滚筒式采煤机运动轨迹跟踪及控制策略研究

摘要

长期以来，井下采煤一直是一项高劳动强度、高危险性工程。因此，科学家和工程学家们总是在寻找降低采煤危险性、提高生产效率的方法。毫无疑问，机械化和自动化是提高生产效率和降低采煤危险系数的有效手段。在煤炭行业，采煤机械化已在世界范围内普及，其自动化技术也在部分煤层条件较好的发达国家广泛使用，如德国、澳大利亚、美国等，我国在采煤自动化方面与发达国家还有一定的距离，差距主要体现在煤岩界面识别、工作面设备自动找直等技术。本文重点针对煤岩界面识别这一研究领域展开研究与讨论，对缩短国内外自动化采煤差距起了非常积极的作用。
　　本研究主要在国内外已有研究的基础上，针对现有采煤机机型设计了基于轨迹跟踪的自动调高系统，这种调高系统对采煤机的电控平台要求低。根据设计内容进行了地面调试和井下调试。此外，针对前述调高系统跟踪精度低、调高过于频繁等缺陷，本文也设计了适用于高性能控制器的自动化调高系统并对其控制策略进行了仿真研究。
　　论文主要内容如下:
　　第一章，介绍了基于轨迹跟踪的自动化调高系统的适用采煤工艺-长壁法采煤，总结了过去国内外采煤机利用传感器实现煤岩识别的直接方法和基于轨迹跟踪的间接煤岩识别法的发展与现状，并提出了该课题的研究意义和研究内容。
　　第二章，详细介绍了如何利用轨迹跟踪原理实现采煤机自动化调高，其中重点探讨了采样周期和进刀方式的选择。建立了调高系统杠杆实现机构和液压系统的数学模型，为后续研究做了铺垫。
　　第三章，重点阐述了基于开关阀的轨迹跟踪系统的设计、仿真与实验研究。仿真和试验结果表明可以在经济型的PLC主控平台上实现采煤机自动化行走和调高，针对其调高精度不高、调高次数多等缺陷，提出了减少调高次数、提高调高精度的控制方法。
　　第四章，本章介绍了高度精度、高可靠性的轨迹自动跟踪系统设计，详细介绍了“煤岩识别＼轨迹跟踪”模块的设计，阐述了采用工程机械常用负载敏系统作为调高液压系统的优势、特点。最后，通过现场试验验证了所设计的轨迹跟踪系统的可行性，并提出了液压系统和控制系统的优化方案。
　　第五章，本章在第四章的基础上，对基于轨迹跟踪的自动调高系统建立了MATLAB和AMESim环境下的联合仿真模型，提出了系统的控制策略。通过对简单PID控制、基于速度前馈的PID控制以及基于速度前馈的模糊PID控制算法的比较分析，得出采用基于速度前馈的模糊PID控制策略的优势。
　　第六章，总结概括了全文的研究工作和成果，并针对基于轨迹跟踪的自动调高系统做出了未来展望，为相关课题的进一步深入研究提供了参考思路与方向。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 井下长壁法采煤及其自动化简介

1．2 采煤机自动调高技术现状

1．2．1 滚筒式采煤机自动化截割研究现状

1．2．2 采煤机自动调高关键技术—煤岩识别简介

1．3 课题的背景和研究意义

1．4 课题的主要研究内容

第2章 井下采煤机轨迹跟踪原理与数学建模

2．1 基于轨迹跟踪的自动调高系统概述

2．1．1 采样周期的选择

2．1．2 进刀方式的选择

2．2 采煤机调高系统运动学模型

2．2．1 调高机构运动学模型

2．2．2 工作面倾斜干扰对运动学模型的影响

2．3 调高液压系统数学模型

2．3．1 基于开关阀的液压系统数学模型

2．3．2 基于比例阀的液压系统数学模型

第3章 基于开关阀的轨迹跟踪系统设计与研究

3．1 运动轨迹自动跟踪系统设计

3．1．1 系统设计要求

3．1．2 位姿检测系统设计

3．1．3 控制程序设计

3．1．4 远程监控界面设计

3．2 基于开关阀的轨迹跟踪控制系统仿真研究

3．2．1 系统基本性能仿真研究

3．2．2 速度突变和载荷突变工况下的仿真研究

3．2．3 轨迹跟踪系统控制算法与液压系统改进

3．3 现场试验与结果分析

3．3．1 试验内容

3．3．2 试验结果及分析

第4章 高精度、高可靠性的截割轨迹自动跟踪系统设计

4．1 液压系统设计

4．2 “煤岩识别／轨迹跟踪”控制系统设计

4．2．1 煤岩识别模块设计

4．2．2 自动轨迹跟踪模块设计

4．2．3 基于LabVIEW的远程监控平台设计

4．3 现场试验问题与总结

4．3．1 调高系统发热原因及解决方法

4．3．2 调高误差测试及其原因分析

第5章 高精度轨迹跟踪系统控制策略仿真研究

5．1 高精度轨迹跟踪系统策略介绍

5．2 控制系统仿真研究

5．2．1 常规PID控制策略的仿真分析

5．2．2 带速度前馈的PID控制策略仿真分析

5．2．3 带速度前馈的模糊PID控制策略仿真分析

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果及奖励