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数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割方法

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煤炭学报 2023年第11期48卷 4247-4260页

作者：张旭辉王甜张超万继成杜昱阳杨文娟毛清华石硕刘彦徽余恒翰王亮乔杰田江伟李晓鹏西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室陕西西安710054 西安煤矿机械有限公司陕西西安710032 陕西敏思特科技股份有限公司陕西西安710054

针对当前掘进设备智能化程度低,掘进过程中超挖、欠挖和异常碰撞等情况难以具体描述,传统自动截割和记忆截割技术难以适应复杂地质条件等问题,提出了一种数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割控制方法。通过分析数字孪生技术在... 详细信息

针对当前掘进设备智能化程度低,掘进过程中超挖、欠挖和异常碰撞等情况难以具体描述,传统自动截割和记忆截割技术难以适应复杂地质条件等问题,提出了一种数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割控制方法。通过分析数字孪生技术在当前煤炭智能化开采领域的研究情况,设计了数字孪生驱动的悬臂式掘进机记忆截割控制系统总体方案,对复杂工况下悬臂式掘进机记忆截割关键技术进行研究。首先,充分利用数字孪生和虚拟现实技术的特性,研究复杂工况环境下的虚拟示教策略,基于Unity3D平台建立对应实体等尺寸的工作面及设备虚拟孪生模型、截割部运动学模型和虚拟碰撞检测模型,在虚拟端通过智能交互界面控制虚拟模型运动,结合工人经验设计示教轨迹并优化,使其作为轨迹跟踪的目标期望轨迹,弥补传统井下人工示教由于恶劣工况环境导致的过度依赖工人经验等问题;其次,为提高断面成形质量,研究记忆自动截割阶段示教轨迹跟踪再现控制方法,利用拉格朗日法建立截割部动力学模型,采用迭代学习与滑模控制相结合的方法提高末端执行器对示教轨迹的跟踪控制精度;最后,搭建悬臂式掘进机记忆截割仿真控制平台,通过虚拟空间与物理空间以及各模块之间的实时数据传输与交互,在虚拟空间中完成记忆截割虚拟示教与轨迹跟踪控制过程的三维可视化仿真,进而生成记忆自动截割轨迹跟踪控制指令并发送至悬臂式掘进机物理实体的末端执行器,驱动其按照示教轨迹进行断面成形截割,同时物理传感器采集悬臂式掘进机机身及截割臂位姿数据,反向驱动虚拟模型同步动作,实现对机器人虚拟模型和物理实体的闭环控制。在此基础上对系统的虚实同步性、虚拟样机与物理样机运动一致性和轨迹跟踪再现控制精度进行验证,实验结果表明,系统数据传输延迟较低,能够保证虚实一致性和同步性,且轨迹跟踪控制精度满足实际使用要求,该方法为掘进设备记忆截割与智能化控制提供了新的思路。

关键词：数字孪生悬臂式掘进机记忆截割虚拟示教轨迹跟踪数据交互

一种采用灰色马尔科夫组合模型的采煤机记忆截割算法

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中南大学学报（自然科学版） 2011年第10期42卷 3054-3058页

作者：樊启高李威王禹桥范孟豹杨雪锋中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221008

针对传统采煤机记忆截割策略需要频繁人工调整摇臂高度导致效率和精度低等不足,提出利用灰色马尔科夫组合模型的采煤机自适应记忆截割策略。当采煤机截割岩石时,首先根据截割高度先验数据,利用灰色模型得到截割高度预测数据,在此基础上... 详细信息

针对传统采煤机记忆截割策略需要频繁人工调整摇臂高度导致效率和精度低等不足,提出利用灰色马尔科夫组合模型的采煤机自适应记忆截割策略。当采煤机截割岩石时,首先根据截割高度先验数据,利用灰色模型得到截割高度预测数据,在此基础上,对该预测数据进行残差计算和状态划分,确定马尔科夫链状态概率矩阵。通过马尔科夫链状态概率矩阵对灰色模型进行反馈修正,得到采煤机截割高度自适应调整值。通过模拟采煤机工作面调整高度,对2种采煤机记忆截割策略进行仿真分析。研究结果表明:传统记忆截割模型可信度为96.26%,但需要5次人工调整,而灰色马尔科夫记忆截割模型的可信度在无人干预下高达99.20%;基于灰色马尔科夫组合模型的采煤机记忆截割策略不仅具有更高的控制精度,而且大大提高了采煤机的自动化水平。

