悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究.pdf

工矿自动化 In d u s t ryan d Mi n eAu t o mat i o n 第45卷第5期 2019年5月 Vo l .45No .5 May2019 文章编号1671-251X201905-0062-06DOI10. 13272/j . i ssn . 1671-251x. 2018110068 悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究 臧富雨王凯硕吉晓冬张敏骏刘丹吕馥言“，吴淼1 1.中国矿业大学北京机电与信息工程学院％北京100083； 2.山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590 扫码移动阅读 摘要目前掘进机俯仰角检测误差主要通过人工控制掘进机前铲板、后支撑来补偿，补偿范围十分有限 且效率低下，控制精度与自动化程度较低。针对该问题，建立了悬臂式掘进机俯仰角与执行机构数学模型 确定了通过PID控制器控制掘进机前铲板与后支撑液压缸位移实现掘进机位姿调整的方法；利用AMESi m 建立掘进机执行机构的完整液压模型，仿真结果表明，俯仰角调控系统响应时间小于3 s ,液压缸位移控制误 差小于2 mm,验证了系统的基本性能；Si mu l i n k仿真结果验证了俯仰角调控系统响应时间短、跟踪误差小， 且具有较好的动态跟踪性能 关键词悬臂式掘进机；位姿调控；俯仰角调控；前铲板；后支撑；液压缸位移 中图分类号TD632. 2 文献标志码A Si mu l at i o n res earc h o n pi t c h an g l e c o n t ro l syst em o f bo o m ro ad h ead er ZANG Fu yu1 , WANG Kai sh u o1 , JI Xi ao d o n g1 , ZHANG Mi n j u n1 , LIU Dan1, LYU Fu yan2 , WU Mi ao1 1. Sc h o o l o f Mec h an i c al El ec t ro n i c k In f o rmat i o n En g i n eeri n g , Ch i n a Un i versi t y o f Mi n i n g an d Tec h n o l o g y Bei j i n g , Bei j i n g 100083, Ch i n a; 2. Co l l eg e o f Mec h an i c al an d El ec t ro n i c En g i n eeri n g , Sh an d o n g Un i versi t y o f Sc i en c e an d Tec h n o l o g y, Qi n g d ao 266590, Ch i n a Abstract At presen t , d et ec t i o n erro r o f pi t c h an g l e o f ro ad h ead er i s mai n l y c o mpen sat ed by man u al l y c o n t roln g f ro n t bl ad ean d rears u ppo rt o f ro ad h ead er,t h ec o mpen s at 1o n ran g e1s veryl m1t ed ,an d t h e e fi c i en c y, c o n t ro l prec i si o n an d au t o mat i o n d eg ree are l o w. In vi ew o f t h e abo ve pro bl em, mat h emat i c al mo d el o f pi t c h an g l e an d ac t u at o r o f bo o m ro ad h ead er were est abl i sh ed , an d t h e met h o d wasd et ermi n ed t h at ad j u st i n g po si t i o n an d po st u reo f bo o mro ad h ead erbyu si n g PIDc o n t rolert o c o n t ro l d i spl ac emen t o f f ro n t sh o vel an d rearsu ppo rt o f t h ero ad h ead er.AMESi m wasu sed t o est abl i sh c o mpl et eh yd rau l i c mo d el o f ac t u at o ro f t h ero ad h ead er.Th eAMESi msi mu l at i o n sh o wst h at respo n set i meo f t h esyst emi sl esst h an 3san d t h ec o n t ro l erro ro f h yd rau l i c c yl i n d erd i spl ac emen t i sl esst h an 2mm,so t h ebasi c perf o rman c eo f t h e pi t c h an g l e c o n t ro l syst em i s veri f i ed . Th e Si mu l i n k si mu l at i o n resu l t s veri f y t h at t h e pi t c h an g l e c o n t ro l syst em h as sh o rt respo n se t i me, smal t rac ki n g erro r, an d g o o d d yn ami c t rac ki n g perf o rman c e. Key words bo o m ro ad h ead er; po si t i o n an d po st u re c o n t ro l; pi t c h an g l e c o n t ro l; f ro n t sh o vel ; rear su ppo rt h yd rau l i c c yl i n d erd i spl ac emen t n 亠 煤矿综掘机械化程度不断提升，采煤效率大幅提 0 弓1 高,13-。