采煤机滚筒记忆程控液压调高系统的仿真.pdf

基金项目教育部科学技术研究重点资助项目206045 ;黑龙江省研究生创新科研基金资助项目 YJSCX2005 - 190HLJ 作者简介刘春生1961 - ,男,教授. E2mail Liu-chunsheng . 采煤机滚筒记忆程控液压调高系统的仿真 刘春生,荆 凯,万 丰 黑龙江科技学院 机械工程学院,黑龙江 哈尔滨 150027 摘要针对采煤机记忆程控滚筒调高的特征,对不等作用面积的液压缸,提出了一种新的模型处理方法,考虑采 煤机姿态和牵引速度等的影响,系统采用密采稀存的方式,实现滚筒位置高度的记忆再现控制.对某一调高液压 控制系统的模型,给出其原理仿真图,应用Matlab语言Simulink软件包进行相应的数字仿真,为系统设计和动 态特性分析奠定了基础. 关键词滚筒调高;模型仿真;动态特性 中图分类号 TD 42 ; TP 391. 9 文献标识码 A 文章编号 1672 - 5581200702 - 0142 - 05 Simulation of memory programmed hydraulic control system for height adjustment of shearer’s drum L IU Chun2sheng , JIN G Kai , WAN Feng Mechanical Engineering Institute ,Heilongjiang University of Science and Technology ,Harbin 150027 , China Abstract Based on properties of the memory programmed hydraulic control system for height adjustment of shearer’s drum , a novel model of unequal action areas in a hydraulic pressure cylinder is established. With re2 gard to the shearer’s patterns and traction speeds , a mode called‘dense excavation and sparse storage’is ap2 plied. Accordingly , the height of drum’s positions is used for memory recovery control. Furthermore , the mechanism simulation diagrams of hydraulic control system are attained. In this manner , the digital simula2 tion is conducted using Matlab SimulinkTM. Therefore , this approach paves a new venue for system design and dynamic property analysis. Key words drum lifting; model simulation ; dynamic property 采煤机滚筒自动调高技术是实现采煤机自动化的关键之一.在国内外30多年的探索研究工作中,相 继出现了20余种关于煤岩分界传感机理和系统的调高技术方法,但都尚未真正应用到实践中.近年来滚 筒调高方式集中在间接调高的方法研究上,如不依赖于煤岩分界传感器的方法 记忆截割程控方 法[1].本文针对采煤机滚筒记忆程控调高的特征,对不等作用面积的液压缸,提出了一种新的模型处理方 法,进而建立了采煤机滚筒记忆程控调高系统的数学模型,以MG200/ 500 - WD型采煤机为例,进行计算 机仿真研究. 1 采煤机记忆程控调高的系统模型 1. 1 采煤机调高系统原理 采煤机记忆程控调高系统原理图如图1所示,可采用角位移传感器 2 或在油缸内安装位移传感器 , 检 第5卷第2期 2007年4月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESEJOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY Vol. 5 No. 2 Apr. 2007 测滚筒位置高度和采煤机位置信息,经采样处理后成组存储,通过计算机综合采煤机工作姿态和牵引速度等 因素给出指令信号,通过调控电磁阀的通断状态,实现滚筒记忆程控调高.