CN113006793A - 一种悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法，属于煤矿综掘设备智能控制领域。该系统包括截割载荷识别模块；模糊推理模块；截割头转速控制模块以及截割臂摆速控制模块。本发明通过机载检测传感器实时检测掘进机在截割过程中的三种关键截割参数，包括截割电机电流I，截割臂驱动油缸压力P以及截割臂振动加速度Acc；利用神经网络控制器将三种多传感器信息依据不同截割工况进行截割载荷识别，输出相应的载荷信号。再输入到模糊推理模块中输出合适的摆速控制信号和转速控制信号，利用输出的信号对截割头转速和截割臂摆速进行联合控制。该系统及方法填补了目前煤矿掘进机智能截割联合控制方面的空白，实现掘进机在截割过程中根据煤岩硬度实时智能同步调节截割头转速和截割臂摆速，真正实现整个掘进机截割部的智能化截割。

Description

一种悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法，属于煤矿综掘设备智能控制领域。

背景技术

悬臂式掘进机依靠截割臂摆动和截割头转动共同截割煤岩，实现巷道的挖掘。在目前已有的控制系统及方法中，分别对截割头转速和截割头臂摆速进行了控制和设计，但大都智能化程度不高，所参考的控制参数较为单一，调节误差大，导致掘进机工作效率不能达到最高，实际应用效果欠佳。且市场对于掘进机截割头转速和截割臂摆速联合控制方面存在空白。实现掘进机智能截割联合控制将会极大地提高掘进机截割系统的截割效率，延长掘进机的使用寿命，提高掘进机的智能化和机器人化程度，具有极大地生产收益。

公开号为“CN102305070A”专利名称为“一种截割调速系统及掘进机”，该专利试图利用变频器对电流的幅值进行调节，改变截割电机的输出转速、转矩，从而能够实现掘进机截割头无级变速。

公开号为“CN105863632A”专利名称为“一种悬臂式掘进机截割变频器自动换档的控制方法及系统”，该专利试图利用为截割变频器增加转矩包络线控制功能，根据截割变频电机的电流、转矩和转速来自动切换截割变频器的档位，实现截割电机转速的控制。

公开号为“CN205078272U”专利名称为“一种掘进机截割臂自动调速系统”。该专利试图利用电流传感器检测截割电机电流，并以此为判断依据，当截割电流变大时，控制电液比例阀调整流量，从而降低截割臂摆速，起到对结构件和电气件的保护作用。

公开号为“CN107269275B”专利名称为“一种悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及方法”。该专利试图利用掘进机截割部的多种截割参数，并对其进行数据融合，以达到截割臂摆速与所截割煤岩硬度实时匹配的自适应控制效果，实现截割臂的自动截割。

上述几种方法分别对截割头转速和截割臂摆速进行了有效的控制，但仍然存在以下局限性：

(1)对截割头转速的控制均利用变频器实现，但没有考虑对不同煤岩硬度下的载荷信息进行识别，只能粗略地根据截割电机电流判断载荷信息，造成对实现截割头转速控制的判据太单一，控制精确度和智能化程度不高。

(2)虽然利用多种工作参数对截割臂摆速进行了判断，但融合过程、控制过程较简单，不能保证截割臂摆速控制精度，控制效果不能达到最佳。

(3)以上专利均没有考虑依靠井下截割过程中的多参数信息对截割头和截割臂进行联合截割，以期最大限度地提高截割效率，保护截割关键部件，真正实现整个截割部的智能化截割。

发明内容

技术问题：本发明的主要目的在于，针对目前煤矿掘进机智能截割联合控制方面的空白，提出一种悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法，主要包括；掘进机智能截割联合控制系统设计，联合控制方法。旨在实现掘进机在截割过程中根据煤岩硬度实时智能同步调节截割头转速和截割臂摆速，真正实现整个掘进机截割部的智能化截割。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该系统包括：截割载荷识别模块，利用掘进机截割过程中多种机载传感器信息识别煤岩载荷大小，输出不同煤岩硬度下的载荷识别信号；模糊推理模块，利用煤岩载荷信号推理出合适的摆速控制信号和转速控制信号；截割头转速控制模块，利用模糊推理模块输出的控制信号调整截割头转速；截割臂摆速控制模块，利用模糊推理模块输出的控制信号调整截割臂摆速。

