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万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 1 1.2.1 掘进机控制系统的发展现状 .......................................................................... 1 1.2.2 掘进机自适应截割技术 .................................................................................. 3 1.2.3 掘进机断面自动成形控制系统研究现状 ...................................................... 4 1.3 悬臂式掘进机器人主要研究内容和路线 ................................................................. 4 1.3.1 本论文主要研究内容 ...................................................................................... 4 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................... 5 2 悬臂式掘进机控制需求分析与控制模型建立 .................................................................... 7 2.1 控制系统功能分析 ..................................................................................................... 7 2.1.1 悬臂式掘进机工作过程分析 .......................................................................... 7 2.1.2 悬臂式掘进机控制系统需求分析 .................................................................. 8 2.2 悬臂式掘进机建模 ..................................................................................................... 9 2.2.1 截割部运动学建模 .......................................................................................... 9 2.2.2 行走部运动学建模 ........................................................................................ 13 2.3 截割头位置参数与液压缸伸缩量的数学关系 ....................................................... 15 2.3.1 截割部垂直升降机构数学关系分析 ............................................................ 15 2.3.2 截割部水平回转机构数学关系分析 ............................................................ 17 2.3.3 截割头空间位置与截割机构摆角的关系 .................................................... 19 2.4 控制系统硬件方案选择 ........................................................................................... 19 2.4.1 基于 DSP 的控制系统 ................................................................................... 20 2.4.2 基于 DSPCPLD 的控制系统 ...................................................................... 20 2.4.3 基于 DSPFPGA 的控制系统 ...................................................................... 20 2.5 主要功能模块 ........................................................................................................... 21 2.6 本章小结 ................................................................................................................... 21 3 控制系统主要硬件设计 ...................................................................................................... 22 3.1 悬臂式掘进机控制器基本接口设计 ....................................................................... 22 3.1.1 数字量接口设计 ............................................................................................ 22 3.1.2 数字量采集接口设计 .................................................................................... 23 3.1.3 模拟量采集接口设计 .................................................................................... 