掘进机是煤矿综掘工作面的核心设备⑷ 随着自动化、智能化及无人化技术的快速发展％ 煤矿深部危险煤层环境复杂，为了实现对掘进机作 收稿日期收稿日期2018-11-29；修回日期修回日期2019-04-08；责任编辑胡娴。责任编辑胡娴。 基金项目基金项目国家重点基础研究发展计划“73资助项目2014CB046306；山东省博士基金项目ZR2018BEE014。 作者简介作者简介臧富雨“994 男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为掘进机位姿智能调控,E-mai l835106843q q . c o m。 引用格式引用格式臧富雨，王凯硕，吉晓冬，等悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究工矿自动化，2019,4556267. ZANG Fu yu ,WANG Kai s h u o ,JI Xi ao d o n g ,et al . Si mu l at i o n researc h o n pt c h an g l e c o n t ro l syst em o f bo o m ro ad h ead er］〕］. In d u st ry an d Mi n e Au t o mat i o n , 2019,455 62-67. 2019年第年第5期期臧富雨等悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究臧富雨等悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究・・63・ ・ 业轨迹与姿态的精准监测与控制，需要在恶劣环境 下完成精 姿测量和自动纠偏「5-。。目前掘进机 位姿检测与自动截割技术已比较成熟而对掘进 机位姿智能调控的研究较少。符世琛等「8-提出了一 技术 进机自主定位定向方法，建 立了机身坐标 巷道基巷道基准坐标 准确对应关 系，为位姿 提 考基准。 。 「9- 设计了悬臂式掘进机自动控制系统，将机身姿态监设计了悬臂式掘进机自动控制系统，将机身姿态监 数传入数传入纠 制器，但未对具体纠偏策略进行制器，但未对具体纠偏策略进行 研究。M. Bu rke,10-针对低 车针对低 车航向调向调 整 ，以，以履带打滑参数 整为基础设计了 行 向调整控制器。 目前掘进机俯仰角检测误差主要通过人工控制 掘进机前 、后支撑来补偿，补偿范围十分 ， 且效率低下，位姿控率低下，位姿控制精准度 度 动化程度较低度较低- - 本本文 研究， ， 式掘进机机俯仰角为例，建 进机机俯仰角 行机机构 数数学 ，以描 述掘进机在巷道中的姿态；；利用AMESi m和 Si mu l i n k仿真验证了基于PID控制的俯仰角调控 系统的可行性和 工作 。 。 使掘进 机机更接近近最佳截 姿 ，进，进一步提 提 动 化程度并保 进精度，防止 。 1掘进机俯仰角与执行机构数学模型掘进机俯仰角与执行机构数学模型 掘进机中线与巷道设掘进机中线与巷道设计中线在侧视面上线在侧视面上投影的影的 夹角偏差值即为俯仰角“，如图1所示。俯仰角反 映 进机是否 ，机身存在俯仰角 姿 ， ， 整前 前 和 支撑撑 量， 使量， 使 机机身在俯仰方向尽量保持水平。 。 图1掘进机俯仰角 Fi g . 1 Pi t c h an g l e o f ro ad h ead er 以前 中心为原点以前 中心为原点o建立坐标系，如建立坐标系，如 图图2所示。由机械结构可知，所示。由机械结构可知，O 点后支撑 中点后支撑 中 、、 点 对位置不变，只有、、 点 对位置不变，只有/、 、点做圆点做圆 弧轨迹运动，履带底部弧轨迹运动，履带底部0、Q点为履带接地的两点为履带接地的两 端点。端点。 由图由图2可知，机身俯仰角可由可知，机身俯仰角可由0Q的斜率的斜率怡算算 出，即出，即-t an1.“ “ 斜率计算方法。斜率计算方法。 2- -下面下面分情况讨论情况讨论 2 Z 图2前铲板与后支撑综合分析 Fi g .2 Co mpreh en si vean al ys i so f f ro n ,sh o vel an d rears u ppo r, 1 前铲板、后支撑均未撑起，只有履带起支撑前铲板、后支撑均未撑起，只有履带起支撑 作用，直线作用，直线0Q 率为率为 k 0， ， - 0 1 2 前铲板撑起,后支撑未撑起，履带前铲板撑起,后支撑未撑起，履带0点起支点起支 撑作用，撑作用，k 0 率％等，艮 率％等，艮 厂 i si n 0i “i o Bc o s“i “0 P -*0 2 3 前 前 撑 ， ， 支撑撑 ， ， Q 点 支 撑作用，k LQ的斜率.lq等，艮 k .LQ ；L；Q //LQ bl s i n j L0 ；o, ；q 位 /0 3 Bl c o s“l “l0o, q 4 前 、后支撑均撑起，履带不起支撑作前 、后支撑均撑起，履带不起支撑作 用，此时用，此时B不确定，不确定，.