关键词：采煤机记忆截割灰色马尔科夫模型

单向示范刀采煤机记忆截割的模糊自适应PID控制仿真

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辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2013年第1期32卷 85-88页

作者：刘春生陈金国黑龙江科技学院机械工程学院黑龙江哈尔滨150027

针对采煤机载荷的随机性,调高机构的几何非线性以及单向信息采集的偏差.采用模糊自适应PID控制方法,实现采煤机双向截割滚筒高度的自动跟踪,给出了单向示范刀顶底板数字化模型与模糊自适应PID控制策略,在Matlab/Simulink环境下,对单向... 详细信息

针对采煤机载荷的随机性,调高机构的几何非线性以及单向信息采集的偏差.采用模糊自适应PID控制方法,实现采煤机双向截割滚筒高度的自动跟踪,给出了单向示范刀顶底板数字化模型与模糊自适应PID控制策略,在Matlab/Simulink环境下,对单向示范刀记忆模式的记忆截割曲线跟踪控制进行仿真,并给出误差曲线.仿真结果表明:下行截割曲线跟踪的综合误差近似为顶板数字化转换算法误差和控制系统跟踪误差的叠加.下行顶板数字化转换算法、控制系统算法及其综合误差满足工程要求,可为单向示范刀采煤机记忆调高系统设计提供理论基础.

关键词：采煤机滚筒调高系统单向示范刀记忆截割电液比例控制模糊自适应PID 数学模型 simulink仿真

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采煤机截齿力学特性优化的记忆截割系统

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2016年第6期35卷 642-645页

作者：高永新卢晓路辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000

为实现采煤机记忆截割过程中截割轨迹的实时动态调节,采用理论分析与实验的方法,分析了采煤机滚筒截割过程中的受力情况,应用最小模糊度方法建立滚筒x、y、z轴受力的隶属度函数,根据采集到的截割力信号判定截齿的实时截割环境,采用模糊... 详细信息

为实现采煤机记忆截割过程中截割轨迹的实时动态调节,采用理论分析与实验的方法,分析了采煤机滚筒截割过程中的受力情况,应用最小模糊度方法建立滚筒x、y、z轴受力的隶属度函数,根据采集到的截割力信号判定截齿的实时截割环境,采用模糊神经网络控制方法对传统的记忆截割系统进行优化,并通过实验验证系统的精确性与可靠性.研究结果表明:改进后的系统能优化采煤机的记忆截割路径,大大降低截齿的磨损,延长了滚筒的整体使用寿命,提高了综采工作面的生产效率.

关键词：采煤机磨损记忆截割截割力模糊神经网络寿命

基于K-GRU神经网络的采煤机记忆截割及优化

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河南理工大学学报（自然科学版） 2024年第1期43卷 96-104页

作者：安葳鹏闫鹏皓张文博孙旭旭河南理工大学计算机科学与技术学院河南焦作454000

目的针对采煤机记忆截割不准确、自动化程度不高的问题,方法本文提出一种基于KGRU神经网络的采煤机记忆截割算法,此算法具有更适合处理长时序数据的特点,将算法与采煤机记忆截割结合起来,可以减少采煤过程中滚筒的损坏同时保护工人生命... 详细信息

目的针对采煤机记忆截割不准确、自动化程度不高的问题,方法本文提出一种基于KGRU神经网络的采煤机记忆截割算法,此算法具有更适合处理长时序数据的特点,将算法与采煤机记忆截割结合起来,可以减少采煤过程中滚筒的损坏同时保护工人生命安全。该算法在深层门控循环单元(GRU)的输入端引入比例因子K,用比例因子K表现不同时刻数据的重要程度,以加强模型对长时序数据的记忆性,进而提高记忆截割精度。在模型训练阶段利用随机搜索算法(RS)对深层K-GRU神经网络的超参数选择进行优化,加快模型训练速度。结果实验中使用Python完成K-GRU模型构建与超参数优化,使用随机搜索算法可以在更短时间内得到超参数最优解,得到超参数epochs为317、batch_size为70的最优解共花费154 s,在最优解情况下计算模型对真实采煤数据预测的误差,得到K-GRU的loss值为0.0467、R2为0.9578、EVS为0.9656、ME为0.0833。结论最终表明,优化后的深层K-GRU模型在解释方差得分、最大误差和可决系数方面均优于SVM、KNN、LSTM、RNN和普通GRU模型,显著提高了采煤机记忆截割的适用性和准确性。