24 3.1.4 控制量 DA 输出接口设计 ............................................................................ 25 万方数据 目 录 II 3.1.5 通信接口设计 ................................................................................................ 25 3.1.6 存储模块设计 ................................................................................................ 26 3.2 硬件抗干扰设计 ....................................................................................................... 27 3.3 硬件主要功能调试 ................................................................................................... 27 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 29 4 截割自适应控制策略与仿真分析 ...................................................................................... 30 4.1 煤岩动态感知自适应控制方法 ............................................................................... 30 4.1.1 煤岩动态感知 ................................................................................................. 30 4.3.2 控制原理 ......................................................................................................... 34 4.2 截割头移动速度控制 ............................................................................................... 35 4.3 PID 神经网络控制算法实现 .................................................................................... 36 4.3.1 控制策略 ........................................................................................................ 37 4.3.2 仿真分析 ........................................................................................................ 38 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 39 5 悬臂式掘进机控制系统的软件设计 .................................................................................. 41 5.1 掘进机巷道断面自动截割成型控制 ....................................................................... 41 5.1.1 截割工艺流程设定 ........................................................................................ 41 5.1.2 断面自动成形程序设计 ................................................................................ 42 5.2 控制系统的下位机软件设计 ................................................................................... 43 5.2.1 数据采集及处理模块 .................................................................................... 44 5.2.2 输入输出模块 ................................................................................................ 47 5.2.3 通讯功能模块 ................................................................................................ 48 5.3 上位机软件设计 ....................................................................................................... 50 5.3.1 掘进机通信协议定义 .................................................................................... 50 5.3.2 上位机软件设计 ............................................................................................ 52 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 52 6 系统调试与功能验证实验 .................................................................................................. 