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煤炭是我国的主体能源,煤矿开采需大量掘进巷道,掘进工作面作为煤炭生产中危险性最高的生产环节,其“狭小密闭空间密集人员作业”的工况特点与恶劣工作环境严重影响了煤矿巷道掘进效率,造成煤矿生产中“掘采失调”的矛盾越来越突出。长期以来,综掘工作面的装备大多依靠人工操控,此种操控方式不仅精度低、效率差且危险性高,因此,为实现巷道掘进的自动化、智能化与机器人化,迫切需要关于综掘工作面装备精准导控方面的研究。掘进机的精准与智能导控是实现巷道掘进连续高效作业、巷道精准成形及煤矿安全快速生产的重要保障,而掘进机自主纠偏与位姿控制是实现掘进机精准制导的关键环节,因此,针对掘进机自主纠偏与俯仰位姿控制的深入研究势在必行。本文针对悬臂式掘进机在综掘巷道内的自主纠偏与位姿控制问题展开研究,以综掘巷道的实际工况与掘进机纠偏与位姿控制各执行机构数学模型为基础,分析了掘进机履带—巷道底板耦合关系,制定了掘进机自主纠偏规划与跟踪策略以及纠偏运动的控制策略与方法,通过掘进机支撑机构受力分析与液压系统建模,提出了掘进机俯仰位姿控制算法,搭建了掘进机自主纠偏与俯仰位姿控制系统,从而实现了掘进机自主纠偏与俯仰位姿的自动控制,为机器人化巷道掘进的实现提供可靠的理论依据与技术基础。具体研究工作与创新如下:(1)综掘工作面工况分析与掘进机位姿调整执行机构建模通过分析综掘巷道的实际工况,得到了影响掘进机导控效率、精度与安全的主要因素;分析了巷道中掘进机的位姿参数种类以及不同尺寸巷道中的机身位姿极限;建立了以截割机构与支撑机构为核心的掘进机纠偏与位姿调整执行机构数学模型,确定了掘进机位姿参数与各执行机构运动参数的数学关系,结合掘进机结构参数与巷道尺寸确定了各执行机构的位姿调整范围,为掘进机的自主纠偏运动与俯仰位姿控制提供了基准与模型基础。(2)综掘巷道掘进机纠偏动力学分析、自主纠偏规划与运动控制基于掘进机履带与巷道底板的耦合关系,结合履带地面力学分析与路面土壤力学参数获取方法,提出了通过巷道底板湿度与土壤种类的综掘巷道路面土壤物理参数计算方法,完成了掘进机履带在复杂路况底板上的受力分析;基于履带车运动学理论,建立了掘进机在综掘巷道内的纠偏运动学与动力学模型;提出了掘进机自主纠偏影响度的定义与计算方法,以自主纠偏影响度与掘进机行驶性能为基准完成了综掘巷道环境模型的简化,提出了基于变异粒子群算法的掘进机纠偏规划与跟踪算法及神经网络PID的纠偏运动控制算法,完成了算法性能的仿真以及与其他相似算法的对比,验证了算法的有效性与优越性,为掘进机的自主纠偏提供了指导策略与控制理论基础。(3)掘进机支撑机构动力学分析及俯仰位姿控制针对综掘巷道的复杂工况,对巷道中的掘进机支撑机构进行了力学分析;基于支撑机构的受力状况、俯仰位姿与执行机构运动数学模型、支撑机构液压模型以及综掘巷道的复杂工况,提出了基于模糊神经网络PID控制的俯仰位姿控制算法,分别完成了不同工况下的控制算法仿真,验证了基于模糊神经网络PID的俯仰位姿控制算法相比于模糊PID控制的有效性与优越性,为掘进机的俯仰位姿控制奠定了控制理论基础。(4)掘进机纠偏规划、运动及俯仰位姿控制实验验证设计了掘进机自主纠偏及俯仰位姿控制的模拟试验方案,完成了 EBZ-55掘进机实验样机的改装、掘进机控制试验平台与模拟综掘巷道的搭建,并完成了相关模型验证、自主纠偏与俯仰位姿控制试验,在不同底板路况下,掘进机的纠偏位置最大误差为5.864mm,偏角最大误差为0.144°,俯仰位姿控制油缸位移最大控制稳态误差为0.329mm,最大标准差为0.159,由此可得控制精度与稳定性均可满足要求,验证所建模型及控制理论与方法的可行性。综上,本文建立了掘进机自主纠偏与俯仰位姿控制的运动学与动力学模型,完成了掘进机自主纠偏控制系统与俯仰位姿控制系统的设计、仿真与实现,进而实现了掘进机自主纠偏与位姿的精准控制,为进一步实现巷道掘进自动化与智能化提供了有效理论及技术支撑。