采煤机滚筒调高模糊控制器的设计与仿真.pdf

分类号 UDC 密级 编号 工学硕士学位论文 高校教师 采煤机滚筒调高模糊控制器的 设计与仿真 硕士研究生 指导教师 学位级别 学科、专业 所在单位 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 蔡桂英 朴秀峰副教授 工学硕士 计算机应用技术 计算机科学与技术学院 2 0 0 8 年2 月2 5 日 2 0 0 8 年3 月5 日 哈尔滨工程大学 啥尔滨一I i 程大学硕士学位论文 摘要 实现采煤枧滚筒的自动调高，朗滚筒能够按照煤岩分界蓝线割煤，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 皂动化的重要环节，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英应 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；分绍 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，探讨了适应子 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 M A T L A B 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 M A T L A B 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，仿真结采说瞬设计的控制器熊够 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。 关键字滚筒调高；模襁控制A R M ；记忆程控 哈尔滨T 程人学硬七学位论文 A b s tr a c t R e g u l a t i n gh a r m o n i ca n de n a b l i n gt h ed r u m s t oc u tt h ec o a la c c o r d i n gt ot h e c o a lr o c kb o u n d a r yc u r v ea r et h e i m p o r t a n ts e g m e n tt o a c h i e v em i n i n g a u t o m a t i c a l l ya n do n eo ft h ek e y st or e d u c et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nh o m ea n d a b r o a d ，a n di ti sa l s oi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo f c o a l ，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 yo ft h e e 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 , i sg r e a t e rf a c i l i t a t i o n i nm e c h a n i c a l i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dc o a li n d u s t r yt om i n i n g ． An e ws y s t e mo fa u t o m a t i cl i f t i n go fs h e a r e rd r u n l sb a s e do nf u z z y c o n t r o l w h i c hi sa ne m b e d d e ds y s t e mi sd e s i g n e d ．A no v e r v i e wa b o u tt h ed e v e l o p i n g h i s t o r y , a n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eo fc o a la n dr o c k i n t e r f a c ei sd i s c u s s e d ．t h e nt h ep r i n c i p l eo fa u t o m a t i cl i f t i n go fs h e a r e rd r u m si s i l l u s t r a t e da n ds a m p l i n gc y c l e ，m e m o r yo fs a m p l i n gd a t at a k i n gk i t c h e nk n i f ei n c o o k e r yi nt a n g e n ta st h ee x a m p l ei sp r o v e d ．