煤机自动调高系统的核心算法及软件实现毕业论文.doc

I 煤机自动调高系统的核心算法及软件实现毕业煤机自动调高系统的核心算法及软件实现毕业 论文论文 目录目录 1 绪论绪论 1 1 1 采煤机自动调高意义 1 1 2 采煤机自动调高现状及发展 2 1 2 1 煤岩界面识别 2 1 2 2 自动调高方面的研究 5 1 3 未来发展展望 5 1 4 主要研究工作 6 1 5 本章小结 6 2 采煤机采煤工艺及其滚筒调高数学建模采煤机采煤工艺及其滚筒调高数学建模 7 2 1 采煤机的基本结构和各部分的功能 7 2 2 采煤机采煤工艺 8 2 3 建立数学模型 10 2 4 记忆调高的基本原理 12 2 4 1 采煤机调高数学几何关系 13 2 4 2 采煤机工作面数据关系 14 2 5 本章小结 16 3 采煤机自动调高控制算法采煤机自动调高控制算法 17 3 1 采煤机记忆调高控制理论 17 3 1 1 采样间隔的研究 17 3 1 2 最小二乘法 17 3 2 利用最优控制理论跟踪目标曲线 21 3 3 采煤机记忆调高试验模型的控制策略 22 II 3 4 本章小结 23 4 采煤机自动调高系统硬件简介采煤机自动调高系统硬件简介 24 4 1 基本要求 24 4 2PC 104 简介 24 4 3 传感器的选取 26 4 4 本章小结 28 5 采煤机控制系统的软件设计采煤机控制系统的软件设计 29 5 1 控制系统软件的开发环境和工具 29 5 2 控制系统软件的要求 设计思想及组成 30 5 3 控制系统软件的组成部分 30 本章小结 39 6 总结与展望总结与展望 40 6 1 论文工作总结 40 6 2 进一步研究的方向与工作展望 41 致谢致谢 42 参考文献参考文献 43 附录附录 44 III 1 1 绪论绪论 1 1 采煤机自动调高意义采煤机自动调高意义 煤炭是重要的一次能源 在电力行业 冶金行业 化工行业以及建材行业的都有极 其广泛的应用 是工业生产非常重要的原材料 作为基础能源 煤炭在我国一次能源生 产和消费构成占有很大比例 煤炭的生产及应用严重影响着人民的生活及国民经济的发 展 煤炭作为工业能源及原材料在经济建设中起着举足轻重的作用 我国 富煤 贫油 少气 这种特定的能源特征决定了煤炭在我国一次能源消费 结构中的重要位置 我国是世界上第一大煤炭生产国和消费国 我国采煤机制造行业的 总产量也居于首位 国内对于采煤机摇臂自动调高系统的研究也一直没有停止 并取得 了一定的成果 一直以来 人们总是把总是采煤行业与重体力劳动联系在一起 随着科学技术的发 展 采煤机作为采煤的重要工具应运而生 采煤机的出现极大的把采煤工人从繁重的体 力劳动中解放了出来 作为一个集机械 电器 液压为一体的大型复杂系统 其如何实 现简单 有效 智能的调高又做为一个新的问题摆在了人们面前 所谓采煤机的自动调 高 就是指采煤机自动获取煤岩分界面 并根据煤岩分界面的变化自动调节滚筒的高度 以实现截割滚筒沿工作面运行是始终保持在没层中而避免截割到支护顶板 底板或岩石 从而保证煤机寿命 工人安全和煤炭质量 采煤机自动驾驶中已实现了行走自动化 目 前最需要解决的是滚筒调高自动化 1 随着采煤机械化程度的不断提高和现代自动控制 技术的飞速发展 实现井下长壁工作面采煤自动化和无人采煤工作面也逐渐成为可能 2 煤机实现自动调高不仅有助于增加煤炭的产量 提高煤炭能源的利用率 而且能够 使得煤炭行业工人的工作安全和生产环境得到极大的改善 采煤工作面条件恶劣 灰尘大 能见度低 噪声大 手动调高时 司机难以找到一个 固定的和顶煤厚度相关的参照物 难以准确的判断采煤机的截割状态 所以通常情况下留 有较多的顶煤 3 这不仅意味着产量减少 而且加大了采煤机司机的劳动强度 也使得用 2 支柱支护顶板困难 常常发生顶煤冒落事故 给机组和司机的安全带来严重威胁 在采煤 机上装备自动调高系统以后 控制系统可以通过不同的技术手段实现煤岩界面的获取 从 而避免了预留顶煤较多的发生 这样使得煤层的出煤率得到了很大的提高 同时解决了 支柱支护顶板困难的问题 减少了顶煤冒落事故发生 使得工人的安全保障在一定程度 上得到了提高 减少了事故对司机及采煤机组安全的威胁 经济效益得到了提高 新世纪内 随着能源结构的调整 煤炭比例也许会适当的减小 但是由于人民生活 水平的提高以及经济持续增长的需要 短时间内作为一次能源的煤炭在能源结构中的重 要地位不会改变 保证煤炭的供应在一段时间内将是煤炭工业领域的重大任务 由于煤 机自动调高的巨大优点 对于煤机自动调高系统的研究也就显得与为重要 1 2 采煤机自动调高现状及发展采煤机自动调高现状及发展 1 2 1 煤岩界面识别煤岩界面识别 国外发展现状国外发展现状 自从上世纪六十年代起 世界主要产煤大国如美国 俄国 德国等都对采煤机滚筒 自动调高技术做了大量研究工作 研究的主要工作集中在煤岩界面识别和滚筒自动调高 过程控制两个部分 采煤机自动调高技术的发展主要可以分为两个阶段 第一阶段主要 着眼于煤岩界面的直接识别技术 第二阶段主要真对煤岩分界面的间接识别方法 第一 个阶段发展时间较长 理论和实际研究成果较多 如人工 射线法 自然 射线法 敏 3 煤层 射线探头 岩石 图 1 1 自然 射线法原理 Fig 1 1Theory of natural ray 感截齿 机械振动 雷达探测法 红外反射等 