（电力电子与电力传动专业论文）采煤机记忆程控模型分析及控制策略的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e a l i z a t i o ns h e a r e rd r u m c u t t i n gm e m o r yp r o g r a mc o n t r o l l i f t i n g ，n o to n l yr e a l i z e st h ea u t o m a t i o ni m p o r t a n tl i n k i nt h em i n i n g c o a l w o r k i n g s u r f a c ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，b u t a l s o i m p o r t a n t f o r l e n g t h e n i n gt h el i f e s p a no ft h em a c h i n e ，i m p r o v i n gt h ed e p e n d a b i l i t y o ft h ee q u i p m e n t ，e n s u r i n gw o r k e r ss e c u r i t y ，r e d u c e sa c c i d e n tr a t e ， i m p r o v i n gq u a l i t y a n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fc o a l i ta l s oh a st h e b i g g e rp r o m o t e ra c t i o nt ot h em i n i n gc o a lm a c h i n e r yi n t e l l e c t u a l i z e d c o n t r o la n dt h ec o a li n d u s t r yd e v e l o p m e n t t h i sa r t i c l ef i r s te l a b o r a t e dt h er e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs h e a r e rd r u ml i f t i n g a n dt h r o u g hc o n s u l t i n g t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nc o n n e c t e dm a t e r i a l s ，u n d e r s t o o dt h ed r u m d i r e c ta n di n d i r e c tl i f t i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hh a v el a i dt h ef o u n d a t i o n f o rt h es h e a r e rm o d e ls i m u l a t i o na n dt h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g y t h e ni ta n a l y s e st h el i f t i n gm o d e lo ft h em e m o r yp r o g r a mc o n t r 0 1 t h r o u g hr e s e a r c h e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h em e m o r yp r o g r a mc o n t r o l ， d e c i d e dt ou s e st h e e l e c t r o m a g n e t i c c r o s sv a l v et o c o m p o s et h e h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，i nv i e wo ft h eu n e q u a la r e ao fi n f l u e n c ef o r t h eh y d r a u l i cc y l i n d e r ，p r o p o s e dan e wm o d e lp r o c e s s i n gm e t h o d ，t h e n e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es h e a r e rd r u ml i f t i n g u s i n g m a t l a bs o f t w a r e ，d i s c u s s e dt h e f e a s i b i l i t y o f c u t t i n gm e m o r y p r o g r a mc o n t r 0 1 d r u ml i f t