CN112817234B - 机载钻臂钻锚的自适应控制方法以及控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法以及控制系统。其中方法包括：响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量；在各电磁阀基于初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号；将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数，并根据控制参数调节各电磁阀的开度；根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正。本申请可以改善锚护工的作业环境，提高支护效率和安全性，为数字化矿山提供设备机载钻臂的锚护信息，从而提高了液压系统锚护作业的可靠性和有效性。

Description

机载钻臂钻锚的自适应控制方法以及控制系统

技术领域

本申请涉及煤矿井下开拓设备控制技术领域，尤其涉及一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法以及自适应控制系统。

背景技术

随着新工艺、新材料和新技术的不断发展，工作面上掘进运输类设备机械化和自动化程度越来越高，一些设备不仅具有掘、运、破碎，而且还具有锚杆支护功能。根据不同的地质条件，设备上配置不同的钻臂数量。然而，钻臂的钻孔和锚杆支护流程由液压系统控制，锚护人员站在设备上通过液压手柄手动操作换向阀，根据钻臂钻锚钻锚的动作规律，驱动钻臂上多个油缸的动作。锚护为全液压系统操作，而且机载钻臂上油缸的动作依靠人工操作来完成，可靠性低、锚护时间长、故障率高、自动化程度差。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法。该方法可以改善锚护工的作业环境，提高支护效率和安全性，为数字化矿山提供设备机载钻臂的锚护信息，从而提高了液压系统锚护作业的可靠性和有效性。

本申请的第二个目的在于提出一种机载钻臂钻锚的自适应控制系统。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提供了一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法，包括：

响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定所述各电磁阀的初始开口参量；

在所述各电磁阀基于所述初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号；

将所述实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制所述各电磁阀的控制参数，并根据所述控制参数调节所述各电磁阀的开度；

根据所述液压系统的压力信号作为反馈信号对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

本申请第二方面实施例提供了一种机载钻臂钻锚的自适应控制系统，包括：

控制单元，用于响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定所述各电磁阀的初始开口参量；

电磁阀执行单元，用于基于所述初始开口参量执行对应电磁阀进行动作；

检测单元，用于在所述各电磁阀基于所述初始开口参量进行动作时，实时采集整定信号；

所述控制单元，还用于获取所述检测单元实时采集的整定信号，并将所述实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制所述各电磁阀的控制参数，并根据所述控制参数调节所述各电磁阀的开度，以及根据所述液压系统的压力信号作为反馈信号对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

根据本申请实施例的技术方案，可响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量，在各电磁阀基于初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号，并将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数，并根据控制参数调节各电磁阀的开度，以及根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正，以最终实现钻臂钻孔和锚固作业的自适应控制，可以改善锚护工的作业环境，提高支护效率和安全性，为数字化矿山提供设备机载钻臂的锚护信息，从而提高了液压系统锚护作业的可靠性和有效性。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提供的一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法的流程图。

图2是根据本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制方法的控制状态示意图。

图3为本申请实施例提供的一种机载钻臂钻锚的自适应控制系统的结构框图。

图4为本申请实施例提供的另一种机载钻臂钻锚的自适应控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制方法以及控制系统。

图1为本申请实施例提供的一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法的流程图。如图1所示，该机载钻臂钻锚的自适应控制方法可以包括如下步骤。

在步骤101中，响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量。

需要说明的是，本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制方法可应用于本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制系统。其中，该自适应控制系统以电磁阀作为执行单元，以多种传感器融合作为检测单元，以带有PID调节功能的控制器作为控制单元。本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制方法的执行主体可为上述控制单元。

在本申请实施例中，该机载钻臂钻锚的自适应控制系统还可包括微型操作面板。其中，该微型操作面板上集成多控制按钮，该微型操作面板的通信链路可为CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线，即微型操作面板可通过CAN总线与系统中的其他单元进行通信。在本实施例中，微型操作面板上的每一控制按钮作为电磁阀控制使能信号。微型操作面板可用于接收用户(如锚护人员)针对电磁阀的操作。也就是说，用户可通过微型操作面板上的控制按钮操作对应的电磁阀，以生成对应电磁阀的控制使能信号。

在本步骤中，控制单元在接收到微型操作面板发送的针对各电磁阀的启动使能信号，可根据预先建立的经验模型确定出各电磁阀的初始开口参量。

需要说明的是，在一些实施例中，经验模型可理解是传统机械式锚钻系统操作人员经验数据库。可以理解，传统机械式锚钻系统完整作业主要包括两个流程：钻孔和锚固。因此，该经验模型的建立主要依据人工完整操作锚钻系统钻孔和锚固整套流程作为一个循环，以每一循环为组，记录多组机械式系统的实时压力参数、实时扭矩参数、实时转速参数、实时位移参数、实时接近开关参数为基础数据，并记录所述多组机械式系统中的各电磁阀开口参量，建立多组机械式系统的基础数据与各电磁阀开口参量之间的映射关系，完成所述经验模型的建立。

在一些实施例中，所述根据预先建立的经验模型确定出各电磁阀的初始开口参量的具体实现过程可如下：确定针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值，并按照针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值，从经验模型中确定出各电磁阀的初始开口参量。

