本文關(guān)鍵詞：電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)離散時(shí)間控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：采煤機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,其工作的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)確保采煤作業(yè)正常進(jìn)行有重大影響。目前,國(guó)內(nèi)外的采煤機(jī)以電牽引采煤機(jī)為主流,牽引系統(tǒng)主要有交流變頻調(diào)速、開關(guān)磁阻調(diào)速、電磁調(diào)速三種牽引電機(jī)調(diào)速技術(shù)。交流變頻調(diào)速具有啟動(dòng)性能好、調(diào)速精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但在應(yīng)用于采煤機(jī)牽引時(shí)需配套變壓器,系統(tǒng)體積大、操作復(fù)雜。開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)化效率高、控制電路簡(jiǎn)單,但電機(jī)控制需要位置傳感器,且其運(yùn)行噪聲較大。電磁調(diào)速系統(tǒng)作為采煤機(jī)的牽引控制系統(tǒng),采用滑差離合器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,具有體積小、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠、可變轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn),相對(duì)于其他的牽引調(diào)速方式,電磁調(diào)速采煤機(jī)具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì),是采煤機(jī)設(shè)備發(fā)展的新方向。目前國(guó)內(nèi)的采煤機(jī)廠家多采用高可靠性的工控機(jī)和PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制,PLC的功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且擴(kuò)展性不強(qiáng),工控機(jī)軟件操作系統(tǒng)與PC機(jī)相同,不能根據(jù)采煤機(jī)的控制特點(diǎn)和要求進(jìn)行優(yōu)化。采煤機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)采用的變頻器也多以國(guó)外進(jìn)口變頻器和專用軟件為主。電磁調(diào)速采煤機(jī)作為采煤機(jī)的一種主要類型,電控系統(tǒng)一直以PLC控制為主,在人機(jī)界面和通訊功能方面亟待提高。本文提出采用嵌入式系統(tǒng)代替現(xiàn)有采煤機(jī)控制系統(tǒng)中的工控機(jī)和PLC,采用電磁調(diào)速電機(jī)取代開關(guān)磁阻電機(jī)和變頻調(diào)速配套的隔爆異步電機(jī),以達(dá)到降低采煤機(jī)系統(tǒng)價(jià)格、提高運(yùn)行性能、保證采煤作業(yè)安全可靠的工作要求。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),本文研究了電磁調(diào)速采煤機(jī)的連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型,確定了雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)數(shù)字PID控制器,采用繼電反饋理論整定運(yùn)行參數(shù),引入分?jǐn)?shù)階控制理論,采用加權(quán)比離散算子設(shè)計(jì)了分?jǐn)?shù)階數(shù)字控制器,采用電磁調(diào)速采煤機(jī)的速度預(yù)測(cè)規(guī)劃方法,增強(qiáng)了牽引調(diào)速系統(tǒng)的適應(yīng)性,最后以嵌入式軟硬件實(shí)現(xiàn)電磁調(diào)速采煤機(jī)的整體電控系統(tǒng)。本文緒論章節(jié)指出作為煤礦生產(chǎn)必備設(shè)備的采煤機(jī),深入開展對(duì)其電控系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究具有深遠(yuǎn)的意義。通過(guò)對(duì)比三種牽引調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),以電磁調(diào)速電機(jī)為研究對(duì)象對(duì)其牽引控制技術(shù)進(jìn)行深入研究。在電牽引采煤機(jī)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)研究中,介紹了國(guó)內(nèi)外近二十年電牽引采煤機(jī)的發(fā)展情況。目前,國(guó)外采煤機(jī)的電控技術(shù)均為專用系統(tǒng),各有特色且理念領(lǐng)先,而國(guó)內(nèi)的電控系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展后,以工控機(jī)和PLC控制的系統(tǒng)為主,智能控制系統(tǒng)發(fā)展較為緩慢。在嵌入式應(yīng)用采煤機(jī)方面,國(guó)內(nèi)近年陸續(xù)發(fā)表了多篇論文,應(yīng)用的控制器以DSP和ARM為主流,完成的功能一般為系統(tǒng)的輔助功能,如報(bào)警、通訊、診斷、存儲(chǔ)等,而作為系統(tǒng)的主單元執(zhí)行采煤機(jī)的牽引或截割功能的嵌入式系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有應(yīng)用。針對(duì)此研究現(xiàn)狀,本文提出了具體的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容,并制定了研究執(zhí)行路線。