i n gm o d e lu s e dt h em e t h o do fs p a r s es t o r a g e i n t e n s i v e s a m p l i n g ，a n a l y s i sm a n yf a c t o r s t h a ta f f e c tt h es a m p l i n gp e r i o d s h e a r e rt r a c t i o nd i s p l a c e m e n ta s s a m p l i n g i n t e r v a l ，t h e e q u a l d i s p l a c e m e n ti n t e r v a l o fw a s g i v e n a st h e t h e o r e t i c a lv a l u eo ft h e p e r i o d i cs a m p l i n g t h e r e s e a r c ho fd r u mc u t t i n gm e m o r yp r o g r a m c o n t r o ls t r a t e g yi sa n o t h e ri m p o r t a n ti s s u e sn e e dt or e s o l v e t h r o u g h c o n t r o l l i n gt h et i m ea n df r e q u e n c yo fb r e a k i n go ft h es o l e n o i dv a l v e ， 黑龙江科技学院硕士学位论文 c u t t i n gd r u mm e m o r yt r a c ec u r v e sw a sr e a p p e a r e d a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n th e i g h tb e t w e e ns a m p l i n gi n t e r v a l ，u s i n gav a r i e t yo fc o n t r o l s t r a t e g i e s ，s h e a r e rw a sm a d eo p t i m a la u t o m a t i cc u t t i n gc o a lm i n e r b e c a u s eo ft h es t o r a g ed a t ao ft h el i m i tp o i n t s ，t h en e x tc u t t i n gt h e t r a c k sc u r v ew a sm e m o r yp r o g r a m m i n ga n dt r a c k e do ff o r e c a s t sa n d j u d g e so ft h ec h a n g e so ft h er o o fa n df l o o ri nt h ec u t t i n gw o r k t h i s p a p e rp r e s e n t ss e v e r a lg r a yc o r r e l a t i o n m e t h o do fc a l c u l a t i o n ，a n da n e wm e t h o do fg r a yc o r r e l a t i o nc a l c u l a t i o nw a sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，s u m m a r i z e st h ef u l lt e x t ，i n d u c e st h er e s e a r c hc o n t e n ta n d t h er e s u l t ，a n dm a k e st h e f u r t h e rf o r e c a s t ，t h e n p o i n t s o u tt h a tt h e s h e a r e rd r u mc u t t i n gm e m o r yp r o g r a mc o n t r o lw i l lb ew o r t hf u r t h e r t h o r o u g h l ys t u d y i n gf r o mn o wo n k e y w o r d s ：d r u ml i f t i n g 、 m o d e l s i m u l a t i o n 、d y n a m i c c h a t a c t e “s “c s 、c o n t r o ls t r a t e g y 1 1 1 黑龙江科技学院 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：应l 红l 日期：塑2 ，丛 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名： 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景意义及研究目的 煤炭在我国已探明的一次性能源总量中占9 6 ，预计到2 0 2 0 年，煤炭仍将占能源总需求量的6 0 以上，采煤机作为煤炭开采的 主要设备，其自动化程度无疑严重制约着矿井生产效益。