关键词：门控循环单元记忆截割随机搜索算法强化因子采煤机

基于多传感器的少人、无人工作面采煤机记忆截割的实现

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煤矿机械 2013年第1期34卷 214-216页

作者：封平安滕文西安煤矿机械有限公司西安710032

根据采煤机记忆截割的基本工作原理,解析了采煤机采高控制中各参数之间的数学几何关系。通过测量各个主要参数的传感器的应用,可以实现用采煤机摇臂摆角参数替代多变的工作面倾角参数的少人、无人工作面采煤机的记忆截割功能。

关键词：记忆截割采煤机传感器工作面

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模糊神经网络在采煤机记忆截割技术中的应用

制造业自动化 2014年第4期36卷 17-19页

作者：罗成名徐晗杨海中国矿业大学机电工程学院徐州221116

本文提出了一种基于模糊神经网络的采煤机记忆截割技术,来对采煤机截割滚筒进行自动调高。基于模糊神经网络建立了采煤机机身与截割高度之间的非线性关系,并采用误差反向传播和最小二乘法相结合方法对可调参数进行辨识和优化。实验表明... 详细信息

本文提出了一种基于模糊神经网络的采煤机记忆截割技术,来对采煤机截割滚筒进行自动调高。基于模糊神经网络建立了采煤机机身与截割高度之间的非线性关系,并采用误差反向传播和最小二乘法相结合方法对可调参数进行辨识和优化。实验表明,模糊神经网络对截割样本具有很好的泛化能力,很好地逼近煤层高度趋势,减少截割误差并提高割煤效率。

关键词：采煤机记忆截割自动调高技术模糊神经网络

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基于单示范刀采煤机记忆截割的数学模型

煤炭科学技术 2011年第3期39卷 71-73,103页

作者：刘春生陈金国黑龙江科技学院机械工程学院黑龙江哈尔滨150027

针对双示范刀记忆截割方法截割参数采样操作劳动强度大的特点,分析了采煤机的工作状态参数与煤层参数的相互关系,提出了单示范刀的记忆截割方法,构建出采煤机几何参数、运行位置、姿态参数和煤层参数与滚筒位置的数学关系,给出了单示范... 详细信息

针对双示范刀记忆截割方法截割参数采样操作劳动强度大的特点,分析了采煤机的工作状态参数与煤层参数的相互关系,提出了单示范刀的记忆截割方法,构建出采煤机几何参数、运行位置、姿态参数和煤层参数与滚筒位置的数学关系,给出了单示范刀状态下工作面顶板的记忆截割数字化模型。经对采煤机截割轨迹的多循环数值模拟,结果与样本轨迹有很好的吻合度,可为采煤机单示范刀记忆截割的程控系统设计提供理论基础。

关键词：采煤机记忆截割单示范刀数学模型

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灰色系统理论在采煤机记忆截割技术中的应用

煤炭科学技术 2011年第3期39卷 74-76,99页

作者：周斌王忠宾中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221008

为建立采煤机记忆截割技术中滚筒高度的三维空间分布模型,提高采煤机的记忆截割精度,在传统记忆截割技术的二维分布模型基础上,利用灰色系统理论和GM(1,1)模型,对采煤机滚筒在第三维(采煤机推进方向)上的高度进行动态预测,提出了一种灰... 详细信息

为建立采煤机记忆截割技术中滚筒高度的三维空间分布模型,提高采煤机的记忆截割精度,在传统记忆截割技术的二维分布模型基础上,利用灰色系统理论和GM(1,1)模型,对采煤机滚筒在第三维(采煤机推进方向)上的高度进行动态预测,提出了一种灰色记忆截割技术。Matlab仿真结果表明:在相同的误差要求下,对比传统记忆截割算法,灰色记忆截割算法演算出的采高曲线更接近于理论采高曲线,同时灰色记忆截割技术使得调高次数减少了32.8%,因此灰色记忆截割技术能大幅度提高采煤机记忆截割的精度和实用性。

关键词：采煤机灰色系统理论记忆截割自动调高 Matlab仿真