在本文的第二章首先分析了電磁交流調(diào)速電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu),對(duì)電磁調(diào)速采煤機(jī)的自然機(jī)械特性進(jìn)行深入分析,通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)自然特性曲線進(jìn)行建模并做出人工調(diào)整,以此為出發(fā)點(diǎn),展開對(duì)電磁調(diào)速采煤機(jī)控制模型的深入研究。電磁調(diào)速采煤機(jī)在牽引工作時(shí),其拖動(dòng)的負(fù)載為多種特性的復(fù)合,電磁調(diào)速電機(jī)作為牽引電機(jī)用變轉(zhuǎn)矩的方式可較好的適應(yīng)采煤牽引特性,通過(guò)合理的算法控制,電磁調(diào)速采煤機(jī)的牽引可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的運(yùn)行。為使其能適應(yīng)采煤機(jī)應(yīng)用,對(duì)其控制方法進(jìn)行改進(jìn),采用速度閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)可達(dá)到較好效果。礦井下工作面供電環(huán)境較差,電網(wǎng)電壓經(jīng)常會(huì)發(fā)生波動(dòng),造成電機(jī)電樞的工作電流發(fā)生變化從而引起調(diào)速性能的惡化,解決此問(wèn)題的方法是引入電流控制內(nèi)環(huán),當(dāng)出現(xiàn)電流擾動(dòng)時(shí),在其對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響前迅速抑制,以保持負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。在自動(dòng)化和工控領(lǐng)域,數(shù)字控制器以其速度快、精度高、強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力等優(yōu)勢(shì)逐步代替模擬器件控制器,其控制規(guī)律是以離散采樣理論為基礎(chǔ)的近似控制,為使電磁調(diào)速采煤機(jī)更好的適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)控制,本文第三章以電磁調(diào)速連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),建立離散時(shí)間的數(shù)字控制器并對(duì)其控制性能進(jìn)行分析�；陔x散控制系統(tǒng)的理論,對(duì)速度環(huán)和電流環(huán)均采用pi控制,構(gòu)建了電磁調(diào)速采煤機(jī)的雙閉環(huán)離散控制器,通過(guò)仿真試驗(yàn)與連續(xù)模擬控制器進(jìn)行了性能對(duì)比分析。電磁調(diào)速采煤機(jī)的牽引電機(jī)采用雙閉環(huán)控制器提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,但在實(shí)際工程的應(yīng)用中,由于電機(jī)個(gè)體的差異及運(yùn)行時(shí)電機(jī)參數(shù)隨溫度、環(huán)境、時(shí)間會(huì)發(fā)生漂移,其模型結(jié)構(gòu)參數(shù)需進(jìn)行及時(shí)調(diào)整才能保持始終處于最優(yōu)狀態(tài)。工程中常用的整定方法有z-n臨界比例度法和繼電反饋測(cè)試法,臨界比例度法是通過(guò)外加信號(hào)產(chǎn)生振蕩確定控制對(duì)象的臨界增益和臨界周期,再用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算系統(tǒng)的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù),但其過(guò)程需要人工反復(fù)調(diào)節(jié)比例和積分環(huán)節(jié)。本文提出采用繼電反饋方法辨識(shí)電磁調(diào)速采煤機(jī)的參數(shù),在系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點(diǎn)附近引入繼電測(cè)試,在閉環(huán)的運(yùn)行過(guò)程中完成檢測(cè)而不影響采煤機(jī)正常的工作過(guò)程,采用高精度的a/d采集技術(shù)可提高振蕩幅度的識(shí)別范圍,測(cè)試時(shí)間較短且系統(tǒng)不需斷電重啟,有利于自適應(yīng)參數(shù)采煤機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)更新運(yùn)行。對(duì)電磁調(diào)速采煤機(jī)雙閉環(huán)建立串級(jí)繼電反饋整定結(jié)構(gòu),確定其測(cè)試過(guò)程,推導(dǎo)電磁調(diào)速采煤機(jī)臨界增益和臨界周期的數(shù)學(xué)公式,通過(guò)仿真驗(yàn)證繼電反饋參數(shù)的整定效果。繼電反饋測(cè)試須在取得被測(cè)對(duì)象穩(wěn)定振蕩周期后才能準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)參數(shù),測(cè)試時(shí)間由被測(cè)對(duì)象的穩(wěn)定性決定。為縮短測(cè)試時(shí)間,提出采用偏置繼電反饋測(cè)試計(jì)算偏置滯環(huán)的響應(yīng)時(shí)間,最快經(jīng)過(guò)兩次測(cè)試可得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),提高了電磁調(diào)速采煤機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)速度。