进入2 0 世纪9 0 年代后，随着煤炭生产向集约化方向发展，减员增效、提高 工作面单产成为煤炭发展的主流，发展高产高效工作面亦势在必行。 因此，开发研制围绕采煤工作面高产高效、安全可靠的大功率采煤 枫一直在进行，而且越来越重要，工况自动监测、故障诊断以及计 算机数据处理和数据显示等先进的监控技术已经在采煤机上得到了 应用。以采煤机为中心的工作面自动化，主要包括自动控制技术、 传感器技术、计算机技术、采煤机运行状态参数的监测及故障诊断 技术、自动调高控制技术、牵引自动调节技术、输送机推移和直线 控制技术、液压支架移步的电液控制技术、顺槽集中控制技术、平 巷集中控制技术等综合控制系统。但是除目前采煤机牵引部自动调 速技术比较成熟外，其余的设备仍以人工操作为主。 采煤机滚筒高度的控制，除国外少数的采煤机外，绝大部分也 是靠人工操作。即司机靠视力观察及截割的噪声来判断采煤机滚筒 在割岩还是割煤，以便调节滚筒的垂直位置。然而采煤机在工作过 程中产生大量的煤尘，尤其大功率的采煤机工作面能见度很低；而 且，机器本身噪音很大，操作工人实际上难以准确及时判断采煤机 的截割状态，更谈不上及时调整滚筒高度了。如果在薄煤层工作面， 则工人行走不便，再加上采煤机的牵引速度较快，司机不可能准确 及时地调整滚筒高度，因此采煤机在工作过程中经常会截割到顶底 板岩石。采煤机连续截割岩石会加剧滚筒截齿磨损及其他零部件的 损坏；对于高瓦斯矿井极易引起瓦斯爆炸，形成恶性事故；另外， 截割的岩石混入原煤中会造成原煤含矸量增加，质量下降。如果滚 筒的位置调整太保守，则造成项底煤剩留过多，降低回采率，造成 很大的资源浪费；同时人工操作还可能使顶底板表面不平整，造成 黑龙江科技学院硕士学位论文 移架和推溜困难等一系列的问题。解决这一问题的途径是实现采煤 机滚筒的自动调高。 实现采煤机滚筒的自动调高不仅是实现采煤工作面生产过程自 动化的重要环节，而且对延长机器寿命、提高设备可靠性、保障工 人安全、降低工人劳动强度和减少机器的事故率、提高煤炭开采量 和生产质量都具有重要意义，对采煤机械的智能化控制及煤炭工业 的发展也有较大的促进作用。目前国内主要的生产采煤机的企业， 如鸡西煤矿机械制造有限公司、上海煤科院天地有限公司、太原矿 山机械厂、西安煤矿机械厂等，与国外先进采煤机的研发、制造企 业相比，仅就滚筒的调高技术而言，尚存在较大的差距。国内采煤 机各生产企业为了提高采煤机的产品档次，对所研制的大功率电牵 引采煤机，重点之一将放在基于记忆程序控制的滚筒调高技术方面， 力图打破国外在此领域的垄断，但却苦于没有相应技术支持。因而， 开发研制具有记忆程控的采煤机滚筒的自动调高系统，使采煤机上 下滚筒预测并自动跟踪煤层变化，无论是在理论上，还是在实际应 用上都具有重要的现实意义1 1 1 1 2 1 。 1 2 采煤机滚筒调高技术的研究现状 几十年来，国内外在此领域也集中了大量的入力、物力和财力， 做了很多有意义的探索和研究工作。实现采煤机的滚筒自动调高既 具有经济效益，又具有社会效益。概括来讲，采煤机滚筒的调高技 术主要分为两个方面：直接调高技术和间接调高技术。 1 2 1 直接调高技术研究现状 自2 0 世纪6 0 年代以来，国内外的一些煤炭院校和科研机构就 采煤机滚筒的调高技术，先后进行了2 0 余种煤岩分界机理、传感器 和识别系统的研究。此项滚筒直接调高技术的研究是国内外公认的 高技术，高难度课题，目前此研究主要侧重于：基于煤岩自然y 射 线辐射特性的传感器法、基于采煤机切割力响应的煤岩界面识别传 感器法、同位素传感技术煤岩分界法等。 基于煤岩自然y 射线辐射特性的传感器法1 4 1 1 5 1 ：此法的优点在 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 于其非接触测量，其后续的信号处理简单，其基本原理是基于自然 界广泛存在着放射性元素，在通常情况下，井下煤层顶底板岩石的 放射性元素含有量比煤层高出许多倍，当采煤机截割过后在顶板下 或顶板上留有一定厚度( 2 0 2 0 0 r a m ) 的煤层，以顶板或顶板岩石中的 天然y 射线为放射源，以剩留煤层为衰减介质，根据顶底板岩石中 的y 射线在穿透残留煤层后的衰减规律，通过测量经过衰减后的y 射线强度来确定顶底煤层厚度，由此来识别煤岩界面。该法相对成 熟，对于高瓦斯矿特别适合，但是该方法对采煤工艺有一定要求， 即必须留一定厚度的顶煤；另外要求顶底板围岩必须有放射性元素。 这种方法在英国有5 0 的矿井可以使用，在美国有9 0 的矿井可以 使用，而在我国仅有2 0 左右的矿井可以使用。在8 0 年代的后期， 黑龙江矿业学院进行过此方法的理论和实验研究，取得了令人满意 的阶段成果，但由于探测器的实用性等原因，这种方法还未能取得 突破性的进展。 基于采煤机切割力响应的煤岩界面识别传感器法【6 】1 7 】：在二十 世纪八九十年代，针对切割力制导系统进行了理论和实验研究，即 一种基于切割力信号分析的煤岩界面识别及滚筒垂直调高系统。对 于采煤机滚筒垂直高度的控制问题，仅对截割力作出估算，从而判 断出截割状态，即截煤状态、截岩状态、由截煤到截岩的过渡状态、 由截岩到截煤的过渡状态。