許向前 簡闊 王寧 李勝利

文章編號：1671?251X（2024）04?0153?06 ?DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18171

摘要：煤巖硬度顯著影響懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)，分析掘進機空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化的關聯性，有助于更好地實現懸臂式掘進機自動化截割控制。為提高截割控制精度，提出了一種考慮煤巖硬度的懸臂式掘進機截割控制方法。根據動力學原理獲得了懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化的關系，得出隨著截割頭與目標點之間的距離、運動范圍半徑及動態(tài)角度增大，截割頭的運行穩(wěn)定性會相應提高。采用加權平衡的方式確定自動化控制參數，采用 PID控制和閉環(huán)模糊控制方法實現掘進機自動化截割控制。實驗結果表明，該方法橫向控制和縱向控制都表現出較好的性能，掘進機截割頭擺速在2 s 內達到穩(wěn)定值，動態(tài)工作穩(wěn)定性好；懸臂式掘進機截割頭回轉和升降角度變化軌跡與期望軌跡之間的吻合度較高，整體偏離程度較小，控制精度較高。

關鍵詞：懸臂式掘進機；自動化截割控制；煤巖硬度；自動化控制參數；加權平衡；PID 中圖分類號：TD632.2 ?文獻標志碼：A

Cutting control of boom-type roadheader considering coal rock hardness

XU Xiangqian1， JIAN Kuo2， WANG Ning1， LI Shengli1

（1. Institute of Energy Engineering， Shanxi Institute of Science and Technology，Jincheng 048011， China；2. College ofEnergy and Materials Engineering， Taiyuan University of Science and Technology，Jincheng 048011， China）

Abstract： The coal rock hardness significantly affects the spatial operation status of boom-type roadheader. Analyzing the correlation between the spatial operation status of roadheader and changes in coal rock hardness can help better achieve automatic cutting control of boom-type roadheader. To improve the cutting control precision， a boom-type roadheader cutting control method considering coal rock hardness is proposed. Based on the principles of dynamics， the relationship between the spatial operation status of the boom-type roadheader and the changes of coal rock hardness is obtained. It is found that as the distance between the cutting head and the target point， the radius of the motion range， and the dynamic angle increase， the operational stability of the cutting head will correspondingly improve. The automation control parameters are determined using a weighted balance method， and PID control and closed-loop fuzzy control methods are used to achieve automatic cutting control of the roadheader. The experimental results show that the method exhibits good performance in both horizontal and vertical control. The cutting head swing speed of the roadheader reaches a stable value within 2 seconds， and the dynamic working stability is good. The alignment between the trajectory of the rotation and lifting angle change of the boom-type roadheader's cutting head and the expected trajectory is high， and the overall angle deviation is small，resulting in high control precision.

Key words： boom-type roadheader; automatic cutting control; coal rock hardness; automatic control?parameters; weighted balance; PID

0引言

懸臂式掘進機具有自主行走和高精度截割等特點，極大地提高了煤礦生產效率和安全性[1]。然而，由于煤礦地質條件的復雜性和不可預測性，懸臂式掘進機截割控制仍面臨一系列挑戰(zhàn)。煤層賦存形式、硬度、傾角等地質特征的變化及煤巖分界面模糊等因素都會對截割控制產生影響，傳統的人工操作易受疲勞和主觀因素的影響，導致采煤效率較低，且存在較多安全隱患[2]。因此，如何實現懸臂式掘進機自動化截割控制，提升其在復雜工況下的穩(wěn)定性和安全性，是當前亟待解決的問題。

國內相關領域專家學者針對懸臂式掘進機截割控制開展了大量研究。張旭輝等[3]建立了懸臂式掘進機伺服控制系統數學模型，以初始截割運動特征為基礎，分析參數變化并將其作為后續(xù)控制參照，通過不斷迭代調試實現控制，但控制系統中各個模塊之間的邏輯關聯性較差，影響了控制精度。王鵬江等[4]以掘進機多種傳感器的電動機電流、油缸壓力及機械臂加速度為控制變量，計算掘進機在不同工況下運行狀態(tài)的變化，提取影響因子作為控制參照并建立控制函數，但該方法沒有考慮不同工作狀態(tài)產生的截割數值偏差，影響控制精度。

