采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式.pdf

2 2 煤矿机电2 0 0 4 年第5 期 文章编号1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 4 0 5 0 0 2 2 0 4 采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式 刘春生，侯清泉 黑龙江科技学院机械工程系，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 2 7 摘要论述了记忆程控再现滚筒调高的一种控制模式，提出依据多样检测的信息综合给出自动 修正调节控制量的思想方法，具有实用性、控制灵活和实现智能化，是目前较理想的采煤机滚筒自 动调高技术方法。 关键词采煤机；滚筒自动调高；记忆式；控制模式 中图分类号T D 4 2 1 ．6 1 ；T P 2 1 4 ．7 文献标识码A AM e m o r yP r o g r a m - c o n t r o lM o d eo fR e a p p e a r i n g A u t o m a t i cL i f t i n gf o rS h e a r e rD r u m L J UC h u n s h e n g ，H O UQ i n g q u a n M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，H e i l o n g j i a n gI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H a r b i n1 5 0 0 2 7 ，C h i n a A b s t r a c t ；T h ep a p e rd i s c u s s e sac o n t r o lm o d eo fr e a p p e a r i n gd r u ma u t o m a t i cl i f t i n gb ym e m o r yp r o g r a m c o n t r o l l i n g ，p u t sf o r w a r dat h o u g h tm e t h o do fc o m p r e h e n s i v e l yg i v i n ga u t o m a t i ca m e n d m e n ta d j u s t i n gc o n t r o l q u a n t i t ya c c o r d i n gt ov a r i e t i e so fd e t e c t e di n f o r m a t i o n ．T h em e t h o dh a st h ef e a t u r e so fp r a c t i c a b i l i t y ，f l e x i b i l i t y a n di n t e l l i g e n c e ，a n di sa ni d e a lt e c h n i c a lm e t h o do fd r u ma u t o m a t i cl i f t i n gf o rs h e a r e r s ． K e y w o r d s s h e a r e r ；d r u ma u t o m a t i cl i f t i n g ；m e m o r yt y p e ；c o n t r o lm o d e 1 引言 2 记忆程控自动调高的基本原理 采煤机的有效工作在很大程度上取决于工作面 的开采地质条件、煤层的起伏、厚度的变化以及出现 断层等。当滚筒切入顶板或底板截割岩石时，截齿 消耗很快，更换截齿要经常停机，原煤中的矸石含量 也要增加。因此，大功率采煤机滚筒自动调高的重 要性显而易见，它是采煤机自动化的关键之一。几 十年来国内外在此领域做了大量的探索研究工作， 目前已出现了2 0 余种煤岩分界机理、传感器和识别 系统，但迄今为止还没有研制出能满足所有要求的 传感器。近年来，一种间接的滚筒调高方法以 记忆程控为主的调高技术在国外的一些大功率采煤 机上已成功应用。从现有的技术水平来看，它也是 我国研制大功率自动化采煤机适宜选用的调高技术 方法。 