T h e nc o n t r o la l g o r i t h ma p p l i c a b l et o t h es y s t e mi sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ra n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e m ．A c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n go nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ef u z z yr u l e sa d a p t e d f o rl i f t i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt h r o u g he s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e s y s t e m ，j o i n i n gt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dM A T L A Bs o f t w a r e ．M A T L A Bi s u t i l i z e dt oc a r r yo ne m u l a t i o nt ot h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mt h a ti sd e s i g n e d ，t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tp e r f o r m a n c ei sg o o d ．A n dt h e nt h ec o n t r o ls y s t e mu n d e r d i f f e r e n tc o n t r o lc o n d i t i o n si se m u l a t e d ，t h er e s u l te x p l a i n st h a tt h ec o n t r o l l e r d e s i g n e dC a nr e s p o n dt ot h er e q u e s tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n , a n dt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ei sg o o da n ds t a t ep e r f o r m a n c ei ss t a b l e ．T h eh a r d w a r eo fs y s t e mi s d e s i g n e da n d ab r i e fd i s s e r t a t i o no f o p e r a t i n gs y s t e mi ss u p p l y i e df i n a l l y ． K e yw o r d s D r u ml i f t i n g ；f u z z yc o n t r o l ；A R M ；m e m o r yp r o g r a mc o n t r o l 哈尔滨T 程大学矮学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者 签字 日期硎孑年≯月西目 哈尔滨I 程大学硕十学侮论文 第1 章绪论 1 。1 采煤机滚筒调高的目的和意义 随着石油、天然气、核能等优质能源的不断发展，煤炭在总体能源消费 结构中比例呈下降趋势，但煤炭消费总量仍将处于缓慢上升趋势。并且，随 着科技进步和煤炭清洁化利用水平的不断提高，煤炭作为能源和化工原料的 应用将更加广泛，煤炭对经济社会的发展仍将起着重要的促进作用。采煤机 作为煤炭开采的主要工具，其自动化程度无疑严重制约着矿井生产效益。以 采煤机为中心的工作面自动化，主要包括采煤机运行状态参数的监测及以故 障诊断技术、自动调高技术、牵引舀动调节技术；刮板输送机推移和直线控 制技术；液压支架移步电液控制技术顺槽集中控制技术等一系列技术构成 的综合控制系统。现有采煤机在工作过程中，其工作装置一滚筒的高度仍由 操作工人靠视力观察及截割噪声来判断采煤帆滚筒是在割煤还是割岩，并以 之为依据操纵采煤机来调整滚筒位置，通过电磁阀推动油缸进行调节滚筒垂 直位置的运动。