煤巖硬度顯著影響懸臂式掘進機的空間運行狀態(tài)。硬度越大，切削阻力也越大[5]。分析掘進機空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化的關聯性，有助于更好地實現懸臂式掘進機自動化截割控制。為了提高截割控制精度，提出一種考慮煤巖硬度的懸臂式掘進機截割控制方法。獲取掘進機截割頭的空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化的關聯性，將這種關聯性作為約束建立比例積分微分（Proportional Integral Derivative， PID）函數，實現有效控制。

1掘進機空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化關聯性分析

煤巖硬度變化不僅影響切削力，還會對空間狀態(tài)參數產生顯著影響，如切削力、截割頭與目標點的距離、運動范圍半徑及動態(tài)角度等。這些參數的改變會進一步影響掘進機整體運行狀態(tài)[6-7]。

煤巖硬度變化可通過截割中心點到銜接點、最近點、最遠點的距離 L0，L1，L2表示。懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)可通過伸縮油缸伸長量 m、截割機械臂長度 L 等表示。當煤巖硬度發(fā)生變化時，其他參數也會隨之發(fā)生線性變化。這意味著煤巖硬度是控制懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)的一個關鍵參數[8]。

設定l1為懸臂式掘進機截割頭位移，根據動力學原理獲得懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化的關系。

式中：S（H）為截割頭運動軌跡；H 為煤巖硬度；ΔL為機械臂長度 L 的偏移量；φ0為可控制的變化量；θ0為懸臂式掘進機的垂直夾角；r 為截割動態(tài)范圍半徑； n 為表示懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)與煤巖硬度變化關系的非線性參數。

截割頭與目標點之間的距離、運動范圍半徑及動態(tài)角度與截割頭運行穩(wěn)定性之間存在正向變動關系。隨著截割頭與目標點之間的距離、運動范圍半徑及動態(tài)角度增大，截割頭的運行穩(wěn)定性會相應提高。通過分析煤巖硬度變化與懸臂式掘進機空間運行狀態(tài)的關聯性，可針對不同硬度煤巖采取相應的控制策略，提高切割精度和效率。

2懸臂式掘進機自動化截割控制

2.1自動化控制參數確定

在煤礦開采過程中，懸臂式掘進機的工作受煤巖硬度、截割頭位置、運動范圍等因素的影響[9-10]。為了實現掘進機穩(wěn)定運行并提高開采效率，需要確定合適的自動化控制參數。

考慮截割頭與目標點之間的距離 r、動態(tài)角度θ′與截割頭運行穩(wěn)定性的正向變動關系，采用加權平衡的方式，綜合考慮這些參數的關聯性約束，以確定自動化控制參數γ。

γ= w1n2+ w2L+ w3 r2+ w4θ′+ w5Ψ0 （2）

式中w1—w5為各參數的權重，用于調整各參數對γ的影響程度。

將γ和傳感器檢測到的運行信號轉換為數字信號，并輸入 PID 控制器中，作為控制增益，用于實現精確控制和調節(jié)[11-12]。PID 控制器可根據反饋信息和設定目標進行實時調整，使懸臂式掘進機能夠更好地適應煤巖硬度變化，提高截割效率、質量和穩(wěn)定性。

2.2自動化截割控制方法

懸臂式掘進機自動化截割控制涉及的控制參數較多，PID 方法可方便地處理多變量控制問題。因此，采用 PID 方法和閉環(huán)模糊控制模式實現掘進機自動化截割控制[13-16]。

為了獲取掘進機截割頭實時位置信息，在掘進機截割頭位置放置傳感器，采集機械臂的位姿及加速度等數據[17-20]。通過位姿解算模塊求得截割頭行進點與目標點之間的距離，結合自動化控制參數，確定截割頭在掘進過程中的實時位置坐標系Xd Yd Zd 與姿態(tài)坐標系X0 Y0 Z0之間的變換矩陣0（d）T。

式中：β ， α分別為截割頭的位姿和角度，用于描述其在空間中的位置和朝向；S X，S Y，S Z 分別為掘進機寬度方向、前進方向、高度方向的位姿。

將掘進機截割頭的空間運動狀態(tài)和目標位姿偏差作為自動化控制目標值輸入傳遞函數[21-22]中，獲取反饋參數，利用變換矩陣進行計算，得到最終的調適因子。根據 PID 傳遞增益函數 G（s），將自動化控制參數作為 PID 控制器的輸入，得到合適的輸出控制信號 uPID。