第二阶段主要以记忆截割法为代表 1 自然自然 射线法射线法 5 6 射线是波长很短或频率很高的电磁辐射 其穿透能力强 在固体和岩石中射程可 达几厘米到几十厘米 并可穿透 25CM 厚的钢板 自然 射线探测法根据顶 底板岩石 中的 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 设想强度来确定顶 底煤层厚度 由此来识别煤岩界面 高探测技术较为成熟且对高瓦斯矿特别合适 这种 方法的优点在于没有放射源 便于管理 探测范围大 同时 传感器为非接触式 不易 损坏 但是此种方法不适用于放射性元素低甚至不含放射性元素的工作面 煤层中加矸 石太多也会影响此种探测方法的应用 应力截齿法应力截齿法 假设采煤机沿工作面运行时 滚筒上单个截齿在同一层面所受的一连串作用力相同 随着煤层的起伏变化 力学模型也将发生变化 系统可以利用这种力图的位移信号来控 制滚筒的升降 该中方法不受采煤工艺的影响 但对地质条件要求较高 此外由于截齿 在工作时经常切入岩层 会有岩石崩落于原煤中 造成煤质下降 也加剧了截齿的磨损 缩短了截齿寿命 甚至有时会出现断齿现象 由于工作过程中截齿可能切入岩石而产生 火花 此种自动调高形式不适用于高瓦斯矿 雷达探测法 雷达探测法 7 是根据电磁波传输特性而确定煤岩分界面的技术 电磁波透过顶煤向 上发射时 由于煤炭与顶板的材料不同 煤岩界面的电磁波会被反射 反射波的速度 4 响应滞后时间除了与发射波频率 煤炭和顶板材料等可测知的因素有关外 还与电磁波 在顶煤中穿行路程有关 通过对接收到的反射波进行相关信号处理就可以确定电磁波在 顶煤中穿行距离 即顶煤厚度 此种方法无需预先获取煤 岩物理特性 适用范围广 但是使用雷达探测法时 电磁波穿透顶煤厚度的能力与波长有关 波长越长 能够穿透 的深度越大 但是波长变大导致测量的分辨率降低 其测量范围与测量精度的矛盾难以 彻底解决 该方法只由美国矿业局做了相关试验 而一直没有投入到实用中 红外探测法 红外探测法采用高灵敏的红外测温仪定向测量截齿附近煤 岩体的温度 由于煤炭 和岩石的物理特性不同 截割时产生的温度也就不同 自动调高控制系统可以由此来判 断滚筒是否截割到了煤岩界面 这种方法射线对于粉尘的穿透力强 衰减率较小 高灵 敏度的红外测温仪对于温度的变化敏感 能以各种坚硬顶板为观测对象 在滚筒截割到 顶板时采取正确的措施 反映速度快 美国矿业局曾利用这种方法开发过一种无源红外 煤岩界面探测系统 并进行了工业性试验 但是效果不是很好 到目前为止 该方法仅 仅停留在实验室阶段 还没有成熟产品问世 煤岩界面的间接识别 记忆截割法是间接识别煤岩界面方法的典型代表 是计算机技术发展的产物 其工 作原理为 由采煤机司机操纵采煤机沿采煤工作面煤层的高低起伏先割一刀 控制系统 将会把采煤机行程位置与对应的截割高度等采煤机状态信息存入计算机 以后工作时 所有形成位置的截割高度均由计算机根据存储器记忆的工作参数自动调整 如煤层条件 发生较大变化 采煤机司机手动调整滚筒高度割煤 计算机将自动记忆调整过的工作信 息 作为下一次截割滚筒调高数据 该方法实现简单 但是对于地质条件有一定的要求 并且不是真正意义上的自动调高 而是属于半自动调高 国内发展 从上世纪八十年代初期开始 国内煤炭高校和研究院在采煤机滚筒自动调高技术领 域做了大量有意义的探索研究工作 中国矿业大学 北京校区 对自然 射线法进行了研究 6 7 制作了控制系统装在采煤 机上 在山东 山西等地六个矿进行了工业性试验 并提出了自然 射线穿透顶煤后的 衰减规律 由于此种方法对于地质条件要求较高 只适合我国 20 左右的矿井 因此使 5 用受到了限制 未能得到推广 1995 年中国矿业大学廉自生做博士论文时 从理论上对应力截齿分析法进行了分析 太原理工大学陈延康教授在假煤壁上开展了基于截齿应力分析的煤岩分界方法 提出了 一系列理论方法 但是到目前为止 好没有此种方法的成熟产品 雷达探测发仅由美国矿业局进行了相关试验 国内尚未涉足雷达探测法的研究 1 目前唯一在市场上得到推广应用的自动调高技术只有记忆截割法 3 在国内 此种 方法也得到了广泛的研究与应用 但是由于国产采煤机控制计算机应用水平比较低 主 打产品还在使用 PLC 控制 不能满足记忆截割技术所要求的功能和性能 此外 国内 在采煤机位置和采高实时检测方面相关传感器的设计应用水平也很低 1 2 2 自动调高方面的研究自动调高方面的研究 1994 重庆大学雷玉勇用 单片微机对采媒机的调高油缸工作压力进行监 测和处理 间接识别煤岩分界 通过电液伺服控制系统实现采煤机的自动调高 2002 年 太原理工大学太原理工大学田慕琴将预见控制引入采煤机滚筒的自动调高过程 记忆轨迹 作为预见信息得到充分利用 可从根本上解决采煤机大惯性滞后系统的控制问题 同时还 使期望的性能指标达到最优 8 2006 年 太原理工大学的雷俭在科技情报开发与经济上发表论文 在采煤机滚筒的 自动调高预见控制系统中 引入遗传算法辨识对象的模型 并根据采煤机各种传感器信息 融合结果不断修正煤岩分界的曲线即记忆轨迹 使预见控制在采煤机这个具有时变性和非 线性的系统中得到很好应用 同年 黑龙江科技学院机械工程学院刘春生根据采煤工作 面设备配套条件和采煤机工作循环特点 分析了记忆程控滚筒调高的采样 控制环节误差 产生的原因 论述了可靠预测采样控制的精度及误差的修正 