然而由于采煤机在工作过程中产生大量煤尘，使工作面能见 度很低，而且机器本身的噪声很大，操作工人实质上难以准确及时判断采煤 机的截割状态进而进行操作，因调节不当滚筒经常切入上下方岩石，由此带 来以下一系列问题f I - 4 1 1 1 加刷截齿的磨损和损坏，增加更换截齿和停机的次数，使生产效率 下降； 2 对离瓦斯矿井，切割岩石产生的火花极有可能引发瓦斯爆炸等恶性 事故 3 剧烈振动易引起顶岩大面积崩塌，危及设备和人身安全； 4 切割岩石产生的粉尘影响操作人员视线，有损身体健康； 5 大量崩落的顶岩混入原煤中，造成原煤质量下降。 解决这些问题的办法就是如何使采煤机自动适应煤层起伏变化而调整采 煤机滚筒高度，保证滚筒不切割顶底板岩石并满足移架推移、维护等要求。 哈尔滨T 程犬学磺七学位论文 I mI I I I 凡十年来国内外在此领域都集中入力、物力和财力，做了大量有意义的探索 研究工作。 冒谪国内的采煤机主要生产企业，如鸡疆煤矿机械制造有限公司、上海 煤科院天地有限公司、太原矿出机械厂、西安煤矿机械厂等，与国外先进采 煤机研发、制造企业相比p 】燃，仪就滚筒鲁动调高丽畜，尚存在较大差距。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，纷纷欲将重点放在基于记忆智能控制滚筒改动调高技术方面，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。因面，开发研制具 有智能程控的采煤机滚筒自动调高系统，使采煤机滚筒能够预测并融动跟踪 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 ．2 采煤机滚筒调高技术的发展概况及应用情况 实现采煤机滚筒自动调高不仅是实现采煤工作面生产过程囊动化的重要 环节，而且对延长机器寿命、提高设备可靠性、保障工人安全、提离煤炭生 产质量具有重要意义，薅旦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。 f 12 0 世纪6 0 年代以来，国内外的一些煤炭院校和研究机构就采煤机滚筒 自动调高技术[ T i l e ] ，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，从获取煤岩分界信息的原理可将自动调高方法分为两类，一类是直接方 法通过传感器直接与煤岩介质相互作用获取煤岩分界信息；另一类是间接 方法通过检测采煤机的机构或系统的工作参数和信息来判断煤岩分界。 { ．2 ．{ 煤岩分界的直接方法 1 ．天然y 射线煤岩分界系统 这种方法【4 】【。】的核心是用碘化钠等晶体制成的7 射线探测器。探测器的功 能是将天然顶底板放射的Y 射线接收并转换成电信号，7 射线探测器接收丫 射线的强度与探测器和顶底板的距离、顶底板预留煤皮厚度有关，利用此原 理可实现煤岩分界识别。最早在2 0 世纪8 0 年代初取得突破的英国采矿研究 院 M R D E 根据利用煤岩天然Y 射线差异原理而研制的7 0 0 0 一M I D A S 系统， 2 堕玺选工毽盔 堡主堂堡鲨塞 ■■■■■■●■●■■■删I I I I I ■■●■■■■■■■■■■■■■■●■■■●●●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■■●■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■■■●■■●●■■■■■●■■■■■■■一 在英国已应用于数 台采煤机上。但这种系统只适用予煤层黏顶能窝 l O O m m ～1 5 0 m m 煤皮条件的工作面，且丢掉一些采高，这样降低了采出率， 在英国以外的国家未能推广。2 0 世纪8 0 年代后期我国进行了该方法的实验 研究，取得了令人满意的阶段成果，于1 9 9 1 年通过阶段成果的技术鉴定。德 这种方法由于探测器的实用褴等原因，未能取得突破性进展。 2 。同位素传感技术煤岩分冥 根据放射线同位素康普顿效应的原理[ 7 1 1 8 1 8 0 1 ，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往各个方向散射，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。因此，根据煤和岩石的密度不同 一般 是1 ．3 2 ．1 来识别煤和岩石。煤的厚度增加时，入射的了光子与煤的电子碰 撞后损失的能量就减少，散射的7 光子的强度按煤皮厚度成比例地增加，根据 给定强度就可控制煤皮的一定厚度。