以DSP 為核心的懸臂式掘進機控制系統(tǒng)設(shè)計

陳 隆

（大同煤礦集團王村煤礦， 山西 大同 037000）

引言

現(xiàn)在，我國煤礦開采所使用的懸臂梁掘進機主要通過工人目測觀察、手動操作兩種方式開展工作。由此可以看出其自動化程度相對較低，巷道斷面主要取決于人為，此外由于煤礦井下作業(yè)相對復(fù)雜，比如存在能見度低、粉塵大等，因此導(dǎo)致出現(xiàn)超挖以及欠欠挖現(xiàn)象，從而給后面的工作帶來影響。為此筆者設(shè)計了一種以DSP 懸臂式掘進機控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能化控制掘進機，其能夠借助設(shè)置的傳感器采集數(shù)據(jù)；同時為了能夠更加準(zhǔn)確地控制掘進機的截割部，使用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法可以有效減少掘進機在巷道掘進超挖欠挖的概率，使掘進機滿足自動化設(shè)計的需要[1-3]。

1 掘進機控制系統(tǒng)總體方案

對于掘進機的控制系統(tǒng)而言，采用DSP 為主控單元，能夠?qū)崟r對掘進機進行檢測以及控制。其中掘進機控制系統(tǒng)主要包括如下兩種功能：第一，掘進機基本控制；第二，斷面自動成形控制。前者，包括如下幾個子功能：第一，行走；第二，行星輪運動；第三，數(shù)據(jù)采集處理等等。后者是以斷面輪廓自動截割控制為基礎(chǔ)，并且融入神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制。對于遠(yuǎn)程控制單元需借助CAN 通信，當(dāng)工作時，借助查詢方式實現(xiàn)下位機對上位機的指令反饋，借助應(yīng)用中斷的方式將上位機的指令傳輸給下位機。與此同時，借助QT 軟件編寫上位機遠(yuǎn)程控制軟件，這樣能夠通過MYSQL 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。圖1 表示相應(yīng)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2 掘進機主要硬件設(shè)計

以DSP 掘進機控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的硬件主要包括如下幾個單元：第一，輸出接口單元；第二，數(shù)據(jù)采集單元；第三，通信單元。這樣可以實現(xiàn)掘進機的控制與中斷控制[4-6]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 基本輸出接口設(shè)計

設(shè)計中控制系統(tǒng)需要10 輸出24 V，相應(yīng)的DSP僅僅能夠輸出3.3 V 的電壓。本設(shè)計選用的驅(qū)動器包括TLP293-4 光電耦合器、ULN2803，其不僅可以有效地清除信號的干擾，而且能夠?qū)刂破髌鸬揭欢ǖ谋Ｗo作用，下頁圖2-1 表示輸出接口電路圖。采用DAC7724 對液壓比例控制閥進行控制，有4 路模擬輸出端口，下頁圖2-2 表示截割臂精確控制原理圖。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)字以及相應(yīng)的模擬量。通常設(shè)置RS485 和RS232 實現(xiàn)多路信號的采集。對于模擬量傳感器電壓輸出而言，其輸出范圍為0～10 V，相應(yīng)的DSP 主控單元設(shè)置的ADC 單元，不能識別該模擬信號，為此可以添加電壓分壓器，從而將電壓范圍控制在0～3 V 的范圍內(nèi)；與此同時，需要增設(shè)肖特基二極管，這樣可以保護ADC 單元。下頁圖3 表示ADC 電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計，可以實現(xiàn)采集多個數(shù)據(jù)，降低成本。

2.3 通信模塊設(shè)計

圖2 基本輸出模塊設(shè)計

圖3 ADC 電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

為了更好地對掘進機進行遠(yuǎn)程控制，可以借助CAN 完成DSP 和上位機之間的信息傳輸。本系統(tǒng)借助宇泰的USB 轉(zhuǎn)CAN 的接口完成上下位機信息通信。下位機的信息反饋方式為查詢，上位機的信息傳輸采用中斷，這樣就可以完成掘進機的遠(yuǎn)程控制。

3 掘進機程序設(shè)計

程序的編程采用單元設(shè)計，其主要包含如下幾個單元：第一，基本功能控制單元；第二，數(shù)據(jù)采集及處理單元；第三，遠(yuǎn)程通信單元；第四，斷面自動成形單元等。當(dāng)進行數(shù)據(jù)采集時，其可以把掘進機工程數(shù)據(jù)存入鏈表，與此同時設(shè)定刷新時間。