以再现上一截割循环顶底板 的变化序列曲线 通过对正弦函数型的参考序列曲线和比较序列曲线关联度计算分析 研 究了灰预测关联度的几种方法特征 给出了适合采煤机滚筒记忆程控特点的关联度预测方 法 满足记忆程控的指令宏观再现控制要求 6 1 3 未来发展展望未来发展展望 国外在煤岩界面识别方面研究较早 方法众多 而国内在煤岩界面识别方面经过一 段时间的探索具有了一定的理论基础 但是一直没有非常成熟的产品问世 记忆截割技 术的应用相对而言较为容易实现 但是手动操作仍然较多 记忆截割技术成熟产品的推 出证明了这种方法的可行性 国内在借鉴此种方法时应注意自身的局限以及国外技术的 不足之处并加以改进 1 高性能控制器的应用 目前国内绝大部分电牵引采煤机的主控系统采用 PLC 控制 采煤机滚筒实现自动 调高需要采集并处理大量数据 再加上控制和通信的需要 传统的 PLC 几乎难以胜任 2 适合矿井使用的传感器的应用 任何一种采煤机滚筒自动调高的实现方法的实现都有传感器的参与 离开了传感器 控制也就变得无从谈起 做为煤岩界面间接识别方法的记忆截割法也需要传感器来实现 采煤机各状态数据的采集 采煤机的工作环境对传感器提出了很高的要求 首先 矿井 环境恶劣 水雾 灰尘大 电磁干扰强 传感器需要具备较强的环境适应能力和抗干扰 能力 其次 煤层中可能出现瓦斯等易燃易爆气体 传感器必须具有防爆功能 再次 为了实现较高精度的控制 传感器本身的精度要足够 还有就是井下空间狭小有限 传 感器的体积需要便于其安装 操作和信号的传输 3 新型控制策略的研究 研究合适的控制算法 对以获得的采煤机状态信号及煤岩界面信号进行有效地处理 使采煤机滚筒自动调高系统具有一定的预见性 有效的降低司机手动操纵次数 采煤机滚筒自动调高技术的研究经过几十年的发展 国内外积累了大量的理论和实 践经验 随着科学技术的进步与发展以及井下工作面自动化进程的加快 采煤机滚筒自 动调高技术必将得到快速的发展 实现较高的井下自动化控制与生产 7 1 4 主要研究工作主要研究工作 作为一个特殊的井下设备 电牵引采煤机记忆截割控制系统需要研究以下内容 1 工作面采煤机的建模 包括采煤机摇臂和机身姿态检测 采煤机在工作面定位 这些都是影响采煤机滚筒高度的各种因素 2 采煤机的调高控制算法研究 确定合适的算法 尽量减小采煤机预定路径与实 际路径的误差 3 基于 PC 104 采煤机自动调高系统软件系统的构建 1 5 本章小结本章小结 本章论述了采煤机自动调高的意义与重要性 阐述了国内外常见的煤岩界面识别技 术原理及应用状况 基于目前研究现状与存在的一些问题 本文将对采煤机自动调高进 行一定的研究实验 使用 PC 104 做为控制器采用较为合适的算法 对数据进行采集 存储记忆与分析计算并控制滚筒自动调高 进行采煤机记忆切割控制系统的论述 8 2 采煤机采煤工艺及其滚筒调高数学建模采煤机采煤工艺及其滚筒调高数学建模 2 1 采煤机的基本结构和各部分的功能采煤机的基本结构和各部分的功能 采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备 其功能是落煤和装煤 采煤机械分为采 煤机和刨煤机两大类 目前 应用最为广泛的采煤机械是滚筒采煤机 本文自动调高主要研究的是双滚筒采煤机 下面就以双滚筒采煤机为例简要介绍采 煤机的主要构成部分 一般而言 采煤机主要由电动机 牵引部 截割部和附属机构构 成 9 图 2 1 采煤机的基本结构图 1 电动机 2 牵引部 3 摇臂 4 滚筒 5 底托架 6 滑靴 7 调高油缸 Fig 2 1 The fundamental block diagram of coal shearer 1 Motor 2 Haulage Unit 3 Rocker Arm 4 Drum 5 bottom bracket 6 Sliding Shoes 7 the adjustment height oil vat 电动机是采煤机的动力部分 它通过两端输出轴分别驱动两个截割部和牵引部 为 了保证安全 采煤机的电动机都需要是防爆的 而且通常采用定子水冷 以减小电动机 的尺寸 牵引部通过其主动链轮与固定的工作面输送机两端的牵引链相啮合 使采煤机沿工 作面移动 因此 牵引部是采煤机的行走机构 截割部是采煤机直接落煤 装煤的部分 其消耗的功率约占整个采煤机功率的 80 到 90 落煤部分主要包括工作机构及其传动装置 工作机构是指滚筒和安装在滚筒上 的截齿 滚筒是采煤机落煤和装煤的工作机构 左右截割部减速箱将电动机的动力经齿轮减 速后传给摇臂的齿轮 驱动滚筒旋转 滚筒上焊有端盘及旋转叶片 其上装有截齿 旋 转叶片将截齿割下的煤装到刮板输送机中 为了提高螺旋滚筒的装煤效果 滚筒一侧装 有弧形挡板 可以根据不同的采煤方向来回翻转 180 度 底托架是固定和承托整台采煤机的底架 通过其下部四个滑靴将采煤机骑在刮板输 送机的槽帮上 其中采空区侧两个滑靴套在输送机的导向管上 以保证采煤机的可靠导 向 底托架内的调高油缸可使摇臂连同滚筒升降 以调节采煤机的采高 此外 为了降低电动机和牵引部的温度并提供内外喷雾降尘用水 采煤机设有专门 的供水系统 采煤机电缆和水管夹持在托缆装置中 并由采煤机拉动在工作面输送机的 电缆槽中卷起或展开 2 2 采煤机采煤工艺采煤机采煤工艺 采煤机是骑在工作面刮板输送机上工作的 