它是由司机操纵采煤机沿工作面煤层高低起伏 条件先割一刀，控制系统将行程位置等信息存入计 算机，以后的截割高度均由计算机根据存储器记忆 的工作参数自动控制滚筒调高。若有煤层条件发生 变化，则由司机手动操作割煤 作为位置程度的微 调 ，并自动记忆调整过的工作参数，作为下一刀滚 筒调高的工作程序。这种方法是一种还可以人工干 预的自动化操纵方式，司机可任意调整摇臂的位置 而不受记忆数据限制。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。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 万方数据 2 0 0 4 年第5 期 煤矿机电2 3 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。 3 记忆程控再现模式 沿着工作面方向 或沿工作面推进方向 顶底板 的高度变化是缓慢渐变的，不会有突变，除非顶底板 存在断层错位，即使有断层情况出现，无论是人为手 动还是自动调节，都要进行平滑过渡处理，即渐变地 调整滚筒的位置高度。另外，在两个截割工作循环 之间，滚筒的位置高度有突变，即在沿工作面走向出 现大的台阶，将会给输送机和液压支架的推移造成 很大的困难，必须进行过渡修正，不应完全按上一截 割工作循环滚筒调节规律再现。因此，记忆程控再 现是有条件的控制过程。 滚筒位置等信息采样与再现调高控制相互独立 同步进行。在每一截割工作循环过程中，无论是自 动再现调节还是人为手动修正，均按采煤机等行走 距离间隔进行定点采样，即 I y 7 ，2 一y ，，1 2 ⋯⋯2 弘， l y ，，i △ A 0 。i 。 但当△臼≤A 0 。。。时，必须考虑相应的截割工 作循环△臼累积结果，以确定滚筒调控修正量，即 h 。 e _ l ，十∑A 0 ⋯∑△e ，≥A 0 嘶 l 已， e 一。，i∑△已，i A 0 。i 。 以上是直观的补偿修正的方法，实际上还可以 根据采样数据的变化量和变化量的变化率 变化趋 势 ，以智能算法和专家系统预测和综合来给出控制 量。 滚筒位置调控的允许误差，一般△H 汕 5 0 ～ 1 0 0 m m ，A 0 渤 A H 。i 。／L c o s 臼“，它是一个参考量 可以看成模糊量 ，因此，在考虑修正△口和∑ △幺，i 的变化方向 正负 的同时，还应考虑△岛，i 的变 化率 △已，i 的微分特征 ，以预测△B ，。在i 和j 方向 上的变化趋势和速率d 。 爵一鱼 [ 鱼 型 “ g ，H 或‰卫出 准刀具截割时的抗截割强度 称为截割阻抗 。由于 标准刀具的工作过程与刨煤机工作机构的破煤过程 十分相似，就具有较高的准确性和可比性。可刨性 可截割性 指标反映了煤层被刀齿截割时的主要物 理力学性能，符合刨煤机的实际工作状况，同时根据 所测得的可刨性 可截割性 指标，可作为选定机型 的重要依据 在这方面，煤科总院上海分院已经做了 一些前期的工作和认证 。对这些普遍推广使用刨 煤机的国家来说，其目标十分明确，即尽可能依据科 学的手段，来帮助作出正确的判断和决策。因此，我 国有必要迅速制定自己的煤层可刨性 可截割性 指 标，并在全国范围内开展煤层可刨性 可截割性 普 查，以尽快掌握第一手资料。 作者简介华元钦 1 9 4 7 一 ，男，编审，高级工程师。1 9 8 2 年毕业于 上海交通大学机械工程系，长期从事采煤机械的研制工作，现任煤炭 科学研究总院上海分院市场信息部主任、煤矿机电杂志主编，发表 文章2 0 余篇。 收稿日期2 0 0 4 0 7 1 9 ；责任编辑姚克 艿越大说明相邻两采样点滚筒位置差越大，反 之越小，显然是确定调节控制量的主要依据之一。 另外，控制程序还要考虑采煤机换向时采样数据的 转换；采煤机截割工作循环的方式，在工作面两端斜 切自开缺口、采煤机空行程调动等特殊运行状态时 采样和数据处理方法。依据以上多种采样信息，以 智能算法和专家系统来预测给出综合控制量，记忆 程控再出现原理框图，如图3 所示。 5结语 记忆程控技术方法具备有限的自动修正功能， 是目前优先考虑的滚筒调高方法，但顶底板发生变 化时，还是靠人为手动调节。对井下煤层和围岩的 复杂条件，单一的方法难以准确、可靠地判断煤岩分 界，随着微机能力不断提高，尚需进一步研究采用传 感器和辩识系统取得多参量信号，利用微机软件和 智能算法综合信息处理，给出调整滚筒高度和卧底 量的指令。 