电磁调速电牵引采煤机离散时间控制系统研究与实现

发布时间：2017-11-18 15:15

本文关键词：电磁调速电牵引采煤机离散时间控制系统研究与实现

【摘要】：采煤机是煤矿生产的关键设备,其工作的稳定性和可靠性对确保采煤作业正常进行有重大影响。目前,国内外的采煤机以电牵引采煤机为主流,牵引系统主要有交流变频调速、开关磁阻调速、电磁调速三种牵引电机调速技术。交流变频调速具有启动性能好、调速精度高、可靠性强的优点,但在应用于采煤机牵引时需配套变压器,系统体积大、操作复杂。开关磁阻调速系统应用于采煤机时启动转矩大、转化效率高、控制电路简单,但电机控制需要位置传感器,且其运行噪声较大。电磁调速系统作为采煤机的牵引控制系统,采用滑差离合器调节转速,具有体积小、控制系统简单、技术成熟可靠、可变转矩控制的优点,相对于其他的牵引调速方式,电磁调速采煤机具有明显的性价比优势,是采煤机设备发展的新方向。目前国内的采煤机厂家多采用高可靠性的工控机和PLC系统实现控制,PLC的功能结构简单且扩展性不强,工控机软件操作系统与PC机相同,不能根据采煤机的控制特点和要求进行优化。采煤机牵引驱动采用的变频器也多以国外进口变频器和专用软件为主。电磁调速采煤机作为采煤机的一种主要类型,电控系统一直以PLC控制为主,在人机界面和通讯功能方面亟待提高。本文提出采用嵌入式系统代替现有采煤机控制系统中的工控机和PLC,采用电磁调速电机取代开关磁阻电机和变频调速配套的隔爆异步电机,以达到降低采煤机系统价格、提高运行性能、保证采煤作业安全可靠的工作要求。为实现此目标,本文研究了电磁调速采煤机的连续时间系统模型,确定了双闭环控制的系统结构,设计了双闭环数字PID控制器,采用继电反馈理论整定运行参数,引入分数阶控制理论,采用加权比离散算子设计了分数阶数字控制器,采用电磁调速采煤机的速度预测规划方法,增强了牵引调速系统的适应性,最后以嵌入式软硬件实现电磁调速采煤机的整体电控系统。本文绪论章节指出作为煤矿生产必备设备的采煤机,深入开展对其电控系统的理论和应用研究具有深远的意义。通过对比三种牵引调速技术的优缺点,以电磁调速电机为研究对象对其牵引控制技术进行深入研究。在电牵引采煤机的现状和趋势研究中,介绍了国内外近二十年电牵引采煤机的发展情况。目前,国外采煤机的电控技术均为专用系统,各有特色且理念领先,而国内的电控系统历经数代发展后,以工控机和PLC控制的系统为主,智能控制系统发展较为缓慢。在嵌入式应用采煤机方面,国内近年陆续发表了多篇论文,应用的控制器以DSP和ARM为主流,完成的功能一般为系统的辅助功能,如报警、通讯、诊断、存储等,而作为系统的主单元执行采煤机的牵引或截割功能的嵌入式系统在国内还没有应用。针对此研究现状,本文提出了具体的研究目标和研究内容,并制定了研究执行路线。在本文的第二章首先分析了电磁交流调速电机的特殊结构,对电磁调速采煤机的自然机械特性进行深入分析,通过仿真试验对自然特性曲线进行建模并做出人工调整,以此为出发点,展开对电磁调速采煤机控制模型的深入研究。电磁调速采煤机在牵引工作时,其拖动的负载为多种特性的复合,电磁调速电机作为牵引电机用变转矩的方式可较好的适应采煤牵引特性,通过合理的算法控制,电磁调速采煤机的牵引可以实现快速稳定的运行。为使其能适应采煤机应用,对其控制方法进行改进,采用速度闭环控制调速系统可达到较好效果。矿井下工作面供电环境较差,电网电压经常会发生波动,造成电机电枢的工作电流发生变化从而引起调速性能的恶化,解决此问题的方法是引入电流控制内环,当出现电流扰动时,在其对转速产生影响前迅速抑制,以保持负载转速稳定。在自动化和工控领域,数字控制器以其速度快、精度高、强大的逻辑运算能力等优势逐步代替模拟器件控制器,其控制规律是以离散采样理论为基础的近似控制,为使电磁调速采煤机更好的适应嵌入式系统控制,本文第三章以电磁调速连续时间系统的控制结构和数学模型为基础,建立离散时间的数字控制器并对其控制性能进行分析。基于离散控制系统的理论,对速度环和电流环均采用pi控制,构建了电磁调速采煤机的双闭环离散控制器,通过仿真试验与连续模拟控制器进行了性能对比分析。电磁调速采煤机的牵引电机采用双闭环控制器提高了系统的稳定性和动态响应性能,但在实际工程的应用中,由于电机个体的差异及运行时电机参数随温度、环境、时间会发生漂移,其模型结构参数需进行及时调整才能保持始终处于最优状态。工程中常用的整定方法有z-n临界比例度法和继电反馈测试法,临界比例度法是通过外加信号产生振荡确定控制对象的临界增益和临界周期,再用经验公式计算系统的最优系统参数,但其过程需要人工反复调节比例和积分环节。本文提出采用继电反馈方法辨识电磁调速采煤机的参数,在系统的稳定工作点附近引入继电测试,在闭环的运行过程中完成检测而不影响采煤机正常的工作过程,采用高精度的a/d采集技术可提高振荡幅度的识别范围,测试时间较短且系统不需断电重启,有利于自适应参数采煤机系统的连续更新运行。对电磁调速采煤机双闭环建立串级继电反馈整定结构,确定其测试过程,推导电磁调速采煤机临界增益和临界周期的数学公式,通过仿真验证继电反馈参数的整定效果。继电反馈测试须在取得被测对象稳定振荡周期后才能准确判断系统参数,测试时间由被测对象的稳定性决定。为缩短测试时间,提出采用偏置继电反馈测试计算偏置滞环的响应时间,最快经过两次测试可得到系统结构参数,提高了电磁调速采煤机的系统参数辨识速度。在研究常规离散数字pid双闭环控制器的基础上,引入分数阶微积分理论,对内外环pid的结构进行改造,使其更适应电磁调速采煤机的数学模型。根据电磁调速采煤机的控制特性,电流环采用常规的数字离散pi控制器,速度环采用分数阶pi控制器,通过截止频率和相位裕度,得到了分数阶pi控制器的阶数,采用加权比的离散化算子,得到了电磁调速采煤机的分数阶pi控制器,通过仿真试验表明,电磁调速采煤机分数阶pi控制器比常规离散数字pid控制器具有更好响应性能和跟踪性能。受电磁噪声等因素的影响,在电磁调速采煤机的双闭环离散系统中,采煤机的牵引速度在闭环的调节周期内会产生瞬间的微小变化,这些速度的抖动会带来采煤机的机械冲击和磨损,也对采煤机的机载设备的稳定性有一定影响。针对此问题,可在采样周期内对控制速度信号进行插补预测和规划。最小二乘理论分析其存储的一定长度数据,用最小协方差衡量拟合系数的变化,通过数据的仿真试验表明,在提高线性阶次的情况下,最小二乘法可在一定程度上预测速度,但由于没有考虑噪声的变化规律,预测失真度很大。维纳滤波将已知数据视为真实信号和噪声两部分,建立观测方程矩阵求解当前数据系统传递函数,用噪声自相关矩阵分解历史数据,从而得到预测速度。经仿真证明,维纳滤波对噪声和主信号都进行了复原和预测,但其跟踪精度不高。常增益α-β预测在一定的周期数量内预测目标位置和速度,根据对象特性选用状态转移矩阵和噪声分布矩阵,根据匀速运动原理进行数据外推预测。仿真试验证明,电磁调速采煤机应用常增益α-β预测的效果很差,原因在于在高速采样时无法将电磁调速采煤机的运动视为匀速。卡尔曼滤波预测将状态转移矩阵和增益矩阵都视作变量,并通过预测值和真实值的权重比较实现最小方差的线性回归,仿真试验证明卡尔曼滤波实现了速度的精准预测和跟踪。电磁调速采煤机的速度规划分别采用t形曲线、s曲线和正余弦s曲线,并分别对其速度变化规律进行推导,通过仿真试验和带载试验证明,正余弦s曲线的加速度控制和速度控制对减少振动十分有利。在电磁调速采煤机电控系统硬件设计方面,其主要部分包括通讯管理主机、数字量扩展、模拟量扩展和无线通讯。以arm9内核的at91sam9260为处理器,完成通讯管理主机及外围的电路的设计,以armcm3内核的stm32芯片为主处理器设计数字量扩展和模拟量扩展模块。以ARM CM3内核的STM32超低功耗处理器在433M频段实现电磁调速采煤机的遥控器和遥控主机。电磁调速采煤机的通讯管理主机采用定制的嵌入式Linux操作系统。针对电磁调速采煤机所需外设,在AT91SAM9260处理器上对BootStrap、U-boot、Linux内核和根文件系统进行剪裁移植,BootStrap作为一级启动镜像用来初始化主处理器,U-boot的作用是初始化内存和Flash并加载启动操作系统内核,Linux内核实现任务调度、内存管理和驱动程序等功能,通过编辑配置文件,经交叉编译后得到各部分的系统镜像。在系统通信方面,设计电磁调速采煤机三个主站和两个从站的多接口Modbus服务器,采用多线程编程技术,实现管理主机与各扩展模块之间的数据交换。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD632.1

