掘进机截割动态感知自适应控制优化分析.pdf

2 0 2 0年第0 6期 掘进机截割动态感知自适应控制优化分析 李小建 山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿生产科, 山西 太原 0 3 0 2 0 0 摘 要 随着煤炭开采自动化程度的提高, 对井下巷道的掘进效率也提出了较高的要求。采用掘进机进行井下巷 道的掘进时, 由于井下巷道的复杂性, 需要对掘进机的截割头进行自适应的调整。在不断变化的煤层中, 采用多传感器技术融合的动态自适应感知技术对煤层状态进行感知, 对截割头的转速和摆动速度进行综 合控制, 采用优化的P I D神经网络控制算法对传感器得到的数据进行处理。经过仿真分析可知, 采用P I D 神经网络控制具有较高的动态响应速度, 系统在较短的时间内即能达到稳定状态, 满足依据煤层的不同快 速地对截割头进行调整, 从而进行高效率的掘进工作。 关键词 截割转速; 摆动速度; 动态感知; 自适应控制;P I D神经网络控制 中图分类号 T D 4 2 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 6. 0 5 2 0 引言 煤炭资源是我国重要的能源, 随着我国经济社会的 发展, 对煤炭资源的需求量与日俱增。随着机械装备技 术的发展, 煤炭开采的自动化程度不断提高, 而综掘工作 面的综掘自动化程度却发展不足, 无法满足煤矿高效开 采的需求。悬臂式掘进机作为煤矿井下巷道掘进的重要 设备, 集掘进、 开采运输于一体, 提高井下巷道掘进的 效率。 在掘进机进行井下巷道的掘进过程中, 由于地下环 境的复杂性, 地质条件的不同, 截割头的工作载荷要能依 据工况条件的变化进行自适应的调整[ 1], 从而降低对截 割头的损耗, 保证一定的截割效果及设备工作的稳定性。 目前, 对掘进机的控制系统, 难以满足数据的实时采集分 析的要求, 从而依据工况条件的变化进行自适应的控制, 不能保证巷道掘进的效率及工作面的成形质量。针对这 一问题, 依据P I D神经网络算法对传统的P I D控制算法 进行优化, 并通过仿真分析, 验证P I D神经网络算法的控 制效果。 1 掘进机动态感知自适应控制方法 对煤层界面的识别, 是进行掘进自动化的重要步骤, 但目前没有成熟的应用方法。采用自然伽马射线技术进 行识别的适应性较差, 而采用视觉识别的方式, 由于掘进 工作面的环境恶劣, 较多的粉尘难以形成有效的图像[ 2], 从而造成识别的有效性较低。对煤层界面的识别, 成为 制约掘进自动化进行的关键难题, 采用煤层的动态感知 自适应技术, 来替代煤层的识别技术, 在现阶段具有较高 的应用价值。 动态感知自适应技术是指在掘进机的各个工作部分 安装多种类型的传感器, 由于在进行截割的过程中, 不同 岩层的变化会引起掘进机工作参数的变化, 例如截割电 机的电流变化、 油缸的压力变化、 截割速度功率的变化 等。利用多传感器进行数据的采集[ 3], 同时采用多信息 融合技术将传感器得到的数据进行融合, 通过一定的规 则计算, 来获得对所掘进煤层的精确感知, 即实现对煤层 状态的动态感知, 从而通过系统的控制器, 进行适应煤层 变化的自适应控制。在进行煤层的感知时, 常采用煤层 的普氏系数f来表示煤层的抵抗, 关于煤层的破碎强度 PK, 与普氏系数之间的对应关系如图1所示。 图1 破碎强度与普氏系数的对应关系 掘进机截割头的自适应控制, 常采用的方法主要有 控制截割头的转速、 控制截割头的摆动速度及同时控制 截割头的转速和摆动速度。目前广泛使用的方式是控制 截割头的转速或者控制摆动速度的单一作用, 这种控制 方式会导致截割头适应能力差, 掘进效率低, 因此, 基于 动态感知的控制方式, 采用对截割头的转速和摆动速度 同步进行控制的方式。对多传感器采集到的数据, 经过 控制器的调节之后, 通过变频器来控制截割头的转速, 通 过控制电液比例阀来控制截割头的摆动速度, 实现对截 割头转速和摆动速度的同步控制, 自适应控制结构图如 图2所示。 531 创新与交流 自动化应用 收稿日期 2 0 2 0 - 0 3 - 3 1 作者简介 李小建 1 9 8 2 , 男, 本科,2 0 1 8年毕业于太原理工大学, 采煤工程师, 研究方向为煤矿井下采掘开现场作业。 2 0 2 0年第0 6期 图2 掘进机自适应控制框图 2 P I D神经网络控制算法的实现及仿真分析 P I D控制是工业控制领域常用的控制算法形式, 具 有算法简单、 可靠性高等优点, 在工业控制领域得到了广 泛的应用。采用传统的P I D控制进行在线控制时, 难以 对参数进行有效的整定调整, 不能满足对复杂控制系统 或者非线性控制系统的有效控制。神经网络算法采用大 量神经元构成的系统, 能够进行信息的分布式存储及并 行处理, 从而可以进行自我学习及自适应调整。将神经 网络算法应用于传统的P I D控制算法上[ 4], 可以将二者 的优势进行有效的结合。