所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的截割载荷识别模块包括机载检测传感器、神经网络控制器；其中，机载检测传感器实时检测掘进机在截割过程中的三种关键截割参数，包括截割电机电流I，截割臂驱动油缸压力P以及截割臂振动加速度 Acc；神经网络控制器将三种多传感器信息依据不同截割工况进行截割载荷识别，输出相应的载荷信号。

所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的模糊推理模块包含一个截割载荷模糊推理控制器；该控制器依据煤岩载荷识别信号输出合适的截割头转速信号和截割臂摆速控制信号，实现掘进机截割臂与截割头智能联合截割。

所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的截割头转速控制模块包括变频器、截割电机；其中，变频器通过模糊推理模块输出的转速控制信号将截割头转速进行分档，将转速分为5 挡，分别为低速挡、中低速档、中速档、中高速挡和高速档；截割电机根据变频器输出的电流值实现截割头转速的调节。

所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的截割臂摆速控制模块包括PID控制器、电液比例阀、驱动油缸；其中，模糊推理模块输出的摆速控制信号输入到PID控制器中，PID控制器用来对摆速控制信号进行校正，再通过电液比例阀控制阀开口电流，从而控制升降或者回转液压缸的伸缩量实现截割臂摆速控制。

所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统的联合控制方法，其特征是：

(1)控制系统利用机载传感器，实时检测截割电机电流I、截割驱动油缸压力P、截割臂振动加速度Acc作为神经网络载荷识别控制器的输入，该控制器利用井下不同截割工况的实测数据训练得到。在掘进机截割过程中，实时检测三个参数，并将其输入已经训练好的神经网络载荷识别控制器，该控制器的输出根据不同工况下的煤岩截割硬度输出相应的载荷识别信号，该载荷信号根据煤岩硬度分为5级。

(2)采用模糊神经网络方法设计模糊推理控制器，该控制器的设计原理根据不同煤岩硬度下的载荷信号确定。控制器输出的截割头转速控制信号根据载荷识别信号分为5挡，分别为低速挡、中低速档、中速档、中高速挡和高速档。控制器输出的截割臂摆速控制信号根据载荷识别信号的变化而变化。当载荷信号变大时，截割臂摆速减小；当载荷信号变小时，截割臂摆速增大。特别地，当载荷信号变化的级数增大时，截割臂摆速减小的速度更快；当载荷信号变化的级数减小时，截割臂摆速增大的速度更快。

(3)根据模糊推理模块的输出对掘进机截割头和截割臂进行联合控制，使截割头转速和截割臂摆速同时根据煤岩硬度的变化而改变。

本发明悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法填补了市场空白，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)本发明利用截割载荷识别模块，能够准确判断出掘进机截割过程中截割臂负载情况，摆脱现有技术依赖单一信息的不足，具有良好的识别准确性。

(2)本发明利用其模糊推理模块，可以实现截割头转速与截割臂摆速联合控制，具有极大的创新性。

(3)本发明悬臂式掘进机智能截割联合控制方法，通过实时检测三个参数进行不同煤岩硬度载荷识别，并分别对截割头转速分档控制，对截割臂摆速自适应控制，该方法能够使截割头转速和截割臂摆速同时根据煤岩硬度的变化而改变，从而保证掘进机智能截割联合控制的高精度与高效率。

(4)无论掘进机掘进机处于何种工况，该系统均能智能识别煤岩硬度载荷信息，保证截割头转速和截割臂摆速始终与煤岩硬度相适应，从而实现掘进机智能截割的联合控制，使掘进机始终以最高效率进行截割工作。

综上所述，本发明悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法，可实现掘进过程中掘进机截割头转速和截割臂摆速的联合控制，是对掘进机自适应、智能截割系统与方法的重大改进和创新，填补了市场空白。该系统适用于煤岩硬度变化较大且智能化需求极高的综掘工作面，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有创新性与技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