其理论方法：应用最小二乘原理对采煤 机切割力信号的离散序列进行处理，可以得到每一个观测周期描述 采煤机截割状态的优化模型，利用该模型对采煤机在观测周期中的 截割状态作出判断。该方法无论在国内还是国外都有较广泛的适应 性，特别是对我国的地质条件及目前所采用的采煤工艺有较好的适 应性。但该方法目前的研究现状均以模式识别为基础，以区别割煤 与割岩两种状态为目的，而没有以割岩时可确定切入顶板有多深为 目的，因此，不能给出煤岩界面位置的定量信息。如果是割煤，则 根本不能给出煤岩界面的位置信息，所以下一步的滚筒自动调高的 制导信息就不够明确。 同位素传感技术煤岩分界法：根据放射线同位素的康普顿效应 的原理，当同位素射线通过不均匀的物质时，射线损失一部分能量 后向各个方向散射，但散射的波长增加，散射的强度与传感介质的 密度和厚度成正比。因而，国家煤和岩石的密度不同( 一般是1 3 ：2 1 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 来识别煤和岩石。煤的厚度增加时，入射的y 光子与煤的电子碰撞 后损失的能量就减少，散射的y 光子的强度按煤皮的厚度成比例地 增加，国家给定的强度可控制煤皮的一定厚度。放射源一般用同位 素镅2 4 1 或铯1 3 7 来放射y 射线，y 射线通过煤和岩石散射后经过盖 革一米勒计数管记录粒子的数量，该数量与煤皮厚度成正比，并产生 与煤岩分布情况成比例的尖形脉冲信号，经过脉冲整形后为矩形脉 冲，再经过放大器进入积分器，将脉冲信号变成与脉冲成线形比例 的直流电压信号，再经过放大使继电器动作，去控制调高系统的电 磁阀来进行自动调高。前西德曾经制造出同位素煤岩分界传感器， 这种传感器还在英国、波兰和前苏联进行过试验。但以后未能得到 推广使用。 除上述系统外，各国曾研究、研制试验的直接调高技术还有利 用红外传感器测量截割煤岩时截齿的齿问温度不同来识别煤岩、煤 层界面红外线探测法、利用弹性振动的方法监测煤岩分界、利用天 线互阻抗技术进行煤岩分界识别以及利用摇臂滚筒振动和噪声变化 来区别煤岩，等等。各种方法试验都有一定的效果，但是由于井下 煤层和围岩条件十分复杂，又都难以准确判断煤岩界限 2 1 。 1 2 2 间接调高技术研究现状 在直接调高技术的研究中，煤岩界面的探测方法确实有相当的 难度，已经无法满足采煤用户的要求，因此，人们开始寻求别的方 法，以避开煤岩分界传感器的研究，而间接地解决该问题。 美国j o y 公司提供的采煤机的“记忆切割”，该方法采用的技术 路线是机器人所广泛采用的“示教跟踪”的控制策略，其基本思想 是在机器人的各运动关节均配置有相应的角度传感器或直线位移传 感器。首先由人工控制各个环节的运动完成所需要的任务，在该过 程中，通过各个关节配置的传感器记录下相应的运动轨迹，然后机 器人转入跟踪模式，机器人的各个关节跟踪先前记录的轨迹。并重 复该轨迹，从而可代替人工完成一些重复的劳动，该法在点焊、喷 漆和高级的挖掘机中均有所应用。采煤机滚筒调高的“记忆切割” 是机器人的“示教跟踪”法在采煤机上的具体应用，它的工作过程 就是首先由采煤机司机人工控制滚筒高度完成整个工作厦的首次循 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 环截割，同时记录下在工作面上采样点相应的摇臂倾角，然后采煤 机转入记忆截割状态，采煤机自动跟踪相应点记录的摇臂倾角，从 而实现滚筒的自动调高。如在截割的过程中，发现滚筒高度无法跟 踪实际的顶底板煤岩界面，则需要人工控制滚筒高度，同时进行轨 迹记忆，然后跟踪新的轨迹。 与此同时前西德在二十世纪八十年代中期，利用采煤机行程位 置显示和微机存储记忆原理开发出了记忆割煤行程调高系统，该系 统是一种基于位置传感器和计算机记忆截割的技术。采煤机都装备 有位置传感器、同步位置传感器、油缸行程传感器等，其方法是由 司机操作控制沿顶底板工作面煤层高低起伏条件先割一刀，各位置 传感器记录相应的行程位置信息，并将程序存入计算机，采煤机即 可按此储存的程序，记忆控制采煤机滚筒的调高，实现自动割煤， 如煤层条件有变化则需由人工操作割煤调整程序。该系统近年来在 国外的一些大功率电牵引采煤机上得到成熟应用，如德国e i c k h o f f 公司的s l 5 0 0 型和d b t 公司的e l 3 0 0 0 型等均采用该类方法进行采 煤机滚筒自动调高p i t 。 上述方法回避了煤岩界面识别难题，利用顶底板的几何形状的 连续性和简单的外推的推理方法，来预测采煤机前方的顶底板的形 状，同时仍然借助于人工进行识别以及轨迹的修正，同时利用所谓 的“记忆”在一定程度上降低采煤机司机的劳动强度，如果工作面 的地质条件比较好，无断层，顶底板比较平整，变化比较平缓，则 有一定的实用性。国内虽然早在8 0 年代初就对采煤机的记忆截割技 术进行了研究工作，但是还是由于技术、工作环境等原因，一直未 能应用到实际中。 另外，雷玉勇提出了基于液压系统压力的闭环控制系统，并对 该法进行了理论研究和计算机仿真【9 1 1 1 0 l 。这种方法的原理在于截割 状态的不同造成调高油缸中的液压力的不同，因此，以该压力为反 馈信号，以机械液压阀为调节元件可实现调高系统的闭环控制。