由于掘进机在进行截割的过程 中, 自适应的截割控制策略是具有多个变量的复杂控制 系统, 因此, 采用P I D神经网络控制算法对其控制效果进 行验证。 图3 自适应截割控制算法模型 依据煤层的动态感知控制策略, 对掘进机的截割头 转速和摆动速度进行控制, 摆动速度包括水平回转和垂 直升降的速度, 因此, 需要对三个变量进行控制, 采用的 自适应控制策略包含三个变量的输入输出, 从而实现对 掘进机截割头的自适应控制。在进行仿真分析时, 对特 定的煤层截割, 其截割载荷是固定的, 通过控制截割电机 的功率来控制截割头的转速, 控制升降油缸和回转油缸 的压力变化控制截割头的摆动速度, 从而达到最优的截 割效果。自适应截割控制算法的模型如图3所示, 三个 变量的输入值rn、rx、r y 分别为截割电机的功率Pw、 升 降油缸压差Px、 回转油缸压差Py的定量输入值, 通过控 制截割头电机转速n、 截割头水平回转速度vx、 垂直升降 速度vy实现动态感知自适应控制。在控制模型中, 控制 对象为三个输入变量, 经过三个P I D控制算法的计算, 得 到三个输出变量, 各个输入层之间相互关联耦合[ 5], 实现 对三个输出变量的整体控制。 图4 自适应截割控制仿真结果 631 自动化应用 创新与交流 2 0 2 0年第0 6期 依据建立的自适应截割控制模型, 采用P I D神经网 络控制算法对控制过程进行仿真分析。设定系统控制的 初始值, 并对神经网络的种群进行设置, 选取种群规模为 5 0个, 迭代4 0 0 0次, 设定仿真时间为1 s, 得到系统的控 制仿真结果如图4所示。从图4中可以看出, 掘进机自 适应控制系统在P I D神经网络算法的优化计算下, 系统 经过0. 1 4 s即达到稳定状态, 在三个变量之中, 垂直升降 的相应速度有所迟缓, 这是由于垂直升降受到重力的影 响作用较大。与传统的P I D控制相比,P I D神经网络控 制具有较高的动态响应速度, 系统在较短的时间内即能 达到稳定状态, 截割头的转速及摆动速度能较快地进行 自我调整, 满足依据煤层的不同快速地对截割头进行调 整的要求, 从而进行高效率的掘进工作。 3 结语 掘进机在进行截割掘进的过程中, 由于井下巷道作 业的复杂性, 需要对截割头的参数进行自适应的调整才 能满足高效率的截割要求, 同时可以减轻对设备的损耗。 在不断变化的煤层中, 采用多传感器技术融合的动态自 适应感知技术对煤层状态进行感知, 对截割头的转速和 摆动速度进行综合控制, 采用P I D神经网络控制算法对 传感器得到的数据进行处理。经过仿真分析可知, 采用 P I D神经网络控制具有较高的动态响应速度, 系统在较 短的时间内即能达到稳定状态, 能够依据煤层的不同快 速地对截割头进行调整, 从而进行高效率的掘进工作。 参考文献 [ 1] 邵诚俊, 廖建峰, 刘之涛, 等.基于自适应鲁棒控制算法的 硬岩隧道掘进机水平方向轨迹纠偏控制[ J].机械工程学 报, 2 0 1 8,5 41 1 1 3 - 1 1 9. [ 2] 张振, 龚国芳, 吴伟强, 等.硬岩隧道掘进机推进系统姿态 自适应控制[J].浙江大学学报 工学版, 2 0 1 5,4 91 0 1 8 7 0 - 1 8 7 7. [ 3] 宋立业.基于R B F神经网络掘进机掘进姿态自适应P I D 控制[C] / /中国航空工业集团有限公司防务生产与保障 部, 中国航空工业技术装备工程协会. 2 0 1 9航空装备服务 保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会 年会论文集, 2 0 1 97 6 7 - 7 7 0,7 7 5. [ 4] 闫鲁超.基于改进粒子群算法掘进机液压系统自适应控 制研究[ J].液压与气动,2 0 1 28 1 0 5 - 1 0 8. [ 5] 侯昆洲, 徐莉萍, 任德志.基于单神经元自适应P I D控制 的双护盾掘进机液压推进系统研究[J].流体传动与控 制, 2 0 1 01 3 9 - 4 1. 上接第1 3 2页 参考文献 [ 1] 左有君.高压变频器在煤矿提升机中的应用[J].煤炭技 术, 2 0 1 0,2 91 1 3 8 - 3 9. [ 2] 张烨.基于B P - P I D的矿井提升机调速系统研究[J].煤炭 技术, 2 0 1 7,3 68 2 4 0 - 2 4 2. [ 3] 王长成.矿井提升机中变频调速电控技术的应用[J].煤 炭技术, 2 0 1 4,3 33 1 2 7 - 1 2 9. [ 4] 韩伟, 宋明伟, 张小丽.基于冗余P L C的矿井提升机变频 调速系统设计[ J].煤炭技术,2 0 1 8,3 71 0 3 2 0 - 3 2 2. [ 5] 宋海燕, 陈继涛, 赵梅莲, 等.矿井提升机P L C变频调速控 制系统设计[ J].煤矿机械,2 0 1 5, 1 0 1 1 - 1 3. [ 6] 刘鹏, 马春燕, 李媛, 等.提升机电控系统改造及节能分析 [ J].矿山机械,2 0 1 3,4 12 4 6 - 5 0. 731 创新与交流 自动化应用