掘进机自动掘进系统的应用设计与模拟研究

冯 超

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

掘进机是一种对煤炭、岩石等进行截割、运输、连续转载、喷雾除尘与调整行进的联合机组[1-2]，其中的悬臂式掘进机已经成为目前煤矿开采不可或缺的重要设备，为合理高效布置采煤作业面创造了有利条件[3]。因此，应用掘进机不仅能够提高掘进的效率，降低劳动强度，还可以降低成本，改善矿井下作业条件[4]。依据结构，掘进机可分为全截割面型掘进机和部分截割面型掘进机[5]，其中全截割面型掘进机是将电、机、液与自动控制连为一体，可完成掘进、支护洞壁及转运煤渣等任务，具有快速性、安全性、高质量等优点[6-7]。而本文是以部分断面掘进机为控制对象，对掘进机自动掘进系统进行设计，旨在提高巷道掘进施工的舒适性和安全性，推动掘进机向智能化和无人化方向发展。

1 掘进机自动掘进系统的整体设计

对于掘进机自动掘进系统，本文设计以加强型的悬臂式部分断面作为控制对象，在掘进机车体上安装有传感器组合与惯性测量系统等。其中，利用惯测系统对掘进机车体进行实时定位，利用传感器组合对掘进机的姿态进行获取，并通过计算机将采集到的数据进行处理，最后，经一定控制算法完成对掘进机驱动系统的控制。

1.1 整体结构设计

掘进机自动掘进系统包含四部分，具体是上下位机、惯测系统、驱动控制。在远程操控室内上位机，是用来完成人机交互工作，对掘进机初始化和工作情况进行实时监控；下位机、惯测系统均位于掘进机车体内，主要是依据上位机下达的任务控制整个系统。采用CAN总线传输将上位机和下位机进行通信连接。其中，CAN总线的抗干扰能力比较强，中间可增加中继器，促使其抗干扰、驱动能力进一步提高。图1为掘进机自动掘进系统的整体设计图。

1.2 自动掘进流程

图1 掘进机自动掘进系统的整体设计图

通电后，掘进机首先对各个器件进行初始化操作，并开始自检，若自检合格后就等候开始命令下达；若下达开始命令，装载机就可通过上位机将车体的轨迹数据载入，并对掘进机所处的方位进行查看检测，若目标方位和车体方位数据相同，系统执行支架安装命令；若目标方位和车体方位数据不同，系统执行人工等候命令，便于其后期顺利到达目标位置。若支架还未装好，系统进行等候，反之进行截割挖掘。挖掘过程中，采用基于BP神经网络PID控制器[8-9]来对掘进机截割头的左右上下摆动动作进行控制。

当掘进截割完成一个断面开挖后，掘进机收好支架，然后对下一个车体轨迹数据继续装载，执行下一轮的循环掘进作业。如下页图2所示为掘进机自动掘进流程。

2 掘进机自动掘进系统的硬件设计

掘进机自动掘进系统中，上位机采用工控机，其运行平台选用Windows2000操作系统；下位机采用嵌入式主机，其运行平台选用嵌入式操纵系统。此外，通过CAN扩展总线接口模块，将上下位机都挂接在CAN的总线上。再通过CAN总线，将下位机和掘进机驱动控制模块SPT-K、驱动控制器PLC相连接。此外，上下位机均配有自动/手动切换开关，为手动进行控制以及系统调试创造有利条件。下页图3为掘进机自动掘进系统的硬件设计图。

3 掘进机自动掘进系统的软件设计

图2 掘进机自动掘进流程图

图3 掘进机自动掘进系统的硬件设计图

上位机软件模块包含有主控模块、数据存储模块、绘图模块、通信模块、空间坐标变化模块和数据模块，其中主控模块主要是对整个上位机软件进行运行控制。在运行过程中，主控模块的定时器以一定的间隔时间将通信模块与下位机通信，对下位机上传至载体中的掘进机工作情况和位置进行读取。经过空间坐标变换处理的数据，就可获得惯性坐标中掘进机的坐标。再通过数据存储模块将得到的坐标、状态存储至数据模块中。与此同时，通过空间坐标变换模块，将惯性坐标系下的坐标转换成显示坐标系下的坐标，最后利用绘图模块，将这些坐标在上位机界面上进行显示。

下位机控制软件包含有掘进机截割头控制算法、车体运动控制算法、异常处理和地质判断、通信接口。下位机也同样配有自动/手动切换开关，为系统调试以及异常情况创造有利条件。图4为下位机控制软件结构图。

4 仿真分析

图4 掘进机下位机控制软件结构图

本文对掘进系统采用基于BP神经网络PID控制器的动态响应特性进行仿真分析，得到如图5所示的阶跃响应图。掘进机控制系统的时间响应，从整体来看可分为两个阶段，即稳态和动态阶段。其中，稳态指的是时间趋向无穷时，系统的输出状态；动态指的是系统从最初的状态直至达到最终状态的响应过程。对系统响应进行研究，需要对稳态和动态中的特点和相关性能进行研讨。通常情形下，掘进自动系统跟踪以及复现阶跃输入是比较严格的工作条件，所以通常衡量性能的优劣时采用阶跃响应。

图5 掘进系统阶跃响应图

从图5中可看出，基于BP神经网络PID控制器不仅具有很好的动态响应特性，且当掘进环境轨迹路线发生变化时，还具有更好的鲁棒性[10]，可随掘进运动轨迹变化而变化；此外，基于BP神经网络PID控制对非线性控制效果也比较明显，能够较好地对截割动作中的超挖和欠挖现象进行处理，利于截割断面的一次成型。

5 结语

本文提出掘进机的自动掘进系统，主要对其整体结构及软硬件进行应用设计，其中，整体结构包括上位机、下位机、驱动系统和惯测系统；硬件分上下位机，且上下位机分别采用工控机和嵌入式主机；而软件系统属于掘进机的主要控制系统。最后，本文对该自动系统采用基于BP神经网络PID控制器的动态响应特性进行分析。仿真结果表明：基于BP神经网络PID控制器动态响应特性好，且具有更好的鲁棒性，对非线性控制效果也比较显著，利于截割断面一次成型。