54 6.1 实验方案 ................................................................................................................... 54 6.2 实验平台的组成 ....................................................................................................... 54 6.3 系统功能验证 ........................................................................................................... 55 6.3.1 掘进机工作状态实时监测与控制 ................................................................ 55 6.3.2 煤岩动态感知自适应截割 ............................................................................ 57 6.3.3 掘进机断面自动成形截割控制 .................................................................... 57 6.4 本章小结 ................................................................................................................... 60 万方数据 目 录 III 7 结论与展望 .......................................................................................................................... 61 7.1 结论 ........................................................................................................................... 61 7.2 展望 ........................................................................................................................... 61 致 谢 ........................................................................................................................................ 62 参考文献 .................................................................................................................................. 63 附 录 ........................................................................................................................................ 67 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 煤炭是我国的基础资源，根据中国能源发展报告可知，到 2020 年我国发电需 要大约 19.6-25.87 亿吨原煤[1]。而煤炭的平均年产量增长幅度不超过 5.6％。据有关专家 分析， 煤炭供需的缺口到 2020 年将达到惊人的 5.9 亿吨。 煤炭需求的增长与生产的低迷 形成巨大反差，所以对煤矿开采设备的研究非常必要。随着科技的快速发展，煤炭开采 技术与装备水平得到极大提升[2-4]。截止到 2018 年底，煤矿综采工作面的综采率约为 90，然而综掘工作面的综掘率仅为 49左右。掘进效率低下导致的“采掘失衡”已经 难以满足高效开采的需要。 悬臂式掘进机是煤矿井下巷道掘进的核心设备，在煤矿巷道、地铁隧道以及铁路工 程洞穴的掘进施工中广泛应用。虽然国内外在综掘工作面关键技术研究方面做了大量工 作，但目前掘进机电控系统缺少针对综掘工作面自动化需求的特殊设计，现有控制系统 难以满足数据实时采集、巷道内精确定位、远程监控、巷道掘进工艺灵活配置的需求设 计且智能控制算法集成较困难，为了保证煤矿生产安全高效，提高巷道掘进效率与截割 断面成形质量，因此对悬臂式掘进机的智能控制系统的研发非常有必要。 1.2 国内外研究现状 目前，掘进机的工作方式主要通过目测观察和手动操作相结合的共同完成。该方式 的自动化水平比较低、劳动强度大，人为因素决定了巷道断面成形质量和掘进效率。加 之煤矿井下能见度低、 粉尘大等不利因素的影响， 极易导致出现超挖、 欠挖现象的发生， 降低了后续施工的安全系数，增加了掘进成本[5]。 1.2.1 掘进机控制系统的发展现状 早期掘进机一般通过控制传统的交流中间继电器电路，间接对主回路交流接触器进 行控制。近年来，悬臂式掘进机控制系统已经从辅助截割系统到自动化、智能化的控制 系统迈进。 以自动化、 智能化为核心的掘进装备是提升掘进机掘进效率、 缓解采掘失衡、 采掘接续的矛盾、保证煤炭高效安全生产的重要途径。当前，国内外院校和相关企业在 掘进机自动化、智能化控制系统方面的理论研究和应用研究取得了一系列的成果 在国外研究方面，Baiden 等[6]利用视觉技术实现对掘进机械的控制与导航。德国艾 柯夫公司[7]研制了断面轮廓控制和状态监测系统， 并在型号为 ET160 和 ET110 的掘进机 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 上进行试验验证，结果表明控制精确可以达到 5cm；奥地利 Alpine 公司研制的一种控制 系统， 该系统实现掘进机位姿的三维模型显示且能够利用声光报警提示操作工人超挖情 况的发生。卡内基大学和美国矿业局研制了一种能够实现掘进机的自动定向的系统。 