作者简介文』春生 1 9 6 1 一 ，男，教授。1 9 8 2 年毕业于黑龙江矿业 学院机械设计专业，现从事机械设计和液压传动与控制的教学、科研 工作，发表论文7 0 余篇，出版专著、教材5 部。 收稿日期2 0 0 4 0 4 2 2 责任编辑姚克 万方数据 采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式 作者刘春生， 侯清泉 作者单位黑龙江科技学院,机械工程系,黑龙江,哈尔滨,150027 刊名 煤矿机电 英文刊名COLLIERY MECHANICAL ELECTRICAL TECHNOLOGY 年，卷期2004，5 引用次数7次 相似文献10条相似文献10条 1.学位论文 梁义维 采煤机智能调高控制理论与技术 2005 煤炭是我国的主要能源，煤炭开采综合机械化及其工作过程自动控制成为煤炭工业增加产量，提高劳动效率，减少重大恶性事故和改善劳动条件的 重要手段。采煤机及其控制系统是煤炭开采过程的主要设备，采煤机的工作过程包括滚筒调高和牵引控制。在采煤机的工作过程中，根据采煤工艺、煤 层与煤岩界面状态以及支护要求调整采煤机滚筒高度，通过牵引运动后，旋转的滚筒即可切割出一定位置和形状的顶、底面，即得到特定的截割路径。 截割路径直接决定产品质量含矸量与资源回收率，因此，采煤机合理的调高策略与先进的控制技术研究是一个受到广泛关注的重要问题。 目前 ，采煤机的滚筒调高多采用人工观测为依据的手动调整或人工调整试切割基础上的几何轨迹记忆切割。人们也尝试过在采煤机上安装传感器进行煤岩界 面识别，然后根据此信息直接进行滚筒高度的反馈控制，试图实现采煤机滚筒自动调高。但是，由于煤层地质结构的复杂性和煤岩界面识别的技术问题 ，加之还要考虑综合采煤机械化对顶、底板的要求，这种基于简单反馈控制的滚筒自动调高技术没有得到成功的应用和推广。 为了在综合考虑各 种因素的基础上，实现以提高产品质量与资源回收率为目标的采煤机滚筒高度自动控制，作者提出以切割状态切割煤或岩辨识为基础，并与采空区及 巷道顶板信息相融合，进而预测煤岩界面，最终实现滚筒路径优化与自动调高的控制策略。为此，进行了一系列理论与实验研究，得到较好的控制效果 ，为采煤机滚筒智能调高控制系统设计提供了理论依据。 本项目研究的基本思路是在采煤机上配置相应传感器采集信号后进行煤岩界面识别 ，将该信息与巷道顶板信息、采空区顶板信息进行融合。然后，把融合后的信息追加到“历史顶板”数据库，利用该数据库的内容预测工作面前方煤层 的顶板状态，根据预测的顶板信息、煤质要求和支护要求优化截割路径，以获取最大资源回收率和最好的产品质量。最后，利用设计的控制器实现滚筒 对优化路径的跟踪。随着工作面的推进，已知信息不断增加，预测信息越来越可靠，因此降低了对煤岩界面识别的依赖性，增加了系统的鲁棒性；而且 ，考虑煤层赋存条件和采煤工艺等约束条件，增加了系统的实用性。 为实现上述方案，在现有的基于多传感器信息融合的煤岩界面识别技术的基 础上，本文重点开展了以下理论和技术的研究 1采煤机智能调高系统体系结构的研究 在详细分析采煤机智能调高系统功能及其复杂性的 基础上，提出系统的结构体系采用适于复杂问题求解的黑板结构。该体系由黑板和煤岩界面识别、煤岩界面预测、滚筒截割路径规划和截割轨迹跟踪等 四个工作模块组成，黑板中记录各工作模块所需的各层次的信息及其结果，各工作模块采用异步并发工作方式工作； 2煤岩界面信息融合和预测 方法研究 在煤岩界面信息融合和预测工作模块中，首先，将巷道煤岩界面信息和采空区的“历史顶板”数据库信息利用神经网络进行融合，然后 ，利用D-S证据理论对上述融合后的信息和煤岩界面的识别结果进行再融合，融合后的信息追加到“历史顶板”信息库中，利用追加后的“历史顶板”信 息库信息借助神经网络对工作面前方煤层进行煤岩界面预测。通过对复杂地质构造煤层的煤岩界面仿真研究表明1神经网络信息融合方法可以以较高 的精度描述煤岩界面，但对原始信息的误差比较敏感。2通过D-S证据理论信息再融合可减小误差，精度满足工程需要。3随着工作面的推进，预测误差 减小。 3滚筒截割路径规划理论与方法研究 在滚筒路径的规划工作模块中，通过浮点编码的遗传算法对具有褶皱、断层和陷落柱等地质构 造的工作面的滚筒的路径优化。结果表明该方法可以实现复杂地质构造下的滚筒的截割路径的优化。 