【参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 高鹏;侯原亮;刘俊杰;林伟通;;煤矿井下防爆电气标准和技术发展概述[J];工矿自动化;2015年06期

2 刘英培;栗然;梁海平;;基于最小二乘支持向量机优化自抗扰控制器的永磁同步电机直接转矩控制方法[J];中国电机工程学报;2014年27期

3 冯雪君;刘寿宝;杨海;王群;;基于嵌入式平台的采煤机监控和故障诊断系统[J];工矿自动化;2014年03期

4 姜海鹏;刘永强;;带中点电位平衡控制的VIENNA整流器简化SVPWM双闭环控制[J];电机与控制学报;2014年02期

5 沈永增;王炜;郑敏;;IROM启动下的U-Boot自动烧写功能的实现[J];浙江工业大学学报;2013年06期

6 李春阳;;电牵引采煤机变频调速控制方式的对比研究[J];工矿自动化;2013年09期

7 张茂天;张磊;郭晓;孙钧;;基于设备树的MPC8247嵌入式Linux系统开发[J];计算机应用;2013年05期

8 姜海;颜卫东;杨健健;郝迎格;魏宝军;吴淼;;嵌入式电牵引采煤机状态监测系统研制[J];煤矿现代化;2013年02期

9 王瑞萍;皮佑国;;基于分数阶PI速度控制器的永磁同步电动机控制[J];电工技术学报;2012年11期

10 刘送永;谭国俊;张旭龙;马正兰;;采煤机开关磁阻调速系统的无位置传感器控制技术[J];煤炭学报;2012年08期