放射源～般用同位素镅2 4 1 或铯1 3 7 来放 射丫射线，丫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芷毖，并产生与煤岩分布情况成比例的尖形脉J } 孛信号， 经过脉冲整形后为矩形脉冲，再经放大器进入积分器，将脉冲信号变成与脉 冲成线性比例的直流电压信号，再经放大使继电器动作，控制调高系统的电 磁阀动作进行自动调高。西德毯e 孙。霞公司曾研制出同位素煤岩分界传感器， 在英国、题德、波兰和篱苏联进行过试验，但以蔟未能缛以推广使用。 3 。用天线互阻抗技术进行煤岩分界识别 雷达探测煤岩分界识别㈣s 】【l o 】被认为是很有应用前景的一项技术，最初的 研究主要集中在视频脉冲、脉冲多普勒和调频波技术在煤岩分界识别方面的 应用。由于这几项技术分辨率低，并需预先溯得煤的介电常数，为此，提潞 了用合成多普勒技术进行煤岩分界的识别。合成多普勒雷达在进行识别时考 虑了煤的介电常数，把煤的介电常数作为未知参数处理，但实际的空间电磁 场还受煤的导电率和岩石的介电常数影响。在2 0 世纪9 0 年代国内提出了用天 线互阻抗技术进行煤岩分界识别的传感机理，霹用天线互阻抗法综合考虑7 煤的介电常数、导电率以及顶岩分电常数的影响，相比之下更接近实际工况。 除了上述煤岩分界系统外，世界各国研究、实验的还有煤层界面红外线 探测法、测力截齿煤岩分界传感器、用弹性振动的方法监控煤岩分界等等。 气 哙尔滨工程大学硕士学位论文 各种方法试验的都有一定效果，但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，所以在实际中的应用并不理想。 1 ．2 ．2 煤岩分界的间接方法 1 ．记忆程控煤岩分界识别 该系统煳，艄是一种基予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，通过计算机的记 忆储存及自动控制实现采煤机滚筒的自动调高。国内虽早在2 0 世纪8 0 年代 初就记忆截割技术进行了研究工作，由于技术等原因，一直未能应用到实际 中。西德在2 0 世纪8 0 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皇动调高系统。该系统是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的一种间接的滚筒调离方法，如美国J O Y 公 司的7 L S 6 型、德圜E i c k h o f f 公司的S L 5 0 0 型和D B T 公司数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。 从现有的实际应用情况来看，基于记忆程控煤岩分界识别及其控制系统， 在性能参数、自动化技术上均处于世界领先水平，但是在一般情况下，特别 是遇到较复杂的地质条件，仍然需要人工进行采煤机滚筒调高，以便修正原 有记忆截割数据。 2 ．基于截割力分析的煤岩分界辨识 基于截割力响应的方法[ t i t s ] ，是利用煤与岩石的力学特性的不同，进行煤 岩界面的识别。其理论方法是应用最小二乘原理对采煤机截割力信号的离 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， 利用该模型可以对采煤机在观测周期中的截割状态做出判断。豳于采煤机的 截割负载状念十分复杂，有一定程度的不确定性，为此，应用模糊集理论判 别截割状态，实现煤岩分界的在线辨识，通过软件实现基于模糊集理论的煤 岩分界在线辨识及滚筒高度实时控制。另终，将煤岩分界辨识和记忆程序控 制结合在一起的采煤机滚筒高度自动控制系统，采煤机按记忆程序自动跟踪 前～刀运行，同时识别本次截割的煤岩分界，修正滚筒高度和记忆程序，作 为下一刀滚筒垂直高度的参考。该方法无论是在国内还是雷外部有较广泛的 4 坠堡鎏二堡奎堂堡堂熊鲨塞 - _I I I I ■■■●■●■■■●■●■●■■■●■■■■■■■●■■■■■■■■■■■●■■●●■■■■■■■●■●■■■●■■●■■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■■●■■■■■■■■●■■■■■■■■●●■●■■■■●■■■■●■■■■●■■■■■■■■■■■■■■■I 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。 但该方法医慕的研究的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园的，因此，不能给出 煤岩界面位置的定量信息。如果割煤则根本不可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怠不够明确。 除了上述介绍的几种间接煤岩分界方法外，雷玉勇提出了基于液压系统 压力的闭环控制系统∞】，这种方法的原理在予截割状态昀不同造成调高油缸 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 可实现调高系统闭环控制。