為實現(xiàn)對截割部的精確控制，通常對液壓系統(tǒng)進行準(zhǔn)確的控制。一般情況下，截割臂的動力來源于升降油缸以及相應(yīng)的回轉(zhuǎn)臺油缸的伸縮，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)截割部垂直與水平運動。其中控制系統(tǒng)主要包括如下幾個元件：第一，傳感器；第二，比例換向閥；第三，液壓缸；第四，DSP 控制器等等。圖4 表示控制原理。本文研究將掘進機設(shè)置在機身處于正常狀態(tài)下。當(dāng)截割部處于垂直截割狀態(tài)時，設(shè)定向上為正方向，向下為負(fù)方向，設(shè)定α 表示垂直升降角度。當(dāng)截割部處于水平截割狀態(tài)時，設(shè)定向左表示正方向，向右表示負(fù)方向，設(shè)定刀為水平回轉(zhuǎn)運動角度。依據(jù)工程實際發(fā)現(xiàn)，煤礦主要使用矩形巷道，因此采取的工況環(huán)境為矩形巷道。為了更好地優(yōu)化程序，假設(shè)巷道斷面位置處的各個點都是已知的，通過位移解析法計算掘進機截割壁空間的實時位置，假如截割頭處于邊界狀態(tài)，那么這時截割臂所處的擺動速度開始自動下降，圖5-1 表示斷面自動截割控制方法，圖5-2 表示相應(yīng)的斷面自動成形控制程序流程。

4 實驗驗證

本實驗采用模擬實驗的方式，以EBZ160 型懸臂式掘進機為模型，模型比例為1∶5。臂長大致有1 000 mm，依據(jù)相應(yīng)的截割機構(gòu)尺寸以及相應(yīng)的斷面控制方式，進行相應(yīng)的實驗驗證。

4.1 精確控制實驗

由于掘進機截割位置包括水平與垂直方向的運動，為此本實驗對不同角度的運動軌跡進行記錄，這樣可以與標(biāo)準(zhǔn)角度進行比較。此次試驗共設(shè)計6 組，α 分別取20°、0°、- 20°，并且活動的范圍為-22°～22°，每隔兩度的等差數(shù)列實施實驗，當(dāng)β 分別取20°、0°、-20°時，操作同α，下頁圖6 表示實驗結(jié)果。

圖4 掘進機截割部控制系統(tǒng)原理

圖5 掘進機巷道斷面控制方法

圖6 實驗驗證

圖7 表示數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB 處理之后的結(jié)果。當(dāng)α 取0°、20°、-20°時，將β 的控制角度與標(biāo)準(zhǔn)角度進行比較。在識別角度時采用絕對編碼器，絕對零點和22°相匹配，并且以等差數(shù)列遞減。假如α取0°，那么控制角度的誤差可以達到0.67°。假如α 取值為20°、α=-20°，那么相應(yīng)的誤差分別為0.71°、0.73°。通過分析控制誤差數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，假如截割臂空間角度絕對值相對較小，那么相應(yīng)的控制誤差也非常小。

圖7 截割壁水平回轉(zhuǎn)控制誤差情況

同理，假如β 取值為0°、20°、-20°，α 的測量角度和標(biāo)準(zhǔn)角度進行比較。假如β 取值為0°時，那么這時α 測量角度出現(xiàn)的最大誤差為0.69°。與此同時，當(dāng)β 取值為20°、-20°時，那么α 對應(yīng)的最大誤差分別為0.73°、0.76°。由此可以看出，在控制系統(tǒng)中植入神經(jīng)元自適應(yīng)算法時，能夠極大地優(yōu)化控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。依據(jù)懸臂式掘進機所處的工程實踐，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α 和β 角度絕對值在較大狀態(tài)時，才會發(fā)生超挖、欠挖的現(xiàn)象。依據(jù)相關(guān)參數(shù)計算出截割臂處于升降以及回轉(zhuǎn)狀態(tài)時的角度誤差低于0.80°，由此可以滿足工程需要。

4.2 斷面自動成形截割實驗

DSP 控制程序基于端面自動成型控制流程圖以及相應(yīng)的掘進機截割部對應(yīng)的模型。DSP 可以把采集到的工況數(shù)據(jù)傳輸給上位機，這時上位機可以處理α、β 的數(shù)據(jù)，掘進機可以依據(jù)程序調(diào)整位置，并且實現(xiàn)斷面自動截割。本實驗采用模擬實驗的方式，以EBZ160 型懸臂式掘進機為模型，比例為1∶5。當(dāng)掘進機處于空載狀態(tài)時，對斷面不截割，其運動軌跡如圖6 所示。通過分析圖6 可以發(fā)現(xiàn)，斷面軌跡能夠滿足工程設(shè)計需要。由此可以看出該系統(tǒng)能夠達到斷面自動成形截割的精確度。

5 結(jié)語

依據(jù)工程實際發(fā)現(xiàn)，借助單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾個功能：第一，截割部精確控制；第二，斷面自動成型；第三，遠(yuǎn)程監(jiān)控等。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)巷道掘進的需要，提升掘進機的工作效率，實現(xiàn)智能化的發(fā)展。