式中：Kp，Kr 分別為 PID 控制的比例增益和比例放大增益；Kt 為截割頭電流增益；Kμ為截割頭視覺反饋增益；δr、δh 分別為液壓的阻尼比和固態(tài)比；ωr 為換向閥的頻寬[23-25]；fh 為液壓缸的運行頻率；k為截割頭控制系數；e為偏差輸入信號。

根據得到的控制信號對懸臂式掘進機的截割動作進行實時調節(jié)和控制。不斷監(jiān)測掘進機實際位姿和運動狀態(tài)，重新計算偏差并更新控制信號，以實現精確的自動化截割控制。

3實驗分析

3.1實驗環(huán)境

實驗用懸臂式掘進機如圖1所示。為了獲得實時的數據反饋，在掘進機頭部安裝壓電式力傳感器，該傳感器能夠實時測量掘進機截割頭在截割煤巖時所受到的力。采用 Revit 分析軟件對實驗數據進行進一步分析。以截割速度和角度為指標評估控制方法的穩(wěn)定性和精準性。

3.2不同煤巖硬度下掘進機截割頭位移分析

使用 Matlab 仿真軟件模擬不同煤巖硬度下掘進機空間幾何運行狀態(tài)，在數值仿真中，煤巖硬度參數設置見表2。

針對不同硬度級別的煤巖進行截割參數設置。對于 H1煤巖，設置切削速度為10 cm/min，切削深度為20 cm，單位切削力為500 N/cm。對于 H2煤巖，設置切削速度為8 cm/min，切削深度為25 cm，單位切削力為800 N/cm。對于 H3煤巖，設置切削速度為5 cm/min，切削深度為30 cm，單位切削力為1200 N/cm。不同煤巖硬度下掘進機截割頭位移如圖2所示。

從圖2可看出，隨著煤巖硬度增大，截割頭整體位移呈現逐漸減小趨勢。表明隨著煤巖硬度增大，截割頭在克服煤巖阻力時受到較大限制，導致其運動范圍減小。同時，摩擦因數和截割阻力也對截割頭位移產生重要影響。摩擦因數越大，截割頭克服煤巖阻力的能力越受限；截割阻力越大，截割頭運動范圍越小。因此，在實際應用中，應該充分考慮煤巖硬度范圍、摩擦因數和截割阻力等因素，以確保掘進機安全、穩(wěn)定運行。

3.3自動化截割控制結果分析

擺速作為反映截割效率和精度的關鍵參數，其變化直接體現了控制系統在面對不同煤巖硬度時的穩(wěn)定性和適應性。通過對擺速進行檢測和分析，可以驗證自動化控制參數設置的有效性，評估控制系統在不同條件下的性能表現。掘進機截割臂在橫向控制和縱向控制下的擺速變化量如圖3所示。擺速變化量越小，說明控制系統的穩(wěn)定性和精度越高?？煽闯觯瑱M向控制和縱向控制都表現出較好的性能，掘進機截割頭擺速在2 s 內達到穩(wěn)定值。這表明本文所采用的 PID 控制方法響應速度快，控制精度高，動態(tài)工作穩(wěn)定性好。

截割頭的回轉角度和垂直升降角度對于實現精確、高效的截割至關重要?；剞D角度控制截割頭在水平方向上的運動范圍，確保其在工作面內能夠靈活、準確地移動；垂直升降角度影響截割頭在垂直方向上的運動，使其能夠適應不同高度的煤巖層。自動化截割控制技術的核心就在于對這2個角度的精確控制。為驗證懸臂式掘進機自動化截割控制方法的有效性，將截割頭的回轉角度和垂直升降角度作為關鍵分析對象，結果如圖4所示?？煽闯?，懸臂式掘進機截割頭回轉和升降角度變化軌跡與期望軌跡之間的吻合度較高，整體偏離程度較小，說明本文所提控制方法精度較高。

4結語

提出了一種考慮煤巖硬度的懸臂式掘進機截割控制方法。通過分析掘進機截割頭的空間幾何運行狀態(tài)與煤巖硬度變化之間的關聯性，獲取截割頭與目標點之間的距離、運動范圍半徑及動態(tài)角度與截割頭運行穩(wěn)定性之間的正向變動關系?；诜治鼋Y果調整和確定自動化控制參數，并建立了基于 PID 傳遞增益函數的控制模型，實現了懸臂式掘進機自動化截割控制。實驗結果表明，在所提方法控制下，截割頭回轉和升降角度變化軌跡與期望軌跡之間的吻合度較高，偏離程度較小，驗證了所提方法具有較高的控制精度。

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