囱于摇臂的位置不同，虽然有相同的截割力，但 由于力臂不同，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；另外还有樊淑珍提出的基于模式识别的采煤机滚筒自动调高系统1 1 4 】。 总之，在长达几十年的煤岩分界技术研究中，各种方法都有一定的应用 效果，由于采煤机囱动调高的复杂性，又都很难及时准确地判断煤岩分界。 近年来由于微机能力不断提高，多数专家倾向于采用多种传感器取得多参量 信号，利用微机软件综合对比信息处理，然后采用模糊控制、神经网络等智 能控制来实现采煤桃的童动调高。 1 ．3 模糊控制技术的发展和应用情况 人类的智能是兼有精确和模糊的双重特征的，在数值计算上，人的思维 是表征为精确性的；但对事务的学习、推理和统筹方面，人的思维就表征为 模糊性。事实上，人们在日常生活中以模糊性处理事务的时间居多，而以精 确性进行计算的机会居少。 模糊控制就是建立在人类思维的模糊性的基础上的，它与传统控制有着 本质的区别，它不象经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不 象现代控制理论那样需要矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是它用具有 模糊性的语言条件语句作为控制规则去执行控制，这星的控制规则往往是由 对被控对象十分熟悉的专业入员给出的，所以模糊控制从本质上来说是一种 专家控制，这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。 自美匿加利福尼亚大学著名教授L ．A ．Z “e h1 9 6 5 在他的 F u z z yS e t s 、 5 嗡尔滨l 穗大学硕士学织论文 F u z z y A l g o r i t h m 和A R e t i o n n a l ef o rF u z z yC o n t r 0 1 中提出模糊数学和模 糊控制的概念以来，模糊控制理论有了快速的发展。模糊控制技术的发展经 历了如下几个阶段 第一阶段从1 9 6 5 “ - - 1 9 7 4 年是模糊数学发展与成形的阶段。1 9 6 8 年Z a d e h 首次公开发表了“模糊算法’’，1 9 7 2 年2 月，日本以东京工业大学为中心， 发起成立“模糊系统研究会’’，1 9 7 3 年又公开使用“模糊工程’’～词，发表 语言与模糊逻辑褶结合的系统建立方法。 第二阶段大约从1 9 7 4 “ - - 1 9 7 9 年是简单模糊控制器产生的阶段。1 9 7 4 年 伦敦大学E 。H 。M a m d a n i 教授酋先利用模糊控制语句组的模糊器应用予锅炉与 汽轮机的运行控制，并在实验室试验中获得成功。1 9 7 5 年英国的P ．J ．硒n g 和 E ．H ．M a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应炉搅拌池的温度控制中，1 9 7 7 年丹麦学者J ．J ．O s t e r g a a d e 采用模糊控制器对2 输入2 输出的热交换过程进行 控制，首次将模糊控制应用于多变量控制系统中。1 9 7 7 年C ．P ．P a p p i s 等对十 字路叠的交通枢纽指挥系统采用了模糊控制。但英自适应能力和鲁棒性有限， 稳定性也不够理想。 第三阶段从1 9 7 9 年“ - - 1 9 8 5 是发展智熊能模糊控制器的阶段。1 9 7 9 年英 国I ．J ．P r o c y k 和E ．H ．M a m d a n i 研究了～种自组织模糊控制器，能在控制过程 中不断修改和调整控制规则，使控制系统更加完善。1 9 8 0 年丹麦E L 。S M D T H 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制最早被就用于水泥窑生产过程控制。 1 9 8 2 年大阪水泥窑生产自动也成功地应用了模糊。1 9 8 3 年日本学者M ．S u g e n o 等将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度自动控翱，并 取得成功。 第嚣阶段1 9 8 5 年至今是模糊控制实用化阶段。特别反映在 1 过去大型机械设备和生产过程作为对象，而目前以电视摄像机自动 聚焦等家用电器产晶面向大众的应爝为对象； 2 向复杂、智能、人类和社会以及自然系统等方面扩展； 3 向控制芯片的专用性和通用性发展。 今天，模糊控制技术已经应用已经相当广泛，在模糊控制技术的应用开 发上，日本起步较早并率先推出商品，而且逐渐成为这项技术的主导圜家。 在模糊技术的应用研究方面日本己走在世界的前列。 