悬臂式掘进机巷道断面成形控制的研究

论文摘要

掘进机广泛应用于采矿工程和地下工程中。目前,掘进机的操作主要是人在作业现场通过操作台来实现的。现场的环境比较恶劣,随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,掘进机的智能化、无人化发展趋势越来越受到人们的重视。本文以某全自动悬臂式掘进机为对象,研究巷道断面成形中截割臂的智能控制。论文分析断面形状与截割臂姿态之间的关系,根据煤矿巷道断面的成形过程,提出截割头在断面成形过程中的截割路径规划方案。并将路径离散化成一个点序列,从而将断面的截割路径分成若干小段,每一小段看作直线段。论文针对掘进机截割臂的运动特点,推导出其运动的空间几何模型,并进行抽象简化。分析了截割头的位置与截割臂姿态以及车体姿态之间的计算公式。建立了必要的坐标系,并推导出截割头的位置在悬臂式掘进机各坐标系中的转换关系。并根据每一小段的起点和终点坐标计算出相应的截割臂姿态,实现分段控制。掘进机控制系统是液压驱动的重型机械系统,系统中存在着滞后、死区、饱和等非线性环节,为准确稳定的控制带来了困难。而且液压系统在工作过程中,液压油温的变化会引起控制系统参数的变化,很难得到被控对象的精确模型。论文根据仿人智能控制器不需要精确被控对象模型的特点,采用仿人智能控制算法,将其中一些局部的非线性特性作线性化处理,分析截割臂在工作过程中的死区、饱和等特性,设计相应的控制规则集。针对掘进机工作现场的环境非常恶劣,振动大,粉尘多,干扰强,有防爆的要求,在掘进机的控制系统中采用CAN工业现场总线控制,根据通信接口,设计运动和姿态检测传感器和控制器,将传感器都直接输出CAN信号,减少了信号转换导致的故障产生环节,从硬件上保证了系统的稳定性与可靠性。通过在全自动掘进机实物上进行实验,记录分析相关数据。并对巷道轨迹进行仿真。结果表明,本系统能正常运转,掘进机能截割出预期的巷道断面,效果较理想,本系统是一套可行的整体系统解决方案。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文主要工作
• 1.5 本章小结
• 2 掘进机截割臂断面成形空间几何模型
• 2.1 掘进机结构介绍
• 2.2 断面成形介绍
• 2.2.1 断面成形过程
• 2.2.2 断面极限形状分析
• 2.3 截割臂运动空间几何模型
• 2.3.1 刚体运动
• 2.3.2 欧拉角旋转矩阵
• 2.3.3 常用坐标系
• 2.3.4 参数说明
• 2.3.5 坐标系之间的变换
• 2.3.6 建立坐标系
• 2.3.7 截割臂的运动学模型
• 2.4 本章小结
• 3 控制器设计
• 3.1 仿人智能控制
• 3.1.1 仿人智能控制的思想
• 3.1.2 仿人智能控制算法的优势
• 3.1.3 仿人智能控制的概念
• 3.2 截割臂仿人智能控制器设计
• 3.2.1 饱和特性
• 3.2.2 死区特性
• 3.2.3 控制规则集的确定
• 3.2.4 控制器参数整定
• 3.3 本章小结
• 4 控制系统组成
• 4.1 控制系统的模型
• 4.2 通信协议
• 4.3 控制系统的硬件组成
• 4.3.1 主控制器
• 4.3.2 从控制器
• 4.3.3 算法控制器
• 4.3.4 CAN 卡
• 4.3.5 位移传感器
• 4.3.6 倾角传感器
• 4.3.7 光电编码器
• 4.4 本章小结
• 5 系统软件设计
• 5.1 通信模块
• 5.2 控制计算模块
• 5.3 辅助模块
• 5.4 本章小结
• 6 实验分析及仿真
• 6.1 实验
• 6.2 实验数据分析
• 6.3 巷道轨迹仿真
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录