附图说明

图中：

图1是本发明系统组成原理图

图2是本发明煤岩硬度分级标准图

图3是截割载荷模糊推理控制器原理图

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明较佳实施例的悬臂式掘进机截割臂摆速自适应控制系统及其方法，如图1所示，由截割载荷识别模块、模糊推理模块、截割头转速控制模块以及截割臂摆速控制模块组成；其中，截割载荷识别模块包括多种机载检测传感器、神经网络载荷识别控制器；模糊推理模块包括一个模糊推理控制器；截割头转速控制模块包括变频器、截割电机以及减速机构；截割臂摆速控制模块包括PID控制模块、电液比例阀以及驱动油缸。

截割载荷模块中利用机载检测传感器实时检测掘进机在截割过程中的三种关键截割参数，包括截割电机电流I，截割臂驱动油缸压力P以及截割臂振动加速度Acc；神经网络控制器将三种多传感器信息依据不同截割工况进行截割载荷识别，输出相应的载荷信号。其载荷信息根据不同工况下的煤岩截割硬度进行分级，其分级标准如图2 所示。

模糊推理模块中的截割载荷模糊推理控制器采用模糊神经网络控制方法来设计，其设计原理如图3所示。模糊推理模块依据神经网络控制器输出的载荷分级信号及其变化率设定模糊推理规则。依据模糊推理规则，控制器输出的截割头转速控制信号根据载荷识别信号分为5挡，分别为低速挡、中低速档、中速档、中高速挡和高速档；控制器输出的截割臂摆速控制信号根据载荷识别信号的变化而变化。当载荷信号变大时，截割臂摆速减小；当载荷信号变小时，截割臂摆速增大。特别地，当载荷信号变化的级数增大时，截割臂摆速减小的速度更快；当载荷信号变化的级数减小时，截割臂摆速增大的速度更快。

模糊推理规则依据的原则为：若载荷信号处为1级，则截割头转速输出为1挡，截割头转速较快，同时截割臂摆速较快；如载荷信号变为2级，则截割头转速输出为2挡，截割头转速变慢，同时截割臂摆速变慢，但变慢的幅度适中；若载荷信号突变为4级，此时截割头转速输出为4挡，截割头转速急速变慢，同时截割臂摆速变慢，且变慢的速度加快。依次，若载荷信号变小，则截割头转速和截割臂摆速的变化反之亦然。

截割头转速控制模块根据模糊推理控制模块输出的截割头转速分档信号驱动变频器改变截割电机的输入频率，实现截割电机的转速依据不同煤岩硬度变化，实现截割头分档调速。

截割臂摆速控制模块根据模糊推理控制模块输出的截割臂摆速控制信号进行速度调节；PID控制器用来对摆速控制模块进行校正，以减小超调和抖动；电液比例阀驱动升降或者回转液压缸进行摆速的调节。

悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法的实施步骤为：

(1)掘进机在截割过程中实时检测三种关键截割参数，包括截割电机电流I，截割臂驱动油缸压力P以及截割臂振动加速度Acc；将信号初步处理后输入训练好的神经网络载荷识别控制器，控制器的输出已由煤岩硬度分级表进行计算和分类。

(2)载荷识别控制器输出的载荷信号直接输入到模糊推理控制器中，依据模糊推理规则进行载荷分配。其分配原则为：若载荷信号处为1级，则截割头转速输出为1挡，截割头转速较快，同时截割臂摆速较快；如载荷信号变为2级，则截割头转速输出为2挡，截割头转速变慢，同时截割臂摆速变慢，但变慢的幅度适中；若载荷信号突变为4级，此时截割头转速输出为4挡，截割头转速急速变慢，同时截割臂摆速变慢，且变慢的速度加快。依次，若载荷信号变小，则截割头转速和截割臂摆速的变化反之亦然。此原则依据模糊IF-THEN 规则撰写，覆盖所有转速分档及摆速变化情况。

(3)截割头转速控制模块根据模糊推理控制模块输出的截割头转速分档信号驱动变频器改变截割电机的输入频率，实现截割头分档调速；截割臂摆速控制模块根据模糊推理控制模块同时输出的截割臂摆速控制信号进行速度调节，实现截割臂摆速的自适应控制。

