低、操作人員的個人經(jīng)驗和精力均存在差距，使得在實際生產(chǎn)中存在手動糾偏不到位或者過位的情況，進而導致欠挖和過挖的現(xiàn)象發(fā)生[1]。為此，本文主要以掘進機行走驅動系統(tǒng)為例展開研究，基于模糊控制算法實現(xiàn)對行走軌跡的跟蹤控制。

1 掘進機行走系統(tǒng)概述

掘進機行走系統(tǒng)的主要執(zhí)行部件為履帶，其能夠實現(xiàn)掘進機設備的前進、后退和轉向，可保證控制系統(tǒng)對掘進機液壓馬達進行準確、實時控制，同時可保證履帶在正確的軌道上運行，實現(xiàn)掘進工作面的無人值守。常規(guī)掘進機行走系統(tǒng)的結構如圖1 所示。

圖1 掘進機行走系統(tǒng)組成圖

由圖1 可以看出，掘進機行走系統(tǒng)由驅動輪、導向輪、支重輪、拖輪以及履帶組成。掘進機行走系統(tǒng)主要依靠液壓系統(tǒng)進行控制，其左右兩側存在兩個獨立對稱的液壓控制系統(tǒng)。液壓馬達為行走系統(tǒng)的動力源，通過對比例換向閥的左位、右位以及中位三個位置進行控制，可實現(xiàn)對單側履帶的前進、后退以及靜止三種工作狀態(tài)的控制。此外，液壓控制系統(tǒng)中采用單向閥，以避免液壓油的回流；采用溢流閥對液壓系統(tǒng)線路進行保護，以避免超壓狀態(tài)下系統(tǒng)出現(xiàn)故障。同時，對比例換向閥左位和右位閥門開度大小進行控制，可實現(xiàn)對液壓油流速的控制，從而實現(xiàn)對行走速度的控制[2]。

當左右兩側比例換向閥處于相同的位置且閥開度大小一致時，掘進機處于前進或者后退的運行狀態(tài)。當左側閥口的開度大于右側閥口時，掘進機向右轉向運行；反之，掘進機向左轉向運行。

2 掘進機行走軌跡的跟蹤控制

掘進機在實際掘進過程中，由于工作面不可預知的因素較多，因此掘進設備必須根據(jù)實際情況，對掘進方向、速度等進行實時控制，以保證設備按照預定軌跡運行。一般情況下，應保證掘進機按照巷道的中線運行，只有保證掘進機在巷道的中線位置運行，才能避免巷道出現(xiàn)欠挖或者超挖的情況。

為保證掘進機行走軌跡按照預定軌道運行，需保證設備的位置偏差、方位角偏差、距離偏差及橫縱坐標偏差不超過相關標準規(guī)定要求，其中對位置和方位角偏差的控制尤為重要。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的規(guī)定，要求掘進機運行軌跡偏移巷道中線的距離不得超過0.05 m；要求方位角的偏差不超過0.05 rad。

掘進機行走軌跡的跟蹤控制：根據(jù)巷道的定位精度、施工方法、施工精度以及巷道的地質條件，對掘進機左右行走系統(tǒng)的速度進行控制，從而保證設備能夠按照預定軌跡或者巷道中線運行。實踐表明，采用傳統(tǒng)的控制理論無法保證掘進機能夠實現(xiàn)精準的軌跡跟蹤控制，且在突發(fā)情況下，對掘進機行走方向的控制存在滯后性。為此，本文基于模糊控制算法，以掘進機的位置偏差和方位角偏差為輸出，對掘進機左右行走系統(tǒng)履帶的速度差進行控制，以此保證掘進機按照預定軌道運行[3]。同時，采用模糊控制算法實現(xiàn)了對掘進機左右履帶速度叉的閉環(huán)控制，對應的控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 掘進機行走軌跡跟蹤控制模糊控制框圖

由圖2 可知，基于全站儀對掘進機在巷道的位置、橫縱坐標以及方位角進行測量，將其與預定軌跡的橫縱坐標和方位角進行對比，得到e（l）和e（θ）；掘進機軌跡跟蹤模糊控制器以e（l）和e（θ）為輸入，得出左右兩邊履帶的速度差；再結合當前掘進機左右履帶的運行速度、實時位置和預定軌跡，將左右履帶的運行速度分別調(diào)整至正確值，最終保證掘進機處于預定軌跡運行。

3 掘進機行走系統(tǒng)控制策略的設計與仿真

3.1 掘進機行走系統(tǒng)控制策略的設計

掘進機行走系統(tǒng)控制策略是在操作人員對掘進機駕駛經(jīng)驗的基礎上，結合掘進機的行走特點制定的掘進機行走系統(tǒng)控制策略，具體如下：

1）當掘進機的實際行走軌跡與巷道中線位置及方位角的偏差較大，且掘進機的整體運行方式朝著預定軌跡運行時，對應的控制策略為：控制掘進機左右履帶在較小的速度差或者零速度差下運行，使得掘進機盡快回到預定軌跡[4]。此時，對應的掘進機位置偏差和方位角偏差為異號。

2）當掘進機的實際行走軌跡與巷道中線位置及方位角的偏差較大，且掘進機的整體運行方式背離預定軌跡運行時，對應的控制策略為：控制掘進機左右履帶在較大的速度差下運行，確保掘進機盡快轉向回到預定軌跡。此時，對應的掘進機位置偏差和方位角偏差為同號。

3）在巷道中線的位置和方位角兩個參數(shù)中，當掘進機實際行走軌跡與其中一個參數(shù)的偏差較大，且與另一個參數(shù)偏差較小時，對應的控制策略為：控制掘進機左右履帶在較小速度差或中等速度差的狀態(tài)下運行，保證掘進機平穩(wěn)回到預定位置。

3.2 掘進機行走系統(tǒng)控制策略的仿真分析

為驗證上述模糊控制策略的效果，本文基于Simulink 軟件建立掘進機行走控制系統(tǒng)的模糊控制模型，模型中包括有預定軌跡模塊、位置偏差模塊、軌跡跟蹤模糊控制器模塊、速度換算模塊、速度模糊控制模塊以及車體運動模塊等。在仿真模擬中，設定一條半徑為15 m 的曲線和直線相結合的巷道，設定仿真時間為100 s，仿真的采樣周期為0.5 s。在直線段和曲線段的掘進機的位置偏差和方位角偏差的仿真結果如表1 所示。

由表1 可知，基于本文所設計的模糊控制算法對掘進機行走軌跡的跟蹤控制過程中，在直線段的絕對值最大位置和最大方位角偏差分別為0.019 m和0.02 rad；在曲線段的絕對值最大位置和最大方位角偏差分別為0.039 m 和0.03 rad。仿真結果均滿足《煤炭安全規(guī)程》中規(guī)定的掘進機運行軌跡偏移巷道中線的距離不超過0.05 m，方位角的偏差不超過0.05 rad 的要求[5]。

4 結語

掘進機作為煤礦掘進的關鍵設備，掘進效率和掘進質量直接決定巷道的掘進速度和后期巷道的成型質量，進而影響最終工作面回采的安全性和效率。為保證掘進機能夠按照預定軌跡對巷道進行掘進，保證巷道的成型質量，基于模糊控制算法設計的掘進機行走系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制策略經(jīng)仿真分析可知，該系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制精度滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關標準要求，可在實際生產(chǎn)中推廣應用。