也就是说，可根据针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值，按照大数据分析理论测算出自适应控制系统的理论电磁阀初始开口参数，作为经验模型的输出参考变量，而经验模型的输出，就可作为整个自适应系统的输入变量。

在步骤102中，在各电磁阀基于初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号。

可选地，控制单元在确定出各电磁阀的初始开口参量时，可将该各电磁阀的初始开口参量发送给电磁阀执行单元。电磁阀执行单元基于对应的初始开口参量执行相应动作。在各电磁阀基于对应的初始开口参量进行动作的过程中，控制单元获取检测单元实时采集的整定信号。

在一些实施例中，整定信号可包括但不限于位移信号、转速信号、接近开关信号和扭矩信号等中的一种或多种。作为一种示例，该定信号可包括位移信号、转速信号、接近开关信号和扭矩信号。其中，位移信号是指钻臂钻箱部分沿轨道上下滑动距离轨道最底部分的距离信号；转速信号是指钻箱的实时转速信号；接近开关信号是指判定钻臂钻箱滑移位置是否到轨道顶端的开关信号；扭矩信号是指钻臂的实时扭矩信号。

在步骤103中，将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数，并根据控制参数调节各电磁阀的开度。

在本申请实施例中，该控制参数可为PID调节参数。例如，控制单元为以带有PID调节功能的控制器，则控制单元输出的控制参数可为PID调节参数。

例如，控制单元可将检测单元实时采集的位移、转速、接近开关、扭矩等信号为参考变量，赋以参考变量为参考，实时计算出适用于实际工况下的控制各电磁阀的P和I最优参数，基于P和I最优参数控制各电磁阀的开口参量，以实时调节电磁阀开度。

在步骤104中，根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正。

需要说明的是，液压系统的压力信号可以判定系统是处于钻孔作业流程还是锚固作业流程，另外判定钻箱完成一个作业流程后是否滑移到钻臂轨道底部根据不同的流程，对电磁阀的开口参量需要进行不同调整。因此，在本申请实施例中，可根据液压系统的压力信号，判断当前实际工况处于钻孔作业流程还是锚固作业流程，并根据当前实际工况所处的不同作业流程，对各电磁阀的开口参量进行修正，以最终实现钻臂钻孔和锚固作业的自适应控制。

举例而言，如图2所示，在接收到针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号时，可以预先建立的经验模型规划各电磁阀初始开口参数，将检测单元实时采集的位移、转速、接近开关、扭矩等信号为参考变量，赋以参考变量为参考，规划适应实际工况的控制电磁阀输出P和I最优参数，控制各电磁阀的开口参量，并根据液压系统的压力信号作为反馈信号，对各电磁阀开口参量进行修正，最终实现钻臂钻孔和锚固作业的自适应控制。

钻孔和锚固依托载体为液压系统，主要分为两种工况：1、钻孔：即将钻杆装入锚钻系统，因需在煤壁钻孔，整个系统负载大，系统压力较高，一般为10～15Mpa，此时钻臂进给速度需缓慢，钻箱转速也较低；2、钻锚锚固：即将锚杆装入锚钻系统，将其钻入预先钻好的锚杆孔中，该过程系统负载小，系统压力为5～8Mpa，此时钻臂进给速度较钻孔过程要快，钻箱转速也较高。可见，钻孔和锚固所需的进给速度和旋转速度肯定是截然不同的。因此，控制单元在将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数时，还可根据液压系统的压力信号，判断当前实际工况处于钻孔作业流程还是锚固作业流程，并根据当前实际工况所处的不同作业流程，对各电磁阀的开口参量进行修正，以最终实现钻臂钻孔和锚固作业的自适应控制。

根据本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制方法，可响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量，在各电磁阀基于初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号，并将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数，并根据控制参数调节各电磁阀的开度，以及根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正，以最终实现钻臂钻孔和锚固作业的自适应控制，可以改善锚护工的作业环境，提高支护效率和安全性，为数字化矿山提供设备机载钻臂的锚护信息，从而提高了液压系统锚护作业的可靠性和有效性。

图3为本申请实施例提供的一种机载钻臂钻锚的自适应控制系统的结构框图。如图3所示，该机载钻臂钻锚的自适应控制系统300可以包括：控制单元301、电磁阀执行单元302和检测单元303。

具体地，控制单元301用于响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量。

在一些实施例中，控制单元301根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量的具体实现过程可如下：确定针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值；按照针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值，从所述经验模型中确定出所述各电磁阀的初始开口参量；其中，所述经验模型中具有多组机械式系统的实时压力参数、实时扭矩参数、实时转速参数、实时位移参数、实时接近开关参数，与所述多组机械式系统中的各电磁阀开口参量的映射关系。