单滚筒采煤机只有一个滚筒 当使用其 工作时 由于输送机机头和机尾的限制 采煤机不可能采煤机工作面端头 因此 在工 10 作面两端需要预先用人工采出一定长度的缺口 一般上缺口长度为 10m 左右 下缺口 位 7 8m 左右 为了适应采高的变化及煤层顶底板的起伏 通常采用可调高双滚筒采煤 机割煤 双滚筒采煤机工作时 一次采全高 双向均可采煤 无论上行或下行 一般均 采用前滚筒在上割顶煤 后滚筒在下割底煤 采煤机采煤方式有单向割煤和双向割煤两种 单向割煤适用于顶板稳定性差 倾角 较大的综采面 双向割煤多用于煤层赋存稳定 倾角较缓的综采面 9 采煤机每割完一 刀后 需要滚筒重新切入煤壁 称为进刀 目前常用的进刀方式是在工作面端部或者中 部进刀 在工作面端部进斜切刀如图 2 2 所示 图 2 2 a 中表示采煤机沿工作面从右向左割 煤 采煤机前滚筒一直割到下顺槽 调换两个滚筒的上下位置 采煤机向右割煤 由后 滚筒将上一刀剩下的一段底煤割净 然后由输送机弯曲逐渐斜向切入煤壁 直到前后滚 筒完全切入煤壁 采煤机机身进入输送机直线段为止 这时采煤机已经向煤壁推进了一 个截深的距离 图 2 2 b 再调换两个滚筒的上下位置 将输送机弯曲段和机头贴近煤 壁 使输送机成一条直线 图 2 2 c 采煤机再从右向左割煤 直到下顺槽 再调换两 个滚筒的上下位置 图 2 2 d 即可沿工作面全长向右采煤 直到上顺槽 在工作面的 另一端重复 11 图 b 图 a 1 23 图 c 图 d 图 2 2 双滚筒采煤机在工作面端部斜切进刀图 Fig 2 2 Graph of Double drum Coal Shearer Oblique Cutting and Feeding in the Coal Face End Area 1 采煤机 2 刮板输送机 3 煤壁 1 Coal Shearer 2 Scraper Conveyer 3 Coal Wall 上述进刀过程 开始下一刀采煤 按机械化程度的不同 机械化采煤工作面可以分为普通机械化采煤工作面和综合机 械化采煤工作面 简称普采工作面和综采工作面 相对于以单体液压支柱或金属支柱支护顶板的普采工作面 综采工作面用液压支架 12 支护顶板 实现了支护 移架及推移输送机过程的机械化 综采工作面的采煤工艺过程 如下 1 采煤机自工作面一端开始向另一端采煤 2 随着采煤机向前牵引 紧接着移动液压支架 以便及时支护顶板 3 在采煤机后面一定距离处 推移工作面刮板输送机 2 3 建立数学模型建立数学模型 采煤机滚筒位置的调节主要有两大部分组成 分别为采样控制和滚筒调高控制 采样控制过程中 系统需要确定采样参数 如采样间隔 工作面初始长度等 并对 采煤机的位置和姿态进行记录 与此同时 系统还需判断采样是否结束 如未结束 采 样将继续进行 如采样结束 系统将会把其获取 记录的采样信息转化为循环控制的基 本信息 此次循环结束后 系统进入下一次循环 采样控制大部分都在由工人手动调高 的第一个工作循环中时进行 以后的循环中 如煤岩分界面出现较大的变化以至于采煤 机工作不能满足精度的要求 工人需要手动调节滚筒高度 使其满足精度要求并用调整 后的信息替代以前工作循环中此位置的信息 滚筒调高控制是整个系统最终需要实现的功能 进行调高控制时 需要先将存储的 上一次截割工作循环采样信息进行转换以获取本次循环控制基本信息 控制系统采用智 能算法进行修正量计算并给出控制策略和控制量 采煤机状态信息 系统判断采煤机 是否是采取手动调高 如果是 是 采煤机中断自动调高程序进行手动调高 进行信 息的采集或修正 如果是 否 采煤机系统采取自动调高 系统在确定调高方式后 控制执行机构调节滚筒高度 13 人为手动 修正调高 上截割工作循环 的采样信息 采样 j 1 i转换 采煤机运行状态信 息 如采煤机换向 高速调动等 N Y 滚筒位置调节 控制采样 采样参数 间隔 工作面 初始长度 L0 Nj INT Lj 煤机位置和姿态 yj i j i j i j i I N 数据采样 采样 j i j i j i yj i 采样信息转化为循环基本控制 信息 采煤机转化 J 1 循环 采样 j N i 1 控制 j 1 i I 1 2 Nj 调高控制 采样 j N i 1 控制 j i I 1 2 Nj 补偿的修正量计算 智能算法 给出控 制策略和控制量 手动 执行自动程序 调高执行机构 中断自动程序 执行手动 图 2 3 滚筒位置调高实现过程示意图 10 14 2 4 记忆调高的基本原理记忆调高的基本原理 采煤机的控制主要包括两部分 即牵引速度的控制和滚筒高度的控制 牵引是指采 煤机在刮板输送机的溜槽上沿工作面机往复运动 以实现连续割煤 由于采煤机一般都 是采用电牵引的方式 在正常工作时其横向牵引速度不会发生较大的变化 因此 记忆 程控自动调高的研究工作主要集中在滚筒高度的自动控制之上 滚筒调高是指在采煤机牵引运动时 为了适应工作面煤层厚度的变化 在煤层高度 范围内上下调整滚筒的位置 其调高系统主要由滚筒 摇臂 调高油缸以及调高液压控 制系统组成 采煤机在工作时 第一个工作循环需要有司机操纵采煤机 控制滚筒沿煤岩分界线 运行 实现手动调高 并确定采集样点的位置 到达采集样点时 司机操作计算机控制 系统把传感器测得的相关数据转换成相关的代码进行存储记忆 作为滚筒处于理想工作 位的参考数据 煤岩界面 滚筒 图 2 4 