4采煤机调高液压伺服系统研究 在 路径跟踪工作模块中，通过对液压伺服的滚筒调高系统的运动学和动力学分析，设计了基于反馈误差学习算法的神经网络自适应控制策略，计算机仿真 和实验室试验表明控制结果优于传统的PID控制器，系统具有良好的动态特性。使用直线插补方法，采煤机试验机跟踪了设定的目标曲线，结果表明跟 踪精度满足工程需要。 在目前研究的基础上进行进一步的工业试验，开发适应井下环境的采煤机调高控制系统是作者研究的下一个目标。 2.会议论文 刘春生.侯清泉 采煤机滚筒自动调高记忆程控再现模式 2004 论述了记忆程控再现滚筒调高的一种控制模式,提出依据多样检测的信息综合给出自动修正调节控制量的思想方法,具有实用性、控制灵活和实现智 能化,是目前较理想的采煤机滚筒自动调高技术方法. 3.期刊论文 梁义维.熊诗波.任芳.李文英 基于网络的采煤机智能调高系统的黑板体系结构 -煤矿机械20027 分析了目前滚筒自动调高系统存在的问题,提出基于分布式黑板体系结构的自动调高系统,构建了系统的框架,提出各个部件的功能、结构和自动调高 系统的实现. 4.学位论文 蔡桂英 采煤机滚筒调高模糊控制器的设计与仿真 2008 实现采煤机滚筒的自动调高，即滚筒能够按照煤岩分界曲线割煤，是缩小国内外采煤机自动操纵差距的关键技术之一，是实现采煤工作面生产过程 自动化的重要环节，并且对提高煤炭生产质量、提高生产效率、延长机械装备寿命、提高设备可靠性、保障工人安全具有重要意义，对采煤机械的智能 化控制以及煤炭工业的发展有较大的促进作用。 本论文研究的是基于模糊控制的采煤机滚筒调高记忆程控的模式及其应用系统，是一个基于嵌入 式平台的智能化控制系统。本文概述了采煤机滚筒自动调高煤岩分界技术发展的历史、研究现状、国内外的差距和趋势；介绍了记忆程控的原理、位移 采样周期，并以正切进刀法为例，对采样数据的采集、存储进行了说明；根据调高控制系统的特点和设计要求，探讨了适应于采煤机滚筒调高控制系统 的控制算法。在对采煤机滚筒调高系统分析的基础上，通过建立采煤机滚筒调高系统的数学模型，结合模糊控制理论和MATLAB 软件，制定了采煤机滚筒 调高控制系统的模糊控制规则。利用MATLAB仿真软件对设计的模糊控制系统进行了仿真，结果表明性能良好。对不同调控条件下的控制系统进行了仿真 ，仿真结果说明设计的控制器能够满足不同条件的要求，具有良好的动态特性和稳态特性；最后对控制系统的软硬件系统进行了设计，对操作系统进行 了简略介绍。 5.会议论文 张福建.董枫.刘振坚.项止武 采煤机滚筒自动调高技术的发展及展望 2006 采煤机是井下工作自动化的中心环节.而采煤机滚筒的自动调高技术已经成为阻碍工作面自动化发展的瓶颈.本文阐述了采煤机滚筒自动调高技术的 发展历程,并提出国外的记忆截割法符合国内实际,可以采用但需要加以改进.同时,本文还分析了自动调高技术中需要解决的问题和相关研究热点。 6.学位论文 杨秋 基于模糊控制采煤机滚筒调高记忆程控的研究 2007 实现采煤机滚筒的自动调高，即滚筒能够按照煤岩分界曲线割煤，是缩小国内外采煤机自动操纵差距的关键技术之一，是实现采煤工作面自动化的 重要环节，并且对提高煤炭生产质量、提高生产效率、延长机械装备寿命、提高设备可靠性、保障工人安全具有重要意义，对采煤机械的智能化控制以 及煤炭工业的发展有较大的促进作用。 本论文研究的是基于模糊控制的采煤机滚筒调高记忆程控的模式及其应用系统，是一个基于嵌入式平台的 智能化控制系统。本文概述了采煤机滚筒自动调高煤岩分界技术发展的历史、研究现状、国内外的差距和趋势；介绍了记忆程控的原理，确定了位移采 样周期，并以正切进刀法为例，对采样数据的采集、存储进行了说明；根据调高控制系统的特点和设计要求，探讨了适应于采煤机滚筒调高控制系统的 控制算法。在对采煤机滚筒调高系统分析的基础上，通过建立采煤机滚筒调高系统的数学模型，结合模糊控制理论和MATLAB软件，制定了采煤机滚筒调 高控制系统的模糊控制规则。利用MA-TLAB仿真软件对设计的模糊控制系统进行了仿真，结果表明性能良好。对不同调控条件下的控制系统进行了仿真 ，仿真结果说明设计的控制器能够满足不同条件的要求，具有良好的动态特性和稳态特性；最后对控制系统的软硬件系统进行了设计，给出了系统存储 器、通讯、人机交互和驱动电路的接线图，模糊控制规则查询表流程图和主程序流程图，并对操作系统进行了简略介绍。 7.期刊论文 李春华.