Barrett 等[8]利用惯性导航和双目视觉相融合的方式实现对掘进机的精确定位。 在国内研究方面，以控制器为主线，早期辽宁工程技术大学姜鹤[9]通过以单片机为 控制核心的掘进机截割机构控制系统，实现精确控制悬臂的摆动并实时检测截割头所在 位置，完成截割断面尺寸的控制和常见故障的显示及预警。电子科技大学王晓东[10]采用 PLC 和工业计算机，通过遥控实现对掘进机巷道自动截割操作。西安科技大学的刘龙建 立截割部运动学方程以 PLC 为控制核心提出了一种断面截割控制优化算法、工艺流程 和截割轨迹规划方法，基本实现了悬臂式机器人的远程控制。此外，还有辽宁工程技术 大学的李建刚、中国矿业大学的魏景生等都是以 PLC 为控制器对掘进机进行控制，但 是 PLC 面对复杂数据处理能力较差，结构上又不太紧凑，电控系统较复杂，远程通信 性能不好，对液压系统控制复杂的问题。针对这些问题，北方重工集团王鑫等[11]通过 PLVC 控制器降低煤矿掘进机电控系统的复杂性，使煤矿掘进机的整体电气特性得到了 较大的提高， 从而简化了煤矿掘进机的液压系统的控制。 中煤科工刘国鹏等[12]采用 Inter Control 专用控制器作为掘进机总线通讯系统的核心，在煤矿巷道中，实现可靠稳定的 通信。 中国矿业大学田劫等[13]采用工控机可编程计算机控制器 PCC 实现高质量断面自 动截割成形控制。文献[14]中利用 PCC 和智能控制面板实现了断面自动成形截割、恒功 率截割臂自适应控制及远程控制等功能。总之，以单片机控制器为核心的电控系统结构 简单，成本低但是处理速度慢的缺点；以传统的 PLC 为控制器的系统，虽然编程简单， 易于熟练但结构上有不太紧凑， 复杂算法移植困难， 完成复杂的控制系统需要太多模块， 远程通信性能不佳等缺点；以 PLVC、PCC、Inter Control 为核心的控制器缓解了单片机 和 PLC 数据处理能力的不足、提高了系统通信能力，但是随着智能控制系统对控制器 的性能要求越来越高，传统控制器已经不能更好的满足智能控制要求。针对这种情况， 中北大学的宋栋等[15]利用 DSP 构建一个掘进机在线监测诊断系统可以实现对掘进机的 实时监测与诊断。 辽宁工程大学的荣航通过 DSP 实现对截割头的自适应控制。 然而 DSP 的逻辑控制功能较弱，针对逻辑复杂的控制系统控制略显不足。 在掘进机监控方面，近年来，国内一些高校也进行了相关研究。王苏彧、杜毅博、 薛关辉等人[16]对掘进机远程控制技术及监测系统进行了研究，实现了掘进工作定向、定 位的自动化远程控制，但是没有进行掘进机截割系统的定性控制研究。刘许亮、朱焕立 等人[17]开发了基于 CAN 总线的煤矿掘进机远程监测系统，利用 CAN 总线技术进行掘 进机工作过程监控，这套系统没有对掘进机的控制方面进行研究。魏景生、吴淼等人进 行了掘进机远程在线监视、诊断与控制功能的相关研究。王晓东等人[18]设计了悬臂式掘 万方数据 1 绪 论 3 进机远程线控系统，该系统可以进行车体位姿定位于截割头空间轨迹测控，利用线控系 统可以让掘进机适用于恶劣的采掘环境，但煤矿井下巷道掘进时工作环境恶劣，线控系 统的应用受限。伍小杰等人[19]开发了悬臂式掘进机远程监控系统，该系统可以实现对掘 进机各种动作的控制，监测掘进机的各种工况参数。乔海莲等人[20]设计了一种能够完成 掘进机截割头轨迹跟踪、位姿状态监视以及远程控制的煤矿掘进机控制系统，但是该系 统没有进行断面截割工艺和截割轨迹的规划研究。辽宁省通用煤机装备制造股份有限公 司生产的具有近点遥控功能的 EBZ200H 型悬臂式掘进机，驾驶员最远可以在距掘进机 30 米处进行遥控操作。西安科技大学陈利[21]等人利用虚拟现实技术有机整合井下操作 人员、 掘进机器人和井下环境信息， 通过 RS485 通信为远程操作人员提供了直观的画面 提示，能够对掘进机工况信息进行检测。文献[22]中设计了一个基于 CAN 总线的监视保 护系统能够对截割电机进行实时在线检测并能发出报警信息。 综上所述，国内外对掘进机控制器和远程监控方面的研究取得很大的进展，但仍存 在控制器不能更好的适用智能化的发展要求，远程监控大部分研究只是完成检测，对控 制部分处理比较弱化或者控制传输距离受限。 1.2.2 掘进机自适应截割技术 在煤矿巷道掘进过程中，由于地质构造的复杂性和不确定性的影响，截割头工作载 荷随着煤岩层理交错的变化而变化。为了降低恶劣工况导致工作载荷的突变对掘进截割 电机过载、液压系统冲击、截割齿损耗、截割效果及稳定性的影响，达到最佳的破岩效 果。综合文献，有三种方案可选择。其一通过改变截割头转速的方法英国 WIRTH 公 司设计了一种根据截割岩层硬度的不同，操作人员利用变频技术调整截割电机的转速达 到即保护电机又提高截割效率的目标； 辽宁工程的技术大学的王慧[23]利用多传感器技术 采集截割电流和振动信号借助变频器实现电机转速自适应控制；冯婧将转矩控制技术用 到截割电机实现与载荷相匹配。其二通过改变截割部摆动速度的方法汪胜陆根据截割 头的截割工况，控制液压阀开口大小进而控制截割部摆动速度；中国矿业大学的高峰[24] 利用截割臂摆速、截割电机电流、煤岩硬度的关系，建立了基于 PID 的截割部摆速自动 控制方法，实现替代了人工操控模式，提高了掘进效率，有效保护了截割齿和电机；李 晓豁[25]利用模糊控制器通过 GAs 优化自调整，实现对截割头速度进行实时的控制，提 高截割系统的响应速度和稳态性能； 蒲志新[26]通过控制电液比例液压阀开口的大小实现 对液压缸的控制。其三通过改变截割头转速和截割头摆动速度共同作用的方法中煤科 工张梦奇[27]通过对截割头移动速度和截割头转速的研究，得到为了达到最佳截割效果， 截割部摆动速度和截割头转速需要相匹配。中煤科工的李建广[28]采用 PIDNN 的算法利 用仿真的方法证明对截割部移动速度和截割头转速的自适应控制的可行性。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 综上所述， 对于截割头自适应截割绝大多数文献采用调节截割头转速或者截割部摆 动速度的单一因素调节，这样会导致截割效率降低。对于调节截割头转速和截割部摆动 速度共同调节的研究较少。 1.2.3 掘进机断面自动成形控制系统研究现状 田劼、吴淼[29]等建立了截割头位置与液压缸的数学关系模型，利用空间交汇技术实 现掘进机位姿的测量， 通过仿真分析充分证明断面自动截割成形控制系统的有效性和合 理性。项阳等人通过建立了断面成形控制的数学模型和编写计算程序框图，从理论上研 究了截割断面的成形控制可行性。 陈佳乐 [30]利用 MATLAB 软件实现可视化模拟岩石隧 道掘进。Tong 等人[31]利用建立控制数学模型，用软件编程仿真出截割头截割作业轨迹。 