图1中I为其液压调高系统,采用 定量泵,电磁式换向阀4实现开关量控制.双液控单向阀用来锁紧液压缸的活塞,使滚筒在载荷作用下能长 时间保持固定位置.液压缸3中活塞杆的来回移动,使摇臂上下摆动,最终实现带动滚筒1的调控[2]. I -液压调高系统; 1 -滚筒; 2 -角位移传感器; 3 -液压缸; 4 -电磁式换向阀 图1 采煤机记忆程控调高系统原理 Fig. 1 Principle of shearer memory program control lifting system 采煤机记忆截割程控滚筒调高策略 方式有两类一类是以前一截割循环的采 煤机定点对应位置滚筒高度的参数采样, 作为有限几次通常不超过4～5次截割 循环仿形的基准参数,来实现滚筒记忆程 控调高.几次截割循环后,累计的记忆的 采煤机工作姿态用来作为基准截割循环 数据的修正.另一类是前一截割循环的采 煤机定点对应位置滚筒高度的参数采样, 作为本次截割循环滚筒记忆程控的控制 量,同时进行修正存储采样,以便于采煤 机在下一截割循环参照修正后的存储采 样信息运行,采煤机都是利用两次相邻截 割循环的前次修正存储采样后的参数去 控制后次记忆截割.前种方法降低了工人的劳动强度,减少了计算机的存储量和运算量,但缺点是同一截 割循环的数据,作为以后几个截割循环的工作参数,循环不宜过多,否则会引起跟随顶板变化的误差增大; 后种方法每次截割循环的误差都要做必要的人工修正,控制精度较高,但计算机存储量相对较大. 1. 2 采煤机记忆程控调高的液压系统的传递函数 在采煤机滚筒自动调高过程中,通过电磁换向阀液流方向的控制,实现液压缸活塞的直线往复运动, 再通过大小摇臂带动滚筒1上下摆动.假设调高油泵流量恒定,又因为液压调高系统响应比较慢,因此忽 略油液管道和双液控单向阀的压力损失和动态响应.将电磁换向阀看成一开关量,液压缸建模如下[3]. 液压缸两腔的流量连续方程为 Q1 A1 dx dt C1 p 1- p2 V1 βe dp1 dt 1 Q2 A2 dx dt C1 p 1- p2 - C2p2- V2 βe dp2 dt 2 式1 ,2中A1, A2分别为调高液压缸无杆腔、 有杆腔的有效作用面积,m2;x液压缸活塞的运动位移, m;C1, C2分别为单向阀、 控制阀和液压缸等的综合内泄露系数、 综合外泄露系数,m5N - 1 s - 1 ;p1, p2分 别为调高液压缸无杆腔、 有杆腔的压力,Pa ;V1, V分别为液压缸无杆腔、 有杆腔液体总体积,m3;βe为工 作液体的体积弹性模量,Pa. 因Q1≠Q2,为计算方便取流量连续方程 Q1 Q2 2 A2 A2 2 dx dt C1 p 1- p2 - C2p2 2 1 2βe V1 dp1 dt -V2 dp2 dt 3 液压缸的力平衡方程为 m d2x dt2 B dx dt Fz p1A1-p2A24 式中m为折算到液压缸活塞上的总质量,kg;B为液压缸活塞及负载等运动部件的粘性摩擦系数,Ns m - 1 ;Fz为作用于液压缸活塞上的外干扰力,N. 对于阀控液压缸系统,在建模中最关心的是液压缸固有频率为最小时的数学模型[4].对于不等作用截 面积的液压缸,其等效液压弹簧刚度为Khβe A 2 1 V1 A 2 2 V2 ,式中V1A1x1, V2A2 L -x1 , L 为液压 341 第2期刘春生,等采煤机滚筒记忆程控液压调高系统的仿真 缸总行程, x1为无杆腔行程.由此有 Khβe A1 x1 A2 L -x1 令d Kh dx1 0时,可求出液压弹簧刚度的最小值,此时V1 LA1A1 A1A2 , V2 LA2A2 A1A2 ,代入式 3 , 并将式3和式4进行拉氏变换得 Q1s Q2s 2 A1 A2 2 sX s C1 P 1 s - P2s - C2P2s 2 1 2βe LA1A1 A1A2 P1 s - LA2A2 A1A2 P2s P1s A1-P2 s A2 ms2X s BsX s Fz s 式中s为拉氏变换的复数变量; X , P1, P2, Fz分别是x , p1, p2, fz的拉氏变换象函数 . 令Q Q1 Q2 2 , A A1 A2 2 , A0 A1A2 2 , C2P2s 2 0 ,并对上式作如下处理 LA1A1 A1A2 P1 s - LA2A2 A1A2 P2s L A1A2 A 1 A1P1 s - A2A2P2s P1s A1-P2 s A2 1 A A A1P1 s -AA2P2s C1 P 1 s - P2s C1 AA AA P1 s - A A P2s 为计算方便,令A1A1P1 s-A2A2P2s A1A P1s-A2A P2 s AA P1s- AA P2 s . 