获取煤岩界面及正常工作状态 10 在 X 轴方向上 选取适当的间隔距离进行数据的采集 通过对所取数据的运算分析 系统可以得到所需要的煤岩分界面 由于煤层的分布一般都是缓慢变化的 第一个工作 循环工人手动调节滚筒高度采集数据而获得的煤岩分界面可以看做以后几个工作循环的 煤岩分界面 这种操作在一定范围内符合工作精度的要求 手动调高工作循环结束后 控制系统根据存储的采煤机摇臂高度根据合适的算法计 算获得煤岩分界面 在以后的工作循环中 控制系统随时通过传感器获取采煤机位置和 状态参数 并与计算得到的煤岩界面进行比较 获得滚筒实际位置与理想位置的相对量 15 然后进行及时正确的控制调整 由于地势的变化 煤岩界面随着采煤机纵向的推进 煤岩分界面会出现一定的变化 当滚筒偏离要求工作精度之外时 要求司机对采煤机滚筒进行一定的手动调整 计算机 会存储调整后的相应数据 在以后的工作循环中 计算机计算数据和调整滚筒高度将根 据手动调整后的数据进行 图 2 5 自动控制过程中的手动调整 滚筒 煤岩界面 手动调整 记忆程控的特征是预知控制结果的再现控制 控制的精度和可靠性取决于采样记忆的 信息量和准确程度 11 与记忆程控相关的信息有 采煤机运行状态 采煤机的牵引方向 和换向 斜切进刀的往复牵引 空行程调动等 采煤机运行位置 由行走距离传感器检 测 滚筒高度位置定位采样 由摇臂摆角传感器或调高油缸行程位移传感器检测 采煤 机的空间姿态 采煤机沿工作面走向的纵向倾斜角度 沿工作面推进方向的横向倾斜角 度等 等 姿态的参量同时反映了输送机推移状态 如飘底和啃底的影响 并综合反映了 调整结果 2 4 1 采煤机调高数学几何关系采煤机调高数学几何关系 采煤机滚筒的自动调高和采煤机在工作面上各个位置时滚筒的高度息息相关 采煤 机滚筒的高度及位置又与采煤机空间姿态 位置等信息有直接联系 为了得到采煤机滚 筒的信息 我们需要建立简单有效的数学模型 数学模型的建立是建立在理想条件之上的 为了确定数学模型而使得运算简单 控 制容易实现 其模型的建立基于一定的假设 1 煤层在沿工作面方向 或工作面推进方向 厚度变化是缓慢渐变的 在无断层情 16 况下 不会出现突变 即煤岩分界面没有突变的地方 2 为了方便移动刮板输送机 工作面扫清底煤 即在工作面行走方向 地面呈直线 平整 3 在工作面推进方向上 底面呈直线平行 2 4 2 采煤机工作面数据关系采煤机工作面数据关系 L2 ij H L1 ij ij 2 H 1 H 图 2 6 采煤机上行正视图 图 2 4 为采煤机沿工作面上行的正视图 3 图中各个参数的具体含义如下所示 采煤机左 右摇臂的长度L 采煤机摇臂链接中心点到工作面底面的距离 1 H 采煤机滚筒中心到采煤机摇臂链接中心点的距离 2 H 第刀采煤机在第 个位置上 采煤机右滚筒的高度 ij H ji 第刀采煤机在第 个位置上 右摇臂沿工作面行走方向和水平面的夹角 ij ji 第刀采煤机在第 个位置上 机身沿工作面行走方向和水平面的夹角 ij ji 第刀采煤机在第 个位置上 左摇臂沿工作面行走方向和水平面的夹角显 ij ji 然 从图 2 4 我们可以得出采煤机在沿工作面行走方向上行时 右滚筒的高度的关系式 17 2 1 和 2 2 2 1 2 sin j ij i HL 2 2 121 sin j ij ij i HHHHL 同理 从图 2 1 也可以得出采煤机沿工作面下行时 左滚筒的高度的关系式 2 3 2 3 2 sin j ij i HL 2 4 121 sin j ij ij i HHHHL 显然 从图中我们可以得出采煤机在仰采时的高度偏差为 2 5 1 j ij i HL tg 同理 从图 2 5 中 可以得出采煤机在俯采时滚筒的高度偏差为 1 j ij i HL tg L1 ji ji ij H 图 2 7 采煤机沿工作面推进方向仰采和俯采侧面图 Fig 2 7Side Elevation of Shearer along Upward Pushing Direction In Face 因此 综合式 2 2 2 4 2 5 2 6 可以得出以下结论 采煤机在第 j 刀第 i 个位置上 沿工作面上行仰采时滚筒的高度表达式为 2 7 1 1 sin j ii jj ij i HHLL tg 采煤机在第刀第 个位置上 沿工作面上行俯采时滚筒的高度表达式为 ji 2 8 1 1 sin j ii jj ij i HHLL tg 18 采煤机在第刀第 个位置上 沿工作面下行仰采时滚筒的高度表达式为 ji 2 9 1 1 sin j ii jj ij i HHLL tg 采煤机在第j 刀第 个位置上 沿工作面下行仰采时滚筒的高度表达式为 ji 2 10 1 1 sin j ii jj ij i HHLL tg L1 ji ji ji ji ij H 图 2 8 采煤机沿工作面推进方向仰采和俯采侧面图 Fig 2 8Side Elevation of Shearer along Downward Pushing Direction In Face 2 5 本章小结本章小结 本章从介绍采煤机的基本结构和各个部分的功能入手 阐述了采煤机记忆调高的基 本原理 并在此基础上提出了记忆调高控制系统所完成的任务和功能 为后续的采煤机 调高控制算法的研究及程序的编写提供了依据 19 3 采煤机自动调高控制算法采煤机自动调高控制算法 