(4)无论掘进机如何截割，截割头转速和截割臂摆速联合控制方法与过程均为上述控制方法与过程，截割头转速、截割臂摆速始终与载荷信息相适应，与不同工况下的煤岩硬度相适应、从而实现掘进机智能截割联合控制，使掘进机始终以最高效率进行截割工作。

上述如此结构构成的本发明悬臂式掘进机智能截割联合控制系统及方法的技术创新，对于现今同领域内的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：该系统包括：截割载荷识别模块，利用掘进机截割过程中多种机载传感器信息识别煤岩载荷大小，输出不同煤岩硬度下的载荷识别信号；模糊推理模块，利用煤岩载荷信号推理出合适的摆速控制信号和转速控制信号；截割头转速控制模块，利用模糊推理模块输出的控制信号调整截割头转速；截割臂摆速控制模块，利用模糊推理模块输出的控制信号调整截割臂摆速。

2.根据权利要求1所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的截割载荷识别模块包括机载检测传感器、神经网络控制器；其中，机载检测传感器实时检测掘进机在截割过程中的三种关键截割参数，包括截割电机电流I，截割臂驱动油缸压力P以及截割臂振动加速度Acc；神经网络控制器将三种多传感器信息依据不同截割工况进行截割载荷识别，输出相应的载荷信号。

3.根据权利要求1所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的模糊推理模块包含一个截割载荷模糊推理控制器；该控制器依据煤岩载荷识别信号输出合适的截割头转速信号和截割臂摆速控制信号，实现掘进机截割臂与截割头智能联合截割。

4.根据权利要求1所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的截割头转速控制模块包括变频器、截割电机；其中，变频器通过模糊推理模块输出的转速控制信号将截割头转速进行分档，将转速分为5挡，分别为低速挡、中低速档、中速档、中高速挡和高速档；截割电机根据变频器输出的电流值实现截割头转速的调节。

5.根据权利要求1所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统，其特征是：所述的截割臂摆速控制模块包括PID控制器、电液比例阀、驱动油缸；其中，模糊推理模块输出的摆速控制信号输入到PID控制器中，PID控制器用来对摆速控制信号进行校正，再通过电液比例阀控制阀开口电流，从而控制升降或者回转液压缸的伸缩量实现截割臂摆速控制。

6.一种用权利要求1所述的悬臂式掘进机智能截割联合控制系统的联合控制方法，其特征是：

(1)控制系统利用机载传感器，实时检测截割电机电流I、截割驱动油缸压力P、截割臂振动加速度Acc作为神经网络载荷识别控制器的输入，该控制器利用井下不同截割工况的实测数据训练得到。在掘进机截割过程中，实时检测三个参数，并将其输入已经训练好的神经网络载荷识别控制器，该控制器的输出根据不同工况下的煤岩截割硬度输出相应的载荷识别信号，该载荷信号根据煤岩硬度分为5级。

(2)采用模糊神经网络方法设计模糊推理控制器，该控制器的设计原理根据不同煤岩硬度下的载荷信号确定。控制器输出的截割头转速控制信号根据载荷识别信号分为5挡，分别为低速挡、中低速档、中速档、中高速挡和高速档。控制器输出的截割臂摆速控制信号根据载荷识别信号的变化而变化。当载荷信号变大时，截割臂摆速减小；当载荷信号变小时，截割臂摆速增大。特别地，当载荷信号变化的级数增大时，截割臂摆速减小的速度更快；当载荷信号变化的级数减小时，截割臂摆速增大的速度更快。

(3)根据模糊推理模块的输出对掘进机截割头和截割臂进行联合控制，使截割头转速和截割臂摆速同时根据煤岩硬度的变化而改变。

(4)无论掘进机处于何种工况，该系统均能智能识别煤岩硬度载荷信息，保证截割头转速和截割臂摆速始终与煤岩硬度相适应，从而实现掘进机智能截割的联合控制，使掘进机始终以最高效率进行截割工作。

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