当没有外干扰作用,即Fz s 0时,整理后得到液压缸的数学传递函数为 X s Q s 1 A s mL 4βeA0A s2 BL 4βeA0A mC1 A 2s 1 num s den s 1 s 5 式中nums为调高机构模型的分子项;den s为调高机构模型的分母项. 图2中,输入Hi x为第i次截割循环定点滚筒位置高度序列,作为第i 1次截割循环相同采样点 的滚筒位置高度的控制序列,记为Hi 1 x ; k1为控制器比例环节的增益; E为死区环节的死区量; k3为 液压缸活塞杆位移量与滚筒调高量的近似线性的比例系数, k1和E为用来调整采煤机滚筒调高时,两次 位置高度所允许的误差带,本文定为0.01 m; Q为电磁换向阀的模型具有滞环的继电非线性特性 , 当电 磁阀带电打开时,给定流量2.9410 - 4 m3.液压缸传递函数式5 , 代入数值后的具体形式为 50 9.410 - 4s- 2 2.010 - 4 1 1 s .液压缸的活塞杆位移量与滚筒调高量之间的关系是非线性的,但采煤 机实际截割工作时相邻两采样点间的调高量并不大,在一个采样间隔内,可以用大小摇臂长度之比来表示 二者关系,即为k2,本文近似计算,取值为4. 图2 控制系统仿真图 Fig. 2 Block plan of control system 441 中 国 工 程 机 械 学 报第5卷 以MG200/ 500 - WD型采煤机为例,相邻截割循环同一采样点滚筒调高量总会存在误差,考虑系统 的稳定和调控误差等因素,本文中两次位置高度所允许的误差范围为 0. 01 m.如图2所示,记忆程控利 用上一截割循环滚筒定点位置高度的采样信息 x k, Hi x k 作为下一截割循环滚筒对应高度再现的指令 控制量 x k, Hi 1 x k ,在理想状态下,Hi 1 xHi x [5]. 开关式换向阀简化成带有滞环的继电特性 模块,液压缸活塞位移量与滚筒调高量为非线性关系,但实际调高量并不太大,可以把二者都线性化为摆 角变化量的函数,简化后比值为k2. 2 系统仿真 电磁换向阀打开或关闭时间大约为0. 04 s ,对于采煤机滚筒程控调高这个滞后系统来说,可以忽略. 由于采煤机的牵引速度是变化的,而计算机是以时间作为采样周期的,调高控制则是以采煤机行走等距间 隔为周期的,因此本系统采用密采集稀存储的方法,实现记忆再现控制.不同循环采煤机的工作姿态是变 化的,加之调高机构及调控结果存在误差,滚筒相对顶、 底板的实际高度将会产生偏差,因此,需要判断、 预 测和修正,必要时可进行手动调节及智能程序修正[1]. 将各参数初始化,仿真中模拟的是电磁换向阀正向导通和关断二种状态,运行Matlab得到电磁阀开 合时间和滚筒高度跟踪曲线,分别如图3和图4所示,电磁换向阀的开通时间较短;滚筒跟踪情况较好,系 统稳态误差约为1 mm.图5和图6为局部放大开通瞬间和关断瞬间滚筒高度跟踪的情况. 图3 电磁阀开合时间 Fig. 3 Switch on and off time of Solenoid Valve 图4 滚筒高度跟踪曲线 Fig. 4 Drum altitude track curve 图5 电磁换向阀开通瞬间滚筒跟踪情况 Fig. 5 Drum tracking when the Solenoid Valve instant turn2on 图6 电磁换向阀关断瞬间滚筒跟踪情况 Fig. 6 Drum tracking when the solenoid valve instant turn2off 541 第2期刘春生,等采煤机滚筒记忆程控液压调高系统的仿真 3 结语 采煤机滚筒记忆程控系统采用的电磁开关式液压控制系统,可提供较大的力或扭矩来驱动负载.模型 仿真结果表明电磁换向阀的开通时间较短,大约在1. 7 s时关断,并且在一个采样间隔内仅打开和关断一 次,这就大大延长了使用寿命.采煤机滚筒调高系统是一个滞后系统,这就可以考虑在几个连续采样间隔 内,通过调整控制策略来实现滚筒调高,从而达到最优化控制;此外,还可以考虑在系统中加入模糊调节器 来智能控制滚筒的自动调高. 参考文献 [1] 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[J ].煤炭学报,20065 666 - 669. 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