6 哈尔滨l 程大学硕士学缱论文 I I I 1 9 7 2 年日本成立了模糊系统研究基金会【1 5 】，接着在1 9 8 9 年创建了囡际 模糊工程研究所 L I E E ，并且在这一年有关模糊技术的产晶年产值就达1 0 亿日元，其中真正以模糊技术为核心的产品占l 亿日元。据不完全统计，1 9 9 1 年日本模糊控制产品就占全球市场的8 0 ％左右，在世界遥遥领先。日本将模 糊控制技术作为跨世纪的热点技术，几乎每天都有新的模糊控制产品闻世。 德国政府对模糊控制技术的开发应用也极为重视，并已投入8 亿美元进 行模糊逻辑及相关技术的研究。由于德国本身所拥有的先进工业技术和科研 条件，因此在模糊控制技术的硬件方面，也已毫不费力地走在了世界的前列。 I n f o r m 公司是其主要研究单缀之一。第三代模糊微处理器F 犯巧一1 6 6 芯片就 是由I n f o r m 公司和S i e m e n s 公司联合研制的。 在上世纪末美囡在模糊逻辑控制的产品开发上有较大发展，特别是在模 糊神经元器件的开发应用上占主导地位。 我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从1 9 7 9 年开始的。1 9 8 0 年成立了中国模糊数学与模糊系统学会，1 9 8 1 年创刊模糊数学杂志，1 9 8 7 年创办了模糊系统与数学刊物。我国已成为模糊数学研究的四大力量之 一 美雹、欧洲、西本和中囡 。 我国在模糊控制的研究和开发取得了很大成果，1 9 8 2 龙升照和汪培庄提 出用解析法攒述模糊规则的露调整方法，为翻适应模糊控制研究提供了新的 途径；1 9 8 6 年李东辉提出的模糊规则自调整和模糊系统自寻优方法，对自适 应模糊控制器的设计提供了～定实用价值；1 9 9 7 年王寅针对一类非线性动态 过程提出的基于模糊型的非线性内模控制算法，可以对菲线性系统实现有效 控制；1 9 9 5 年张毅等人提出一种不依赖于对象数学模型，利用遗传算法对模 糊控制器参数寻优，来获得一个具有一定性熊指标的次优或最优模糊控制器 的计设，并应用于多变量控制系统中；2 0 0 1 年由赵明沽等人针对一类常见的 菲线性系统，基予P o p o v 超稳定性理论，提出～种模糊自适应控制器设计方 案，对模糊控制系统的稳定性能有了进一步提高。 我国在通用模糊控制系统的开发方面做了大量工作。通用性模糊控制与 传统的控制相比，具有实时性好、超调量小、抗干扰力强、稳态误差小、自 动化程度高等优点。它集经典控制与经验控制于一体，应用范围更大，尤其 对经典手段难以控制的对象或只能靠有经验的操作人员才能控制的对象更为 7 堕垒 鎏三矍杰翌堡主堂丝鲨塞 _ I ] l l l l l l li l l l li l l l l l l l l lI I ■■■_ 适用。它通用性较强，可用于温度控制、压力控制、速度控制、湿度控制等， 特别是工业过程和家用电器的控制。在此基础上，国内还开发了具有多输入、 多输出，可用于复杂系统的智能模糊控制器，这些都反映了我因在这方面的 开发应用状况。 1 ．4 本文的组织安排 本文共分五章。 第1 章介绍本课题的立题背景、研究目标及意义，简要概述国内外的研 究现状，论述与本课题有关的技术发袭状况，并给出本文酶组织安排。 第2 章主要介绍了采煤机滚筒调高记忆程控的原理，系统的采样周期、 采样数据的存储形式，确定了采煤机空间运动学模型。 第3 章介绍了模糊控制的基本理论和方法，确定了采用模糊控制的理论 对采煤机滚筒调高液压系统进行控制的方法，通过选择滚篱高度差和高度差 的变化作为模糊控制器的输入输出语言变量，运用模糊理论把这些物理量从 物理精确论域转换到语言模糊论域，并确立了模糊控制器输入输出语言变量 的值和隶属函数，经过模糊推理得到模糊控制器的控制规则表，达到对采煤 机滚筒调高液压系统进行控制的目的。 第4 章根据采煤视滚滚筒调高控制所涉及的数据采集，存储及控制设计 了系统硬件平台，并对各个模块设计给出了具体说明，包括系统存储器、J T A G 接口、R S 2 3 2 接嚣、显示屏和触摸屏，最后简单介绍了本系统所采用的操作 系统。 第5 章利用M a t l a b 下的S i m u li n k 的模糊控制模块和其他模块，对设计 的模糊控制器进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。同时还与常规的控制 器的仿真结果进行比较，结果表明模糊控制器适合本系统，且性能良好。同 时，还就采煤祝的不同调控条件下采用不同的控制策鼹进行了仿真，结渠表 明模糊控制器具有很强的适应性，能够满足不同调控条件下的控制要求。 8 哈尔滨T 程人学硕 学能论文 第2 章采煤机滚筒调高的记忆程控 双滚篱采煤枫在其工作过程中为适应顶底板的变纯，帮地下蕴藏的煤层 上下与岩石层的结合面，它的工作机构滚筒必需做出相应的适应性调整，即 滚篱调高。