因 此，该法只能适用于煤与顶底板岩石的力学性能差别较大的地质条 件。同时，由于摇臂的位置不同，虽然有相同的截割力，但由于力 臂不同，因此，造成的调高油缸的压力也会不同。所以，该方法的 实用价值有限。 与国外相比，国内对采煤机滚筒自动调高技术的研究起步较晚， 黑龙江科技学院硕士学位论文 由于诸多原因，进展非常缓慢。在长达几十年的研究中，研究人员 未能充分重视采煤机自动调高技术的复杂性，一味追求简单地滚筒 跟踪煤岩界面，因而在煤岩界面识别滚筒调高控制的技术路线中徘 徊。近年来，由于计算机水平的不断提高，很多专家开始借助计算 机软件，综合对比分析多传感器取得的多参数信号，综合灰色预测 理论，或通过在多个采样间隔内，调整采样控制策略来实现滚筒调 高。模糊控制、人工智能也是一种有效的解决实际复杂问题的方法。 1 3 本课题研究内容 1 3 1 研究内容 本课题研究内容主要包括以下几个方面： 1 、通过现场考察及赴北京图书馆调研、查阅相关国内外滚筒调 高的资料，决定采用电磁式换向阀组成的液压系统控制滚筒位置高 度，在建立数学模型的过程中，考虑采煤机运行位置、滚筒位置、 牵引方向、牵引速度及机身煤层走向和倾向姿态等的影响，建立采 煤机滚筒调高过程的数学模型。其中针对不等作用面积的液压缸， 提出了一种新的模型处理方法。应用m a t l a b 软件，仿真讨论截割 记忆程控应用于采煤机上的可行性。 2 、采煤机滚筒截割记忆程控调高策略的研究。滚筒调高模型采 用密集采样稀疏存储的方法，分析了影响采样周期大小的诸多因素， 以采煤机牵引行走位移作为采样间隔的标尺，给出了等位移间隔作 为采样周期的理论值。通过控制电磁换向阀的开断时间和开断次数， 使滚筒记忆跟踪再现首次截割曲线，探讨了截割循环的记忆方法和 通过不同的调整控制策略来实现滚筒自动调高等问题。 3 、单片机存储的是不连续有限点的数据信息，这就有必要对顶 底板的变化情况进行预测，以判断、跟踪和修正下次或下几次截割 曲线的轨迹。结合几种灰色关联度的计算方法，提出了一种新的比 较适合采煤机滚筒调高的关联度的计算新方法，以预测各截割循环 滚筒位置调控变化趋势和相近程度。 4 、对全文做出总结，进一步完善采煤机滚筒调高记忆程控系统。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 3 2 课题来源 1 、教育部科学技术研究重点项目：基于广义预测的采煤机滚筒 记忆程控智能调高系统的研究，项目编号：2 0 6 0 4 5 。 2 、黑龙江省研究生创新科研资金项目：采煤机滚筒自动调高记 忆程控模式研究，项目编号：y j s c x 2 0 0 5 1 7 0 h l j 。 1 3 3 技术路线 充分吸收、分析和比较国内外有关文献资料及国外产品，在现 场广泛调查基础上，立足于计算机采样检测、灰色预测、控制理论 和控制方法等的融合，选择不同的控制策略，通过计算机模拟仿真 等，研究采煤机滚筒自动调高记忆程控模式的原理和实现方法。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 吸 收 分 析 归 纳 综 a l 现场考察 一l 搜集资料 研究方法 ljil 计算机 灰色预测控制策略 计算机 采样检测 仿真 iiii 1 研究采煤机滚筒自动调高记忆程控模式的原理和实现方法r i ll 采煤机采煤机 采煤机 采煤机 姿态及 滚筒自 运行状 走向和 运行位动调高 态计算 横向趋 置、摇 记忆程 机采样 势的灰 臂位置控模式 综合控 色预测 的研究 和策略 制研究 的研究 i 的研究 l i 撰写论文答辩验收 图1 技术路线 f i g 1 t e c h n i c a lr o u t e 8 实 例 建 模 优 化 理 论 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章采煤机滚筒调高系统模型的分析 2 i 引言 利用国际先进的角度或位移传感器检测采煤机在工作面的行走 位置、采煤机截割部滚筒的高度位置信息，考虑采煤机的工作姿态、 牵引方向和牵引速度因素的影响，针对不等作用截面积的液压缸， 提出了一种新的模型处理方法，以尽量简单和更接近实际地反应真 实模型，进而建立采煤机调高液压控制系统的数学模型。 整个采煤机记忆程控调高系统的构成由机械部分、电气控制和 计算机检测存储三部分组成。 其机械部分主要由采煤机牵引部的行走机构组成，在其某一轴 上加装旋转编码器，用来测量采煤机在工作面的行走位置，采煤机 截割部的姿态高度的调节是同调高油缸的状态位置有关，在某一铰 接点上或摇臂的某一空间装设角位移传感器，用来检测截割滚筒的 相对位置信息，这样根据采煤机相应的结构特点，以及采煤机的运 动特点，可得到采煤机的运动学模型方程。 电气控制主要是通过调节液压系统的电磁换向阀的开断次数和 开断时间，来控制滚筒的相对位置。 计算机检测存储采用定时采样、密采稀存的方式，主要是通过 密集采样、长间隔根据位置来存储，以尽可能小的存储空间，达到 采煤机位置姿态检测存储的目的，进而通过控制系统提取上次或首 次的存储数据来控制当前姿态，以提高采煤机回采率和生产效率。 数学模型是将所研究的系统进行模型化，即把所研究系统的已 知量和设计量等信息用适当的数学形式加以描述，它是系统设计和 系统仿真的一个重要组成部分。所建立的数学模型的优劣，将会直 接影响设计结果是否合理和可用，因此应当给予充分的注意和重视。 