刘春生.LI Chun-hua.LIU Chun-sheng 采煤机滚筒自动调高技术的分析 -工矿自动化20054 滚筒自动调高是实现采煤工作面自动智能程控为主与传感器煤岩分界为辅的综合识别技术,不仅可弥补单一传感器识别所带来的稳定性、可靠性差和 精度低等问题,又可避免记忆程控过于依赖人的行为所带来的不及时和随机现象.此种技术方法适用于大功率自动化采煤机,是首选的调高方法. 8.期刊论文 刘阔.刘杰.李勇.尹力.LIU Kuo.LIU Jie.LI Yong.YIN Li 采煤机记忆截割的轨迹拟合 -煤矿机电 20083 记忆截割是采煤机滚筒自动调高的主要方法之一.研究实现采煤机记忆截割的数学模型,选择最佳轨迹拟合算法,并用Matlab进行了虚拟仿真. 9.学位论文 张伟 基于采煤机DSP主控平台的自动调高预测控制 2007 煤炭井工开采中，最核心设备是工作面的支架、运输机和采煤机。采煤机是较复杂的、属于技术含量较高的核心机电设备。为了煤炭生产的安全、 高产和高效，目前已经实现了支架运输机的联动自动化，而采煤机还没有实现联动和自动驾驶。 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。本文就该课题展开了研究。 关于采煤机自动调高的研究，国内外自上世纪七十年代就开始了，主要集中在煤岩分界方法和传 感器研发制造方面，而随着电子通信技术的发展，采煤机的主控系统平台也在升级换代，因此出现了在高性能微机控制平台上实现的记忆截割等技术 ，实际上类似于现代机器人原理。国内采煤机目前也实现了主控系统的升级换代，尤其以我公司的基于DSP技术的主控系统平台为典型。本课题围绕国外 记忆截割原理，加以消化改进，在该平台上以模块化的方式进行实现的。 本文在模型建立和系统实现中也引入了一些新方法，具体研究如以下几方面 所述 首先整理综述了采煤机滚筒自动调高的历史研究状况，分别介绍了各类方法的优缺点，针对技术的发展，提出了新的解题思路。 其次选择现 代通用总体布置的采煤机，对其滚筒调高方式进行数学建模。然后针对实际工况的各种干扰情况进行改进，确定了较符合实际的调高数学模型，同时为 各类研究方法提供了一个理论依据。 第三，根据采煤机姿态控制的需要，梳理了矿用传感器的选择原则。通过方案对比，选择采用了倾角和位置等传 感器，通过样机试用取得良好效果。此外针对部分传感器还进行了零点修正和温度补偿，从而建立了采煤机的姿态检测系统。 第四，提出按照预测控 制MAC模型进行调高控制，详细阐述了控制策略设计要点，并引入了灰色预测模型对预测反馈通道进行建模。根据需要，采用改进的灰色预测模型进行采 高预测。该模型除了引入工作面采高信息，还特别引入了已成巷道的煤层高度信息进行运算，通过对比运算，以调整次数较少而优于国外的记忆切割法 。 最后结合采煤机DSP主控系统的开发，引入同类型DSP芯片进行调高模块功能实现设计。文中详细分析了DSP芯片的功能特点、各类接口、设计及 PCB制作要点。此外对系统方面、预测模型算法等进行软件设计并单机调试。通过硬件设计和软件调试，完成了主控系统中调高模块的设计、制作和实验 室验证。 本课题研究表明，结合现代DSP开发技术和预测控制理论的应用，采煤机滚筒自动调高技术可望取得跨越式进步，能够在复杂的采煤工作面得 以实现。 10.期刊论文 张俊梅.李文彬.范迅.康风义 基于单片机的采煤机自动调高控制系统 -工矿自动化20041 以自然γ射线煤岩界面识别传感器煤厚测报模型为基础,对采煤机滚筒自动调高控制系统进行了设计,主要确定了系统的调高方案、硬件组成及控制 器设计,为实现采煤机自动化建立了控制理论模型. 引证文献7条引证文献7条 1.刘春生.杨秋.李春华 采煤机滚筒记忆程控截割的模糊控制系统仿真[期刊论文]-煤炭学报 200807 2.高文富 关于采煤机割硬煤滚筒的改造技术的简要分析[期刊论文]-黑龙江科技信息 200815 3.刘春生.荆凯.杨秋 采煤机滚筒调高截割记忆程控的控制策略[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报 200705 4.刘跃.孙丽艳 对采煤机割硬煤滚筒的改造技术的分析[期刊论文]-黑龙江科技信息 200705 5.刘春生.荆凯.杨秋 采煤机滚筒截割记忆程控的灰关联度计算新方法[期刊论文]-煤炭学报 200605 6.刘春生.杨秋.荆凯 采煤机滚筒调高记忆程控采样周期[期刊论文]-煤矿机电 200604 7.刘春生.荆凯.杨秋 采煤机滚筒截割记忆程控误差的灰预测[期刊论文]-黑龙江科技学院学报 200602 本文链接 下载时间2010年3月5日