3 1 采煤机记忆调高控制理论采煤机记忆调高控制理论 3 1 1 采样间隔的研究采样间隔的研究 控制系统工作时 第一个工作循环为系统控制采样过程 采煤机采用较慢的牵引速 度 由司机操纵采煤机的调高系统 控制滚筒沿着煤岩分界线工作 到达采样点 工人 操作控制系统把传感器测得的数据转换成滚筒高度代码并存储起来备用 作为滚筒在理 想工作位置时的参考信号 此循环结束后 系统通过曲线拟合得到目标曲线 从下个工 作循环开始由微机控制调高系统 存储本次滚筒高度并且跟踪上一次滚筒高度 通过控 制器的运算进行滚筒高度调整 滚筒截割高度位置信息参数主要有 采煤机沿工作面位 置 采煤机牵引方向 采煤机空间姿态等 在采煤机滚筒记忆调高的计算机控制系统中 采样周期是一个很重要的参数 它直接影响系统的控制效果 采样位移间隔选得过 x 小 将增加不必要的计算量 增加控制的困难 另外 在采煤机双向采煤时 要考虑采 煤过程 如两个滚筒分别要抬升和降落 要向煤壁进刀等 的影响 并把前一个采煤行 程中采样数据进行倒序排列 以保证前后两个采煤行程中对应取样点可以准确比较和对 后一个采煤行程进行控制 因此也不宜过小 如果位移间隔选得过大 又会给控制 x 系统带来较大误差 降低系统的动态性能 甚至有可能导致整个系统稳定性变差 12 综 合各种因素的影响 在试验过程中 采用人工采集并存储数据点的方式 即在合适的位 置采集当前的采煤机模型滚筒中心的水平位置和高度信息 共采集十组 通过控制器对 所采集信息运算和处理 最后以 水平位置 滚筒高度 的格式保存成数组形式 ii 存入存储器 作为表明滚筒处于理想工作位置时的参考信号备用 3 1 2 最小二乘法最小二乘法 近年来 各种采煤机自动调高的理论相继提出 刘春生在提出模糊控制器原理及模 20 糊控制规则 实现采煤机滚筒位置高度的再现调节 上海交通大学的张伟在 基于采煤机 DSP 主控平台的自动调高预测控制 一文中提出来灰色理论的基本概念 1 针对煤岩 界面识别精度无法满足采煤机自动调高的情况 梁义维提出采用神经网络融合工作面的 三边信息 使用 D S 证据理论再将此信息和不断获得的煤岩界面识别信息进行二次融合 从 而实现在线融合和在线预测 不断提高预测精度 13 目前 采煤机滚筒自动调高算法种 类繁多 各有千秋 但都有一定的局限性 14 各种控制理论的提出 极大的促进了采煤 机滚筒自动调高的实现 但是许多理论的运用实现繁琐 复杂 在本文中 目标曲线的 获得是通过最小二乘法得以实现的 系统在信号采集完成后需要对信号进行处理 经过 相关运算对采集的一系列有序数据点进行曲线拟合 从而得到目标曲线 在本文中 目 标曲线的获得是通过最小二乘法得以实现的 简介 1801 年 意大利天文学家朱赛普 皮亚齐发现了第一颗小行星谷神星 经过 40 天 的跟踪观测后 由于谷神星运行至太阳背后 使得皮亚齐失去了谷神星的位置 随后全 世界的科学家利用皮亚齐的观测数据开始寻找谷神星 但是根据大多数人计算的结果来 寻找谷神星都没有结果 时年 24 岁的高斯也计算了谷神星的轨道 奥地利天文学家海 因里希 奥尔伯斯根据高斯计算出来的轨道重新发现了谷神星 高斯使用的最小二乘法的方法发表于 1809 年他的著作 天体运动论 中 法国科 学家勒让德于 1806 年独立发现 最小二乘法 但因不为时人所知而默默无闻 勒让 德曾与高斯为谁最早创立最小二乘法原理发生争执 1829 年 高斯提供了最小二乘法的优化效果强于其他方法的证明 因此被称为高斯 莫卡夫定理 基本原理 在我们研究两个变量 x y 之间的相互关系时 通常可以得到一系列成对的数据 将这些数据描绘在 x y 直角座标系中 如图 3 1 若发现这 21 y x 22 y x ii yx 些点在一条直线附近 可以令这条直线方程如 式 3 1 21 图 3 1 X Y 式 3 1 XaaY 10 为建立这一直线方程 我们要确定和 应用 最小二乘法原理 将实测值 0 a 1 a 与利用 式 1 1 所得计算值 的离差 的平方和 i YXaaY 10 YYi 2 i YY 最小为 优化判据 令 式 3 2 2 YYi 把 式 1 1 代入 式 1 2 中得 式 3 3 2 10ii XaaY 当 取得最小值 即符合 优化判据 时 若用函数分别对 2 YYi 0 a 求偏导数 则此时这两个偏导数的值等于零 1 a 02 1 0 ioi XaaY a 02 10 1 iii XaaYX a 即 式 3 6 ii YaXma 10 式 3 7 iiii YXaXaX 1 2 0 得到的两个关于 a0 a1为未知数的两个方程组 解这两个方程组得出 式 1 4 式 3 5 22 式 3 8 m X a m Y a i i i 0 式 3 9 m X X m YX YX a i i ii ii i 2 2 这时把 代入 式 1 1 中 此时的 式 1 1 就是我们回归的元线性方程即 数学模型 0 a 1 a 在回归过程中 回归的关联式是不可能全部通过每个回归数据点 21 y x 为了判断关联式的好坏 可借助相关系数 R 统计量 F 剩余标准 22 y x ii yx 偏差 S 进行判断 R 越趋近于 1 越好 F 的绝对值越大越好 S 越趋近于 0 越好 式 3 10 2 2 2 2 m Y mY m X mXSQR m Y m X mYX R i i i i ii ii 