滚篱调嵩记忆程控的研究有别于其它应用予滚筒调蒿的控制系统 对于煤岩分界的识别方式，如同位索传感技术煤岩分界、天线互阻抗等直 接的煤岩识别方法，滚筒调离记忆程控的研究中应用的煤岩分界方法属于间 接的煤岩识别方法，是根据煤岩层走向变化相对比较缓慢，同时利用各种传 感器采集到采煤机的行程位置、工作状态等信息，并将它们存储在微机中， 作为下一截割循环时调焉的绘定参数。滚篱调高记忆程控的研究中，主要涉 及的问题包括采煤机采样周期的确定、各种参数的采集、记忆以及误差的补 偿等。 2 ．1 采煤机滚筒调高液压系统的工作原理 矿井下环境比较恶劣，湿度比较大，再加上有甲烷等易燃气体，同时由 予调高机构的负载大，要求反应灵敏，所以采煤枧的调高机构采用液压传动 系统。液压传动具有以下特点 1 在要求的持续工作时间内有足够的功率输出，即能满足力矩 或推 力 与转速 或速度 的要求； 2 具有良好的动态特性，在大惯性的载荷下需要有必要的稳定性与快 速性能； 3 对外界环境的影响 如冲击、振动、加速度、过载及高低温等 不 敏感，有较大的负载廷l 度，对反操纵状态的抑制能力强； 4 重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、使用方便、维护容易、生产 周期短、成本低等。 液压与电气伺服控制系统相比，最突出的优点是体积小、重量轻、惯性 小，而产生的力或力矩可以相当大。而且液压伺服控制系统解决散热问题方 便，同时液压油能兼起润滑油的作用。因此，采煤机的滚筒调高控制系统比 9 睽尔滨[ 器大学硬士学位论文 较适合采用液压系统。 采媒帆滚篱调离液压控制系统主要壹液压泵、电磁换囊阀、液压甄和一 些辅助液压元件组成，其中液压泵采用的是慨量泵，管道对流体的阻碍作用 很小，可以忽略不计，因此从液压泵到电磁阀的管道中液体的流量是恒定的。 在本系统中起控制稼用的主要是电磁换两阀，下面介绍整个液压系统的工俸 原理。 为了适应煤层厚度薛变化，在煤层高度蕊隧蠹上下调整滚筒称为调离。 调高分为摇臂调高和截割部调高，遮两种调高方式都是利用调商液压缸来实 现鳇，纛且调高液压系统组成是褶同的。戳鸡巍煤魏厂生产静M G 2 0 0 ／5 0 0 ．W D 型采煤机为例介绍采煤机的液压调高系统，它是采用摇臂调高方式，其液压 系统的组成如图2 。l 所示。 黧2 。{ 滚舔调莲嚣￡鞠原理鹜 根据检测的采煤机移动位置及滚筒位置高度信息，计算机通过综合采煤 枧工作姿态霸牵引速度等嚣素给出指令售号，遭过调控电磁换向阑3 韵通断 状态，实现滚筒记忆程控调高。液压调高机构工作原理 1 6 ，如图2 ．1 所示。谎 嵩泵采用定量泵，通过控制电磁阙的通断时间控制液压缸2 中活塞杆的枣缩， 使摇臂上下摆动，最终带动滚筒l 实现位置高度调整。双液控单向阖翊来锬 紧液压缸的活塞，不致因泄露而下降，从而可以使滚筒在载荷作用下能长时 间傈持固定位置。 1 0 飧尔滨F 程大学硕士学缀论文 ；；黼笛；；；；；；黧i 茹i i i i i i i i i 茹i i ；；；；；；搽筝；；；；；；茹茹；；；；；；；黼 ；；；；；；黼；；；；；；；蒜篇 ；；；；；警茹 ；； 2 ．2 记忆程控的原理 采煤机滚筒调高技术是实现采煤自动化的关键技术之一，煤岩分界的识 别技术又是实现滚筒调高的基础，近几十年来国内外投入了大量的人力物力 进行这方面的研究，记忆程控截割是近年来圜内矫出现了一种实用有效的技 术方法。记忆程控自动调高基本原理⋯】【1 2 l I ，7 】是由司机操纵采煤机沿工作面煤层 高低超伏条件先割一刀，控制系统将行程位置等信息存入计算机，以怎的截 割高度均E 1 1 计算机根据存储器记忆的工作参数自动控制滚筒调商。若有煤层 条件发生变化，则豳司机手动操作割煤 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，具体其工作原理如图 2 ．2 所示。 采煤机的截深嚣一般为6 0 0 m m ～8 0 0 m m ，相邻截割循环之闯煤层的变化 不会太大。记忆程控的目的是使采煤机在第．，次截割循环重现第．，- 1 次的截割 状态。郎 H J ，f H 州 2 - 1 其中阀，l ，2 ，3 ，4 表示截割循环次数；i 是本次截割循环的采样点的个数。 图2 ．2 记忆程控原璎示戆图 当采煤机在纵向出现飘地、啃地或在工作面方向有倾角时，使得采煤机 第，次和第产j 次相对应的采煤枫的姿态发生变化，此时就要对基准滚筒嵩度 参数进行修正，得到下面的公式 H ，，f H j 。，{ △日倾△H 仰 2 _ 2 其中么置旋由于采煤孝凡纵向倾斜引起的高度变化，么露蔗采煤祝沿工作 面方向倾角变化而引起的高度变化。 当煤层起伏比较大或出现断层时，如蜜2 ．2 所示。即在第歹次截割循环第 除尔滨丁程大学硬士掌髓论文 i x O x 2 ‰ 2 6 由式 2 ．4 、 2 ．5 、 2 ．6 得采样间隔 ’A x 血也 2 ．7 2 若L 1 5 0 m ，n 1 5 ，‰船 ／C／ v ．／久 毫 ；历 B K司 A