系统的数学模型可能是一组方程式，可能是微分方程式，也可能是 差分方程式；可能是线性的，也可能是非线性，但不管怎么样，数 学模型必须在一定程度上确切地反映实际问题的本质特性和各个重 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 要方面，在建模中忽略的某些次要方面或用假定替代实际条件时， 不应严重影响数学模型的真实性。在真实性的基础上，数学模型还 应当尽可能地简单明了，使之既合理的逼近实际，又便于节约建模 时间和计算时间，且要易于求解。数学模型的简易程度应适应于系 统要求，完成系统所要求的各项功能，尽可能与常用的有效的算法 和现成的计算机软件相匹配，以提高系统设计的效率和精度。液压 控制系统建模和仿真的目的，就是通过模型仿真，研究液压系统的 动态性能，为以后改进和完善系统性能提供理论依据【l ”。 随着科学技术的不断发展，对系统的要求也日益提高。计算机 仿真是一种获得系统有关静动态特性信息的有效方法。仿真，就是 用一个模型来模仿真实系统，两者又不可能完全等同，但是最基本 的内容应该相同，即模型至少必须反映系统的主要特征。系统仿真 是对设计的实际系统进行实验研究，以便理解及评价系统的各种运 行策略，其基础是建立在系统的数学模型之上，并以计算机为工具。 它可以用来在系统构造之前预测新系统的特性，也可以用来改造现 有系统时进行探索。 本课题采用液压系统主要考虑采煤机的调高负载比较大，同时 又期望得到良好的动态特性。在仿真过程中，液压仿真软件的选择 同样重要。随着现代工业的发展，科学研究的深入与计算机软、硬 件的发展，仿真技术已成为分析和综合各类系统特别是大系统的一 种有效的研究方法和有力的研究工具。 从早期的直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件h y d s i m 程序研制成功，到由计算机来完成液压系统动态仿真模型的自动建 模的d s h 和h a s p 软件包等专用液压仿真软件，都取得了很大的进 步。而一些通用的仿真软件在液压仿真领域内也取得出色的成绩， 如在8 0 年代中后期，m a t hw o r k s 公司推出的面向矩阵或向量运算的 m a t l a b 仿真软件，就是其中的杰出代表。它为液压调高系统分析 提供了一种方便有效的工具。 本课题通过对采煤机液压调高系统进行计算机数字仿真，分析 控制系统的动态特性，讨论截割记忆程控对控制系统工作性能的要 求，以研究其在采煤机上应用的可行性】。 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 2 采煤机液压调高系统数学模型的建立 采煤机调高机构的负载比较大，并要求反应比较灵敏。调高机 构采用液压控制，因为液压系统比较适合井下的工作环境和防爆性 要求。液压传动容易实现无级调速，调速范围广，运动平稳，易实 现往复直线运动；液压控制系统的输出刚度大，即输出位移受外负 载的影响小，定位准确。因此，位置误差小，控制精度高。液压系 统的响应速度也比较快，在负载力大范围变化时，操控的实际位置 可以变化很小，从而满足了采煤机的工作要求。当然，闭环的液压 控制系统的刚度比开环系统高很多，所以，液压控制系统容易实现 高精度、高响应的控制；液压传动在快速性方面也优于电传动。典 型液压马达与电动机相比，液压马达的扭矩惯量比一般为相当 容量电动机的l o 倍。在单位输出功率的机构重量方面，即功率 质量比参数，液压传动也比较优越。因此，液压传动系统加速性好， 结构紧凑，尺寸小，质量轻。所以，航空、导弹等战备上使用较多。 而鉴于液压传动具有以上特点，采煤机滚筒自动调高系统比较适合 采用液压控制【l “。 图2 - 1采煤机记忆程控调高系统原理 f i g 2 一lp r i n c i p l eo fs h e a r e rm e m o r yp r o g r a mc o n t r o ll i f t i n gs y s t e m 黑龙江科技学院硕士学位论文 采煤机滚筒调高控制的目的，是使采煤机滚筒项点( 对于上滚筒) 在采煤机的运动过程中跟踪所采样存储的截割路径。如图2 - 1 所示， 可采用角位移传感器4 ( 或在油缸内安装位移传感器) ，间接地检测采 煤机滚筒位置高度等信息，由行走距离传感器检测采煤机运行位置 信息等信息。经采样处理后成组存储送入计算机，再综合采煤机工 作姿态、牵引方向和牵引速度等因素的影响，最终由计算机给出指 令信号，通过控制电磁式换向阀3 的通断时间和通断次数，实现滚 筒1 上次或首次截割记忆曲线的跟踪再现。 在图2 1 中的液压调高系统i 中，采用定量调高泵a 2 f 1 2 r 3 p 4 ， 电磁阀实现开关量控制，液压缸2 中活塞杆的来回移动，使大小摇 臂上下摆动，最终实现并带动滚筒的调控。采样存储数据后，送入 计算机经过信号处理，给出控制指令信号，最终来实现滚筒记忆截 割再现控制。系统中双液控单向阀本身能实现自动锁溜功能，简化 了电控系统的设计，使滚筒在外载荷作用下能较长时间保持固定位 置，以保证滚筒不断地破煤和割煤。本课题所主要研究的是采煤机 记忆程控调高系统的动态特性，因此在采煤机滚筒自动调高过程中， 可以把调高泵和双液控单向阀作为一段较长的油液管道来考虑。 