在 式 1 1 中 为样本容量 即实验次数 分别任意一组实验 的数值 m i X i YX i Y 本文选择 在采煤机工作过程中 工作面初始长度仅仅是煤岩分界面在横向上的一小部分 一般情况下 在这一较短距离内 假设煤岩分界面符合以二次方程并运用最小二乘法而 获得的目标函数是在要求的工作精度之内的 即令 ii XaXaaY 210 采样完毕后 程序通过运算得到相关常数 令 2 2 210 XaXaaYi 式取最小值时位优化判据 分别对 求导 并令其等于零 0 a 1 a 2 a 02 2 21 0 iioi XaXaaY a 23 02 2 210 1 iiii XaXaaYX a 02 2 21 2 2 iioii XaXaaYX a 解方程可得 的值 从而得到目标曲线 0 a 1 a 2 a 3 2 利用最优控制理论跟踪目标曲线利用最优控制理论跟踪目标曲线 经分析可知 采煤机滚筒的高度与采煤机的行走方向 空间姿态有直接关系 式 3 11 1 1 sin j ij ij i HHLfL tgg 其中采煤机摇臂长度 与采煤机行走方向有关 与采煤机的空间姿 L ij f ij g 态 即俯采 仰采有关 式 3 12 ijij ijij ij f 下行 上行 式 3 13 ij ij ij g 俯采 仰采 采煤机的行走方向控制牵引电动机的继电器状态决定 而采煤机是俯采还是仰采可 以根据系统对角度传感器信号处理结果得到 假设在采煤机在工作面某位置时 其滚筒 相应位置位为 其中 要使当前位置采煤机滚筒能过尽可能跟踪目 ijij yx ijij Hy 标曲线 就要使滚筒当前位置与目标曲线上该点位置之间的距离尽可能的小 ijij yx 这一距离能用下式表示 式 3 14 2 2 ijij ij ij yyxxs 当 取得最小值时 系统控制的误差也为最小 由于 均与采煤机摇臂角度s ijx ij y 和空间姿态有关 求取 的最小值 将得到最合适的相关角度的值 从而可以确定摇臂s 的运动方向 实现自动调高的控制 24 3 3 采煤机记忆调高试验模型的控制策略采煤机记忆调高试验模型的控制策略 经过上述分析后 系统可根据需要调整控制采煤机摇臂电机的继电器工作状态 进 而可以得到采煤机控制策略 采煤机在右牵引和左牵引时其系统控制的对象是不同的 其控制策略分别如下所示 X Y n x 1 n x i x n y i y 1 n y X 1 n x n x i x 1 n y i y n y Y X n y i y 1 n y n x i x 1 n x Y 图 a 0 k图 a 0 k图 a 0 k 图 3 2 1 右牵引时系统控制策略 采煤机在右牵引状态下工作时 系统控制对象为采煤机右摇臂 具体控制策略可分 为三种 图中 分别目标曲线的横 纵坐标 即采煤机右滚筒的理想水平 n x 1 n x n y 1 n y 位置和高度 为采集的当前采煤机右滚筒水平位置和高度 i x i y 系统总过控制器计算当前点前一点和后一点构成直线的斜率 如下式 k 式 3 15 nn nn xx yy k 1 1 求出直线斜率后 再比较 的大小 决定调节摇臂的方法 是采煤机滚筒k i y 1 n y 到达要求的位置 当 时 下调右摇臂 当 是 上调右摇臂 当 0 k 1 ni yy0 k 1 ni yy0 k 时 保持滚筒高度 不调整右摇臂 1 ni yy 2 左牵引时系统控制策略 采煤机在左牵引状态下工作时 系统控制对象为采煤机左摇臂 具体控制策略也可 25 分为三种 和右牵引类似 图中 分别目标曲线的横 纵坐标 即采煤机右 n x 1 n x n y 1 n y 滚筒的理想水平位置和高度 为采集的当前采煤机右滚筒水平位置和高度 i x i y 图 a 0 k图 a 0 k X Y 1 n x n x i x 1 n y i y n y 图 a 0 k X n x 1 n x i x n y i y 1 n y Y 图 3 3 系统总过控制器计算当前点前一点和后一点构成直线的斜率 同 式 3 15 k nn nn xx yy k 1 1 求出直线斜率后 再比较 的大小 决定调节摇臂的方法 是采煤机滚筒k i y 1 n y 到达要求的位置 当 时 下调左摇臂 当 是 上调左摇臂 当 0 k 1 ni yy0 k 1 ni yy0 k 时 保持滚筒高度 不调整左摇臂 1 ni yy 3 4 本章小结本章小结 本章说明了采样间隔的选择 并确定采用最小二乘法拟合曲线 实现目标函数的获 取 同时 以最小二乘法最优控制理论作为依据得出跟踪目标曲线的基本算法 提出控 制策略 为控制系统软件部分的设计提供了依据 X 1 n y i y n y 1 n x i x n x Y 26 4 采煤机自动调高系统硬件简介采煤机自动调高系统硬件简介 4 1 基本要求基本要求 在自动控制系统中 控制器的性能直接决定整个控制系统的性能 因此选择适当的 控制器直接影响整个控制系统的性能 通过对单片机 可编程逻辑控制器 PLC 嵌入式 计算机三种控制器进行对比选择出适合整个控制系统的控制器 单片机系统就是采用目 前市场上的单片机 CPU 及其它外围芯片 根据不同系统设计电路板 最终设计成一台 简易的计算机系统 并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能 24 但是由于目前 