在研究常規(guī)離散數(shù)字pid雙閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上,引入分?jǐn)?shù)階微積分理論,對(duì)內(nèi)外環(huán)pid的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,使其更適應(yīng)電磁調(diào)速采煤機(jī)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電磁調(diào)速采煤機(jī)的控制特性,電流環(huán)采用常規(guī)的數(shù)字離散pi控制器,速度環(huán)采用分?jǐn)?shù)階pi控制器,通過(guò)截止頻率和相位裕度,得到了分?jǐn)?shù)階pi控制器的階數(shù),采用加權(quán)比的離散化算子,得到了電磁調(diào)速采煤機(jī)的分?jǐn)?shù)階pi控制器,通過(guò)仿真試驗(yàn)表明,電磁調(diào)速采煤機(jī)分?jǐn)?shù)階pi控制器比常規(guī)離散數(shù)字pid控制器具有更好響應(yīng)性能和跟蹤性能。受電磁噪聲等因素的影響,在電磁調(diào)速采煤機(jī)的雙閉環(huán)離散系統(tǒng)中,采煤機(jī)的牽引速度在閉環(huán)的調(diào)節(jié)周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生瞬間的微小變化,這些速度的抖動(dòng)會(huì)帶來(lái)采煤機(jī)的機(jī)械沖擊和磨損,也對(duì)采煤機(jī)的機(jī)載設(shè)備的穩(wěn)定性有一定影響。針對(duì)此問(wèn)題,可在采樣周期內(nèi)對(duì)控制速度信號(hào)進(jìn)行插補(bǔ)預(yù)測(cè)和規(guī)劃。最小二乘理論分析其存儲(chǔ)的一定長(zhǎng)度數(shù)據(jù),用最小協(xié)方差衡量擬合系數(shù)的變化,通過(guò)數(shù)據(jù)的仿真試驗(yàn)表明,在提高線性階次的情況下,最小二乘法可在一定程度上預(yù)測(cè)速度,但由于沒(méi)有考慮噪聲的變化規(guī)律,預(yù)測(cè)失真度很大。維納濾波將已知數(shù)據(jù)視為真實(shí)信號(hào)和噪聲兩部分,建立觀測(cè)方程矩陣求解當(dāng)前數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù),用噪聲自相關(guān)矩陣分解歷史數(shù)據(jù),從而得到預(yù)測(cè)速度。經(jīng)仿真證明,維納濾波對(duì)噪聲和主信號(hào)都進(jìn)行了復(fù)原和預(yù)測(cè),但其跟蹤精度不高。常增益α-β預(yù)測(cè)在一定的周期數(shù)量?jī)?nèi)預(yù)測(cè)目標(biāo)位置和速度,根據(jù)對(duì)象特性選用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和噪聲分布矩陣,根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)外推預(yù)測(cè)。仿真試驗(yàn)證明,電磁調(diào)速采煤機(jī)應(yīng)用常增益α-β預(yù)測(cè)的效果很差,原因在于在高速采樣時(shí)無(wú)法將電磁調(diào)速采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)視為勻速�？柭鼮V波預(yù)測(cè)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和增益矩陣都視作變量,并通過(guò)預(yù)測(cè)值和真實(shí)值的權(quán)重比較實(shí)現(xiàn)最小方差的線性回歸,仿真試驗(yàn)證明卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)了速度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和跟蹤。電磁調(diào)速采煤機(jī)的速度規(guī)劃分別采用t形曲線、s曲線和正余弦s曲線,并分別對(duì)其速度變化規(guī)律進(jìn)行推導(dǎo),通過(guò)仿真試驗(yàn)和帶載試驗(yàn)證明,正余弦s曲線的加速度控制和速度控制對(duì)減少振動(dòng)十分有利。在電磁調(diào)速采煤機(jī)電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面,其主要部分包括通訊管理主機(jī)、數(shù)字量擴(kuò)展、模擬量擴(kuò)展和無(wú)線通訊。以arm9內(nèi)核的at91sam9260為處理器,完成通訊管理主機(jī)及外圍的電路的設(shè)計(jì),以armcm3內(nèi)核的stm32芯片為主處理器設(shè)計(jì)數(shù)字量擴(kuò)展和模擬量擴(kuò)展模塊。以ARM CM3內(nèi)核的STM32超低功耗處理器在433M頻段實(shí)現(xiàn)電磁調(diào)速采煤機(jī)的遙控器和遙控主機(jī)。電磁調(diào)速采煤機(jī)的通訊管理主機(jī)采用定制的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。針對(duì)電磁調(diào)速采煤機(jī)所需外設(shè),在AT91SAM9260處理器上對(duì)BootStrap、U-boot、Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)進(jìn)行剪裁移植,BootStrap作為一級(jí)啟動(dòng)鏡像用來(lái)初始化主處理器,U-boot的作用是初始化內(nèi)存和Flash并加載啟動(dòng)操作系統(tǒng)內(nèi)核,Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理和驅(qū)動(dòng)程序等功能,通過(guò)編輯配置文件,經(jīng)交叉編譯后得到各部分的系統(tǒng)鏡像。在系統(tǒng)通信方面,設(shè)計(jì)電磁調(diào)速采煤機(jī)三個(gè)主站和兩個(gè)從站的多接口Modbus服務(wù)器,采用多線程編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)管理主機(jī)與各擴(kuò)展模塊之間的數(shù)據(jù)交換。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD632.1

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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本文編號(hào)：1200217