张付凯建立了截割头位置与截割臂关节角之间的关系，完成截割路径的规划，为断面成 形控制奠定了基础。太原理工大学李军利[32]利用 LS 理论和压力补偿方式对其所研究的 电液比例控制系统进行了设计与建模，设计参数并使用 PID 算法实现轨迹跟踪。王苏彧 通过传感器测得的升降油缸和回转油缸的伸缩量，利用数学关系计算出截割头的坐标， 根据截割工艺，实现任意断面自动截割。毛君[33]利用三维软件软件完成仿形记忆截割的 建模与虚拟仿真研究，通过数学液压缸实现断面自动控制。王道斌根据截割头的空间坐 标，利用仿人控制技术控制截割头按照预期轮廓运动，达到巷道断面成形。河北科技大 学冯宪琴[34]等建立了截割臂运动的动力学模型， 通过程序设计实现了井下巷道掘进工作 中的断面自动成形。中国矿业大学王苏彧等人[35]研发了一套远程监控系统，为掘进机断 面成形自动控制技术奠定了基础，但是对于精确控制没有深入研究对于故障信息没有进 行分析、诊断进而做出处理。 综上所述，大多数文献从理论和仿真方面证明断面成形方法的可行性，一部分文献 尽管实现了断面自动成形，但是对断面成形的质量和控制精度问题没有过多涉及。 1.3 悬臂式掘进机器人主要研究内容和路线 1.3.1 本论文主要研究内容 针对上述研究不足，本文设计了悬臂式掘进机智能控制系统的解决方案，为了实现 自动化、智能化的目标，提高掘进机掘进效率和断面成形质量，主要研究内容如下 （1）确定智能控制方案，完成核心硬件设计。主要包括D/A 模块设计及扩展、 I/O 模块设计、通信接口模块设计、数据采集模块设计、SD 卡设计、SPI 接口设计等， 完成 PCB 的绘制和电路板的制作。 （2）利用多传感器技术实现工况状态的煤岩动态感知，制定自适应截割控制策略， 万方数据 1 绪 论 5 为实现自适应截割奠定理论基础。 （3）完成控制系统基本软件设计，利用 PID 神经网路算法控制实现对煤岩状态的 动态感知，实现断面自动成形自适应截割。 （4）利用 CAN 总线实现掘进机的上下位机通信，并定义了通讯格式实现与上位机 的信息交互，利用 VS 和 QT 实现工况数据的实时显示与控制命令下发，使用 MYSQL 实现工况数据的存储，远程计算机通过 TCP 协议访问上位机的数据库实现远程通信。 研究现状与发展趋势 根据智能化掘进的需求明确系统任务 智能控制理论 控制系统设计与开发 煤岩动态感 知自适应 截割断面自 动成形 硬件设计 电 路 原 理 图 设 计 通 信 模 块 存 储 模 块 设 计 采 集 通 道 电 路 扩 展 电 路 设 计 软件开发 下位机软件 数 据 采 集 处 理 模 块 上位机软件 C A N 通 讯 模 块 工 况 信 息 显 示 操 作 控 制 界 面 数 据 存 储 基 本 参 数 设 置 实验平台搭建与实验验证 根据系统任务确定技术指标 CPU选型及外围电路设计 控 制 策 路 算 法 集 成 PID神经网 络自适应 掘进机运动学 和动力学建模 总体结构设计 图 1.1 技术路线图 1.3.2 技术路线 在论文研究范围内查阅大量文献资料[36-37]，通过分析当前国内外的研究现状，提出 悬臂式掘进智能控制系统的总体方案。技术路线如图 1.1 所示。首先，提出悬臂式掘进 机智能控制系统的总体方案，然后对系统的总体方案进行分析研究，提出控制系统的控 制策略。其次，根据智能控制系统的需求，设计符合要求的硬件电路、完成 PCB 的绘 制和电路板的制作， 对掘进机运动学和动力学建模包括截割部建模和掘进机行走部建模 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 并针对煤岩分布的不确定性，采用煤岩动态感知的原理和多传感器信息融合技术实现截 割过程煤岩动态感知控制策略。根据截割头位置参数与液压缸伸缩量的数学关系和掘进 机所建模型，在一定范围内进行补偿，根据断面控制策略实现掘进机截割断面的自动成 形。主要使用 VSQT 和 CCS6.0 软件分别完成上位监控软件和下位机程序的设计。最 后，调试系统的各个模块，进行实验验证。 万方数据 2 悬臂式掘进机控制需求分析与控制模型建立 7 2 悬臂式掘进机控制需求分析与控制模型建立 悬臂式掘进机的运动学和动力学建模是实现掘进机自动化、智能化的关键，也是算 法实现的理论依据。本章通过对悬臂式掘进机工作过程进行分析，依据掘进机的结构特 点， 对掘进机进行建模分析， 并针对自适应截割要求对截割头位置与姿态进行重点研究， 为了实现自动化、智能化控制的目标选择合适硬件方案，确定系统的主要功能模块。 2.1 控制系统功能分析 2.1.1 悬臂式掘进机工作过程分析 通过图 2.1 我们把悬臂式掘进机分为三个部分截割部、行走部以及装载部。其中， 装载部主要任务是通过形星轮和铲板配合将截割头截割掉落的煤运送到掘进机身上的 输送带上，从而运出巷道。行走部通过液压马达驱动左右行走机构实现机身运动。截割 部主要完成巷道断面的截割，主要由截割头、伸缩部、回转台、水平回转、升降液压油 缸组成[38]。通过变频器对截割头的截割电机达到控制截割头的旋转速度和转矩。掘进机 在截割巷道断面时，需要截割头自身旋转、左右、上下以及伸缩运动（一般情况下，截 割过程不伸缩） 。截割头通过水平回转台的两个液压油缸（一伸一缩）实现水平回转运 动；截割头通过截割部上的两个垂直升降油缸（共同伸缩）实现垂直升降运动；截割头 的伸缩是通过伸缩油缸实现。 1246357 1-截割部；2-装运机构；3-本体机构（机架） ；4-行动机构；5-液压控制部； 6-第一运输机；7-后支撑机构 图 2.1 悬臂式掘进机结构及组成图 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 2.1.2 悬臂式掘进机控制系统需求分析 根据掘进机结构分析，为了达到悬臂式掘进机智能控制的目标，需要对机身位置和 姿态进行检测、 对截割头位置进行测量、 对煤岩状态信息进行感知制定自适应截割策略、 对断面自动成形控制方法进行研究、对远程监控功能进行研究，下面根据悬臂式掘进机 智能控制系统需求进行具体分析 （1）掘进机机身姿态与位置检测 掘进机在巷道的掘进过程中，为了保证巷道的成形质量需要实时测量掘进机机身位 姿。为了保证掘进进度和掘进位置符合设计要求，需要实时获取掘进机在巷道坐标系中 的位置信息。本系统采用高精度捷联式惯导和地磁融合完成掘进机机身的定位与姿态测 量，本次检测是对团队已有成果进行运用，不作算法上的改动，能达到检测要求。 （2）掘进机截割头姿态测量 截割头姿态测量是实现断面自动成形的基本条件，当掘进机机身姿态确定时，截割 头位置和姿态的确定是由水
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