芯片集成水平的限制 单片机的功能单一 不能满足复杂工业控制的要求 虽然价格便 宜 但是由于其可靠性差及其它方面的限制 在工业现场的应用已逐步被 PLC 所代替 可编程逻辑控制器 PLC 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂家生产的可编程控制 器 根据要求选用不同的模块 在此基础上设计程序以达到所设计的功能 这种形式目 前在工业现场应用最为广泛 它可靠性高 抗干扰能力强 易于编程 可扩展性好 易 于维护 操作简单 但是其价格昂贵 25 通常需要选用多个可扩展模块 构成的系统体 积比较庞大 所需要的成本较高 嵌入式系统以其小型 专用 易携带 可靠性高的特点 已经在工业控制领域得到 了广泛的应用 如工业过程控制 远程监控 智能仪器仪表 机器人控制 数控系统等 15 此外 随着网络技术和通信技术的发展 工业控制的现场的网络化已经成为发展趋 势 这就对传统的基于控制器的控制系统提出了更高的要求 由于嵌入式系统本身所具 备的网络和人机交互能力 使得它有可能取代以往基于微控制器的控制方式 嵌入式计 算机就是采用目前市场上的所谓工业控制计算机系统 在此基础上设计程序以达到所设 计的功能 4 2PC 104 简介简介 采煤机作为煤矿井下的主要综采设备 常常工作在比较恶劣的环境中 其所处环境 一般粉尘较大 空气相对湿度较高 操作空间较小 所以对采煤机控制系统工作的安全 27 性 可靠性 维护简便性要求较高 由于嵌入式计算机系统具有实时性 低成本 小型 化 专用化 可扩展性好和高可靠性 比单片机控制具有更大的优越性 同时嵌入式微 机体积小 重量轻 抗干扰能力强 适用于条件恶劣的工业环境 16 而 PLC 虽然抗干 扰能力较强 但是通常需要选用多个可扩展模块 构成的系统体积比较庞大 所需要的 成本较高 与 PLC 相比 PC 104 嵌入式计算机具有以下优点 第一 采用高度集成技 术 机内资源丰富如自带的程序 多路 A D 采样 计数器等 接口丰富便于扩展 通信 方便 同时 以 PC 104 嵌入式计算机为控制核心的控制板线少 体积小 方便用户集 成和安装 第二 PC 104 嵌入式计算机为控制器支持高级语言编程 使原来在 PLC 上 难以实现的算法都可以实现 同时也可以提高操作界面的显示功能 经过上述对比 考 虑到控制系统所处的工作环境和功能 决定选择 PC 104 嵌入式计算机作为整个控制系 统的控制器 PC 104 微机常称为嵌入式 PC 机 这种微机有两个总线插头 其中 P1 口有 64 个引 脚 P2 口有 40 个引脚 共有 104 个引脚 这也是 PC 104 名称的由来 17 PC 104 是嵌 入式 PC 的机械电气标准 它的制定为嵌入式应用提供了标准的系统平台 其结构小巧 紧凑 整机功耗低 具有灵活的可扩展性 在软件与硬件上与标准的台式 PC PC AT 体 系结构完全兼容 但电气和机械规范完全不同 其小巧的尺寸非常适合嵌入式系统的应 用 第一块 PC 104 产生于 1987 年 但严格意义的规范说明在 1992 年才公布 从那以 后 对 PC 104 感兴趣的人越来越多 当时就有 125 个厂家引进 PC 104 规范生产 PC 104 兼容产品 像原来的 PC 总线一样 PC 104 一直是以一个非法定标准在执行 而不是委 员会设计制定的 1992 年 IEEE 开始着手为 PC 和 PC AT 总线制定一个精简的 IEEEP996 标准 草稿 PC 104 作为基本文件被采纳 叫做 IEEE P996 1 兼容 PC 嵌入 式模块标准 可见 PC 104 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线 我们知道 IEEE P996 是 PC 和 PC AT 工业总线规范 IEEE 协会将它定义 IEEE P996 1 很明显 PC 104 实质上就是一种紧凑型的 IEEE P996 其信号定义和 PC AT 基本一致 但电气和机械规 范却完全不同 是一种优化的 小型 堆栈式结构的嵌入式控制系统 PC 104 与普通 PC 总线控制系统的主要不同是 28 1 小尺寸结构 标准模块的机械尺寸是 3 6X3 8 英寸 即 96X90mm 2 堆栈式连接 去掉总线背板和插板滑道 总线以 针 和 孔 形式层叠连接 即 PC 104 总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连 这种层 叠封装有极好的抗震性 3 轻松总线驱动 减少元件数量和电源消耗 4mA 总线驱动即可使模块正常工作 每个模块 1 2 瓦能耗 4 此外 PC 104 还具有高可靠性 长寿命 软件资源丰富 可靠性好 编程调试 方便等优点 用户只需要把精力放在 I O 板卡 A D 板卡的设计上 而不用为 CPU 及其 外围器件之间的复杂的接口关系花费时间 因此 PC 104 总线技术已经在工业 商业 三航及军事等控制领域得到了广泛的应用 4 3 传感器的选取传感器的选取 我们都知道 采煤机控制系统需要实现的主要功能包括 采煤机操作运行控制 各 部分状态检测和保护 提供系统工况监视 由此可见 传感器已经成为采煤机控制系统 的不可或缺部分 那么 矿用传感器的选型究竟有哪些选取原则呢 1 实现必要的功能需求 包括满足要求的测量范围