采煤机滚筒自动调高控制方法研究

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本课题为山西省重点自然基金项目“采煤机视觉重构与截割反馈的多信息煤岩界面精准识辨理论研究(201901D111008(ZD))”的子课题,它是针对当前采煤机滚筒调高系统自动化水平较低,调高控制精度不高的问题而提出的。采煤机滚筒自动调高控制技术是实现综采工作面自动化采煤的关键技术,可以有效提高采煤效率,保障煤炭安全采出。在综采工作面煤炭开采过程中,为避免截割矸石提高回采率,采煤机滚筒调高系统需要控制滚筒沿着煤岩界面运行。然而我国井下采煤机滚筒调高大多采用人工操作方式,滚筒调高控制系统存在较大的调高误差,难以适应综采工作面自动化的发展进程。为提高采煤机滚筒调高系统的自动化控制性能,本文针对采煤机电液比例调高系统进行了相关研究,提出了预见前馈补偿模糊PID调高控制策略。采用理论分析和实验研究相结合的方法,在Simulink中搭建了采煤机滚筒自动调高系统的仿真模型,对所提控制方法进行了仿真实验,并搭建了采煤机电液比例调高实验平台,完成了调高控制器的软、硬件设计,对所提调高控制策略进行了实验验证,具体研究内容如下:分析了采煤机滚筒调高系统的基本原理,通过建立采煤机滚筒调高液压系统以及调高机构部分的数学模型,得到了调高系统的传递函数。根据PID和模糊PID滚筒调高控制方法的基本原理,在Simulink中搭建了基于PID、模糊PID调高控制方法的滚筒调高系统仿真模型,并进行了阶跃响应和路径跟踪的仿真实验,仿真结果表明相比于PID调高控制方法,模糊PID调高控制策略有利于减小滚筒调高系统的超调量和调高误差。针对采煤机记忆切割系统,根据预见控制原理引入滚筒目标路径对调高系统控制量进行补偿,设计了预见前馈补偿模糊PID调高控制方法,利用滚筒的目标路径信息进一步优化调高控制系统。在Simulink中进行了仿真实验,仿真结果表明引入预见补偿环节后,有效减小了调高系统路径跟踪误差,提高了调高系统的动态响应性能。调高控制系统硬件电路的设计是实现滚筒调高系统自动控制、信息监测的重要环节。根据预见前馈补偿模糊PID调高控制策略的基本要求,设计了调高控制器的硬件电路,包括最小系统电路、电液比例阀驱动电路、倾角测量电路等。并基于Keil 5软件编写了调高系统的预见前馈补偿算法、模糊算法以及PID调高控制算法等程序,完成了预见前馈补偿模糊PID调高控制器的设计。同时基于Lab VIEW软件开发了滚筒调高系统监控平台,对调高控制系统的滚筒高度、滚筒目标高度以及滚筒高度偏差等数据进行监测。根据电液比例调高控制系统原理,搭建了模拟采煤机滚筒调高实验平台,设计了调高液压系统以及模拟调高机构,在实验平台上进行了路径跟踪实验。实验结果表明,采用预见前馈补偿模糊PID调高控制方法可以较好实现控制滚筒对不同目标路径的跟踪,滚筒调高系统具有调整速度快,路径跟踪误差小的特点,滚筒最大路径跟踪误差为2.32cm,稳态误差在0.5cm范围内,可以满足采煤机滚筒调高系统的控制要求。
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