2 2 1 液压缸的数学模型的建立 液压缸是使执行机构实现往复运动的液压元件，即是把工作油 液的压力能转变为活塞的直线往复运动。如同液压马达一样，作为 执行机构的液压缸直接拖动负载，负载特性岜直接影响着运动活塞 的静、动态特性。其输入参数为液体压力和液体流量，输出参数为 活塞杆的运动速度、位移或执行机构的力和输出功率等。当液压缸 输出力与负载相等，且输入的液体流量恒定时，若液压缸固定，则 活塞杆作匀速运动，液压缸具有稳态特性。当输入流量不变而负载 发生变化，或负载不变而输入流量发生变化时，活塞杆运动速度就 会发生变化，这一过程中负载或输入流量变化与活塞杆速度变化之 间的关系就是液压缸的动态特性。下面就对系统的液压缸和其他的 机构分别进行建模【l ”。 调高液压缸具体建模1 1 6 1 1 ”】如下： 调高液压缸两腔的流量连续方程 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 蜴叫砉+ c j ( p l - p 2 ) + 象。百d p , q 2 吐鲁+ c 1 ( p l - p 2 ) _ c 2 p 2 万v 2 鲁 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中 q 1 、q 2 调高液压缸无杆腔、有杆腔的的流量，m 3 ； a l 、a 2 调高液压缸无杆腔、有杆腔的有效作用面积，m 2 ； v 1 、圪调高液压缸无杆腔、有杆腔及各侧管路的液体总体 积，m 3 ： c 1 、c z 调高液压缸的综合内、外泄露系数，m l n - 1s ； p l 、p 2 调高液压缸无杆腔、有杆腔的压力，n m 一； x 调高液压缸活塞的运动位移，m ； 以工作液体的体积弹性模量，n m 一。 调高液压缸的力平衡方程 辨窘+ 嗉+ _ p l 铲刚： ( 2 3 ) 式中 m 折算到调高液压缸活塞上的总质量，k g ； b 调高液压缸活塞及负载等运动部件的粘性摩擦系数， n s m ： 疋作用于调高液压缸活塞上的外干扰力，n 。 因为q i q 2 ，为此取 半；华d 出x + c i ( p j - p 2 ) 一t c 2 p 2 + 击眠鲁一争 ( z 4 ) 对于阀控调高液压缸系统，在建立模型时，最关心的是调高液 压缸的固有频率最小时【1 7 1 。假设调高液压缸是无摩擦的，而且两个 工作腔充满高压油液并被完全封闭，则液压缸两腔的油液压缩量分 别为 匈= 等缸，；卸：= 鸟争缸，。 则被压缩油液产生的复位力为 1 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 f = a l a + 4 凸妒2 咧鲁+ 争吒 由此，其等效液压弹簧刚度为 铲红每+ 争 由液压缸两腔的体积计算公式 形= 4 五 【k = a 2 ( 一z 1 ) 代入式( 2 6 ) 得到 耻屈( 鲁+ 南。 式中 k 。等效液压弹簧刚度，n m ； 三调高液压缸的总行程，m ； 五调高液压缸无杆腔的行程，m a 对于不等作用截面积的液压缸，令 堕：o d x l 此时得到液压弹簧刚度的最小值，当且仅当 未= 庄一= 器一= 器； 此时联立式( 2 7 ) ，得 k = 器；匕= 撩， 代x , 式( 2 4 ) 得到 掣= 华邮) + c t ( 帕m 卜半 1 4 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 + 万1 ( 器诤讯沪器咿删+ 万商心嵋如卜赢咿蹦呦 忽略调高液压缸的外泄露，即c 2 p 2 2 = 0 。为了化简的方便，取 两腔流量q i 和q 2 为二者的平均值，即q = ( q t + q 2 ) 2 ，则上式变为 q ( s ) ：生兰s x ( s ) + c 1 ( 只( j ) 一只( s ) ) + 万1 ( 器母拍) - 器小髓) ) ( ： j 2 p e 、瓜+ 压一j 瓜+ 压一水。￥。 再对式( 2 3 ) 进行拉氏变化得 只q ) 彳1 一巴g ) a 2 = m s 2 x ( s ) + b s x ( s ) + 兄0 )( 2 1 0 ) 对于不等作用截面积的液压缸，传统的模型处理方法是把有活 塞杆腔和无活塞杆腔的截面积都近似为二者的平均值，即令 彳，= 彳，= 生! 生z ， 然后直接代入式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，再对两式进行模型化筒，最后整理 出传递函数。此种方法还是把不等作用截面积近似转化成等作用截 面积，化简过程相对简单，但模型精度有所降低。 本课题中提出一种新的应用于不等作用截面积的液压缸的模型 处理方法，以尽量简单和更接近实际地反应真实模型。 首先对式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 中的三个表达式作如下变换 吣堋呦= 击( 尻肿) - 函郫) ) 拍m 咧删：= 击( 胁。驰卜函：驰) ) 糍帕卜器一赤忍_ 忍 为了对上述表达式进行简化，令 a l 廊( j ) 一a ：扛卫( s ) = 4 历只( s ) 一a 2 4 a p 2 ( s ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 = a 4 a 鼻( s ) 一爿彳只( s ) 此假设只针对上述表达式，近似同类项合并时所作的假设条件，并 不应用于整个模型的简化过程中。