电磁阀执行单元302用于基于初始开口参量执行对应电磁阀进行动作。

检测单元303用于在各电磁阀基于初始开口参量进行动作时，实时采集整定信号。在一些实施例中，整定信号可包括但不限于位移信号、转速信号、接近开关信号和扭矩信号等中的一种或多种。作为一种示例，该定信号可包括位移信号、转速信号、接近开关信号和扭矩信号。其中，位移信号是指钻臂钻箱部分沿轨道上下滑动距离轨道最底部分的距离信号；转速信号是指钻箱的实时转速信号；接近开关信号是指判定钻臂钻箱滑移位置是否到轨道顶端的开关信号；扭矩信号是指钻臂的实时扭矩信号。

控制单元301还用于获取检测单元303实时采集的整定信号，并将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数，并根据控制参数调节各电磁阀的开度，以及根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正。

在一些实施例中，控制单元301根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正的具体实现过程可如下：根据所述液压系统的压力信号，判断当前实际工况处于钻孔作业流程还是锚固作业流程；根据所述当前实际工况所处的不同作业流程，对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

在一些实施例中，如图4所示，该机载钻臂钻锚的自适应控制系统400还可包括：微型操作面板404。微型操作面板404上集成多个控制按钮，其中，每一控制按钮作为电磁阀控制使能信号，微型操作面板404用于接收用户针对电磁阀的操作。

其中，图4中401－403和图3中301－303具有相同功能和结构。

关于上述实施例中的系统，其中各个单元执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

根据本申请实施例的机载钻臂钻锚的自适应控制系统，响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定各电磁阀的初始开口参量，在各电磁阀基于初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号，并将实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制各电磁阀的控制参数，并根据控制参数调节各电磁阀的开度，以及根据液压系统的压力信号作为反馈信号对各电磁阀的开口参量进行修正，以最终实现钻臂钻孔和锚固作业的自适应控制，可以改善锚护工的作业环境，提高支护效率和安全性，为数字化矿山提供设备机载钻臂的锚护信息，从而提高了液压系统锚护作业的可靠性和有效性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，＂计算机可读介质＂可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机载钻臂钻锚的自适应控制方法，其特征在于，包括：

响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定所述各电磁阀的初始开口参量；

在所述各电磁阀基于所述初始开口参量进行动作时，获取检测单元实时采集的整定信号；

将所述实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制所述各电磁阀的控制参数，并根据所述控制参数调节所述各电磁阀的开度；

根据所述液压系统的压力信号作为反馈信号对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整定信号包括：

位移信号，所述位移信号是指钻臂钻箱部分沿轨道上下滑动距离轨道最底部分的距离信号；

转速信号，所述转速信号是指所述钻箱的实时转速信号；

接近开关信号，所述接近开关信号是指判定所述钻臂钻箱滑移位置是否到轨道顶端的开关信号；

扭矩信号，所述扭矩信号是指所述钻臂的实时扭矩信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述液压系统的压力信号作为反馈信号对所述各电磁阀的开口参量进行修正，包括：

根据所述液压系统的压力信号，判断当前实际工况处于钻孔作业流程还是锚固作业流程；

根据所述当前实际工况所处的不同作业流程，对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式建立所述经验模型：

依据人工完整操作锚护系统钻孔和锚固整套流程作为一个循环，以每一循环为组，记录多组机械式系统的实时压力参数、实时扭矩参数、实时转速参数、实时位移参数、实时接近开关参数为基础数据，并记录所述多组机械式系统中的各电磁阀开口参量；

建立所述多组机械式系统的基础数据与所述各电磁阀开口参量之间的映射关系，完成所述经验模型的建立。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据预先建立的经验模型确定所述各电磁阀的初始开口参量，包括：

确定针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值；

按照针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值，从所述经验模型中确定出所述各电磁阀的初始开口参量。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制参数为PID调节参数。

7.一种机载钻臂钻锚的自适应控制系统，其特征在于，包括：

控制单元，用于响应于针对液压系统之中各电磁阀的启动使能信号，根据预先建立的经验模型确定所述各电磁阀的初始开口参量；

电磁阀执行单元，用于基于所述初始开口参量执行对应电磁阀进行动作；

检测单元，用于在所述各电磁阀基于所述初始开口参量进行动作时，实时采集整定信号；

所述控制单元，还用于获取所述检测单元实时采集的整定信号，并将所述实时采集的整定信号作为参考变量，实时计算适用于实际工况的控制所述各电磁阀的控制参数，并根据所述控制参数调节所述各电磁阀的开度，以及根据所述液压系统的压力信号作为反馈信号对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

微型操作面板，所述微型操作面板上集成多个控制按钮，其中，每一控制按钮作为电磁阀控制使能信号，所述微型操作面板用于接收用户针对电磁阀的操作。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制单元具体用于：

根据所述液压系统的压力信号，判断当前实际工况处于钻孔作业流程还是锚固作业流程；

根据所述当前实际工况所处的不同作业流程，对所述各电磁阀的开口参量进行修正。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制单元具体用于：

确定针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值；

按照针对压力参数、扭矩参数、转速参数、位移参数和接近开关参数分别对应的目标值，从所述经验模型中确定出所述各电磁阀的初始开口参量；其中，所述经验模型中具有多组机械式系统的实时压力参数、实时扭矩参数、实时转速参数、实时位移参数、实时接近开关参数，与所述多组机械式系统中的各电磁阀开口参量的映射关系。

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