与直线与直线L的斜率的斜率kj相等，即相等，即 k kj ；I ；L // IL BIs i n 01 “i o BLs i n “l为后支撑变化角换向阀是对称三位四通阀，工作时，其零;换向阀是对称三位四通阀，工作时，其4个节流个节流 阀口处于紊流状态，对称分布；假设油液的密度和温阀口处于紊流状态，对称分布；假设油液的密度和温 度均为常数。根据液压缸流量方程建立数学模型度均为常数。根据液压缸流量方程建立数学模型 （ （8 ） ） 式中式中Pl为液压系统的实际压力为液压系统的实际压力； ；A1 A2分别为有分别为有 杆腔和无杆腔的有效作用面积杆腔和无杆腔的有效作用面积1为负载与活塞杆为负载与活塞杆 的等效总质量；的等效总质量；Y为活塞杆位移为活塞杆位移Xe为液压缸的黏为液压缸的黏 性摩擦因数;性摩擦因数;。为负载弹簧刚度为负载弹簧刚度3为作用在液压杆为作用在液压杆 上的外载荷力。上的外载荷力。 对式对式（8）进行拉氏变换可得进行拉氏变换可得 Ql（） A（Y（） （） Ct ePL（） （） e 4- Pl（） 9） ） A1Pl（（ ） ） i（Y （ （（ ） ） BesY （ （（ ） ） （ ） ） F （ （（） ） （10） ） 式中式中QL为液压缸实际流量；为液压缸实际流量；Ge为液压缸等效泄漏为液压缸等效泄漏 系数为流量系数。系数为流量系数。 联立式联立式（9）、式）、式（10）可得可得 Y 1e 3 / 1-K ee i_ e Be \ 2 _i / Gee Be _i 2 e _i -1 \ （pG ee 十（AT 4-A2 r 十（aT 4-A⑴ r 十 AT （11） ） 式中式中Gq为阀芯流量增益为阀芯流量增益Gee为总流量-压力系为总流量-压力系由式由式（11）可知，以换向阀阀芯位移可知，以换向阀阀芯位移X为输入、为输入、 数数X为换向阀阀芯位移；为换向阀阀芯位移；e为液压缸等效容积,为液压缸等效容积,活塞杆位移活塞杆位移Y为输出的传递函数为为输出的传递函数为 e 41 1 /3 Gx （） ___________________________A1_____________________________________________________ 1e 3 1 1Kee \ VeBe \ 2 , /GeeBe , pV \ , pG ee -Ai5十（丁 十）十（〒十-AT十1）十可 （12） ） 根据上述分析可得到系统数学模型，如图根据上述分析可得到系统数学模型，如图7所 示，其中所 示，其中Ga为比例放大系数为比例放大系数, ,Gf为反馈系数为反馈系数 图7掘进机俯仰角调控系统数学模型 Fi g .7 Mat h emat i c al mo d el o f pi t c h an g l e c o n t ro l syst em o f ro ad h ead er ・・66・ ・ 工矿自动化2O19年第45卷 3 2 Si mu l i n k 通过设置不 输入函数，采用上文搭建的通过设置不 输入函数，采用上文搭建的 PID控制器在控制器在Si mu l i n k中仿真，得到系统在不同工中仿真，得到系统在不同工 况 制效果。况 制效果。 为检验系统的响应时间、振荡与超调，对其施加为检验系统的响应时间、振荡与超调，对其施加 单 跃信号，结果如图单 跃信号，结果如图8所示。由图所示。由图8可知，当控可知，当控 制信号发生阶跃时，系统响应时间为制信号发生阶跃时，系统响应时间为1. 5 s ,跟踪误跟踪误 图8单位阶跃信号响应 Fi g .8 Respo n set o u n i t s t eps i g n al 为 恶劣工况下的工作 ，对其施为 恶劣工况下的工作 ，对其施 加幅值为加幅值为1 m、 、周期为周期为3 s 波信号，结果如波信号，结果如 图图9所示。由图所示。由图9可知， 数不确可知， 数不确 定 影响下定 影响下「15-， 制信号 大 为， 制信号 大 为O 时，系统响应时间为时，系统响应时间为1. 7 s ,跟踪误差趋近于跟踪误差趋近于0。 。 为检验系统的动态跟踪性能，施加幅值为为检验系统的动态跟踪性能，施加幅值为1 m、 、 周期为周期为3 s的正弦信号，结果如图的正弦信号，结果如图10所示。由图所示。由图10 可知，由非线性干扰引起的误差小于可知，由非线性干扰引起的误差小于o . 01 mm。 。 仿真结果可得，俯仰角 理论控制效仿真结果可得，俯仰角 理论控制效 果 期，响应时间小于果 期，响应时间小于2 s ,跟踪误差小于跟踪误差小于5。 。 4结论结论 1构建了掘进机俯仰角与执行机构数学模构建了掘进机俯仰角与执行机构数学模 型，确定 型，确定 PID控制器控制掘进机前控制器控制掘进机前 支撑液压缸位移 进机位姿调整 ，为深支撑液压缸位移 进机位姿调整 ，为深 研究掘进机位姿自动 提 础和研究掘进机位姿自动 提 础和 。 。 Fi g . 9 Respo n se t o sawt o o t h si g n al Fi g . 10 Respo n se t o si n e wave si g n al 2利用利用AMESi m建立了掘进机执行机构的建立了掘进机执行机构的 完整液压模型，仿真结果表明，系统响 小于完整液压模型，仿真结果表明，系统响 小于 3 s ,液压 移控制 小于液压 移控制 小于2 mm， ，验证了俯仰角验证了俯仰角 本 。本 。 2019年第5期臧富雨等悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究-67 - 3 Si mu l i n k仿真结果验证了俯仰角调控系统 响应时间短、跟踪误差小，且具有较好的动态跟踪 性能。 参考文献References [1-赵学社煤矿高效掘进技术现状与发展趋势[J-煤炭 科学技术术，2007,354 1-10. 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