故将其假设等式代入式( 2 9 ) 中， 化简整理后，则有 阶制+ c 希+ 去若音厄 ( m x ( s ) s 2 + b x ( s ) s + c ( s ) ) 。 合并同类项，整理得到调高液压缸的数学模型 ，_ 煎4 f l 。d o 吁m c i + 籍炉圳+ 纠坤， + 睁巫4 f l , a o b ) 仁 式中 爿：生! 生，m 2 ： a ：半，m 2 调高液压缸的活塞杆位移量与采煤机滚筒调商量之间的关系是 非线性的，但实际采煤机q - 作截割时，相邻两个采样点之间的调高 量并不太大，这也是截割记忆程控调高的前提。因此在一个采样间 隔内，可以把二者都近似线性化为摆角变化量的函数，然后二者之 比记为k 2 ，此即为大小摇臂长度之比。 2 2 2 其他机构的数学模型的建立 因为在液压控制系统中，所选择调高泵为定量泵，所以其流量 是恒定的，而且调高系统的响应比较慢，因此可以忽略液压调高系 统中油液管道和双液控单向阀的压力损失和动态响应。 开关式电磁换向阀能将微弱的电信号转换成大功率的液压能， 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 它是通过控制液流方向，来控制液压回路的流量。用电流信号控制 大功率液压能工作的系统都需要这种转换元件，它结构紧凑，功率 放大率高，动态性能好、响应快，在液压控制系统中得到了广泛应 用。它是一个非线性系统，可简化成带有滞环的继电特性模块， s i m u l i n k 仿真中r a l a y 模块允许输出在两个指定值间切换 ( s w i t c h ) 。当r a l a y 打开( o n ) 时，输出参数o u t p u tw h e no n 的值，它 将保持打开状态直至输入信号降至低于s w i t c ho f fp o i n t 参数的设置 值。当r a l a y 闭合( o f d 时，输出参数o u t p u tw h e no f f 的值，它将保 持闭合状态直至输入信号超过s w i t c ho np o i n t 参数的设置值。在实际 系统中，电磁式换向阀属于开关量，有正向打开、关闭和负向打开 三种状态，但在m a t l a b 系统模拟仿真时，只能模拟正向打开和关 闭、负向打开和关闭或者正向打开和负向打开三种切换情况中的某 一种。在本课题模拟的是电磁换向阀正向打开和关闭这两种状态下 进行切换的条件下，通过控制电磁式换向阀的正向打开的时间和开 断的次数，调节流过调高液压缸的流量，模拟控制采煤机液压调高 系统滚筒高度位置的跟踪情况。 实际工作截割时，由于采煤机滚筒调高系统是一个滞后系统， 在滚筒位置调高至上次记忆位置后，会出现继续升高或降低的趋势， 如图2 4 所示本次与上次记忆截割数据会有一定的误差，因此电磁 换向阀就会反方向打开，以调整控制因为惯性带来的滚筒高度位置 误差，这样调控的结果又会出现更小的反方向误差，电磁阀又会正 向打开，如此反复，电磁换向阀频繁正向、反向通断，液压缸就会 出现来回振荡，这在系统设计和实际工作中是不允许的。所以在设 计控制系统时，给出采煤机滚筒调控误差允许的范围为士1 0 m m ，仿 真时用死区d e a dz o n e 模块来模拟，该模块在某一特定区域即死区 ( d e a d z o n e ) 内，输出将为零，死区的边界由s t a r to f d e a dz o n e 及e n d o f d e a dz o n e 两参数所定义。高于和低于该死区极限值时，模块的输 出是依据输入值和死区大小来产生输出值【1 8 1 ，模块前加一比例环节， 来调整误差带的范围。 2 2 3 参数的选取 以m g 2 0 0 5 0 0 w d 型采煤机为建模和仿真的分析实例，其采用 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 长摇臂结构调高，采高由滚筒直径、机身高度、调高形式和摇臂摆 角等决定。而且其机身较短，大大提高了采煤机适应顶底板起伏变 化和输送机水平弯曲的能力。 截割速度：指滚筒截齿齿尖的圆周切线速度，由截割部传动比、 滚筒转速和滚筒直径决定，对采煤机的功率消耗、装煤效果、煤的 块度和煤尘大小等有着直接的影响。 牵引速度：牵引速度的初选，是通过采煤机滚筒的最大切削厚 度和液压支架移架推移速度验算确定。牵引速度越大，采煤机的生 产率越高，但相应的电动机功率就越大。在顶、底板管理、输送机 生产率以及采煤机电动机功率允许的条件下，适当提高采煤机的牵 引速度是合理的。但过分提高牵引速度会受到滚筒装煤能力、输送 机生产率和支架移置速度的限制，因此是没有意义的。而有时，为 了加快采煤机的调动，增大了较上值大一倍的调动牵引速度，但牵 引力也相应会减小一倍。牵引力也是采煤机的一个重要参数，它是 由外载荷决定的。其影响因素很多，如煤质、采高、牵引速度、工 作面倾角、机器自重及导向机构的结构和摩擦系数等，没有准确的 计算公式。本课题选采煤机的牵引速度为o 7 1 m s 或0 8 7 m s 。 参考文献2 0 中液压油的体积弹性模量成的取值范围是 1 4 x 1 0 9 2 0 x 1 0 9 n