автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование электрогидравлической цифровой системы автоматического регулирования исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта

Введение

Глава I. Состояние вопроса и задачи исследований . 9 I.I Характеристика объекта исследований

1.2. Анализ существующих систем автоматического регулирования движения исполнительного органа угольного комбайна по гипсометрии пласта

1.3. Технико-технологические требования к функциям регулятора

1.4. Выводи.

Глава 2. Теоретическое и экспериментальное исследование гидравлических процессов, возникающих при работе угольного комбайна

2.1. Определение нагрузки на исполнительном органе по параметрам гидропривода поворотного редуктора

2.2. Методика проведения шахтных экспериментальных исследований электрических и гидравлических процессов при работе угольного комбайна

2.3. Статистическая обработка и анализ результатов исследований

2.4. Выводы .■'.'.

Глава 3. Разработка системы автоматического регулирования движения исполнительного органа угольного комбайна по гипсометрии пласта

3.1. Выбор и обоснование характера системы автоматического регулирования движения исполнительного органа угольного комбайна по гипсометрии пласта

3.2. Разработка регулятора движения исполнительного органа по гипсометрии пласта . . S

3.3. Рекомендуемая структура автоматического регулятора движения исполнительного органа по гипсометрии пласта.ИЗ

3.4. Исследование системы автоматического регулирования движения исполнительного органа угольного комбайна по гипсометрии пласта *. • •

3.5. Определение технико-экономической эфективности и погрешности системы втоматического регулирования . . • •

3.6. Выводы., •.

Выполнение решений ХОТ съезда КПСС в угольной промышленности СССР в области подземной добычи угля в значительной мере связано с эффективным решением вопросов автоматизации забойного оборудования, осуществление которой - необходимое условие для решения одной из основных задач, поставленных перед угольной промышленностью, - переходу к безлюдным способам и выемке угля без постоянного присутствия людей в забое. В этой связи важное место занимает создание оистем автоматического управления движением исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта. Кроме целого ряда экономических факторов,автоматическое управление по гипсометрии пласта является определяющей предпосылкой для решения важнейшей социальной проблемы обеспечения безопасности труда и рабочего места шахтеров.

Решением задач автоматического контроля и управления движением исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта занимались В.Г.Сегалин, А .А .Рудановский , Л.АЛойкет [7Д, З.А.Черняк JjB, 12J , Г.Р.Носов [9-I0j , Б.Е.Ярыгин [б2| , Р.ВЛ1паковский [65] и другие ученые.

Однако к настоящему времени в угольной промышленности практически не реализовано ни одной системы автоматического регулирования исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта, хотя на уровне экспериментальных или даже опытных образцов попытки создания таких систем предпринимались неоднократно. Наиболее близко стоящим к решению проблемы можно считать регулятор "Квант" [кД, основанный на радиоизотопном методе контроля границы порода-уголь, а также методы и средства, основанные на измерении естественной радиоактивности углей и вмещающих боковых породе [в] .

Особенно остро задача создания технологии и средств безлюдной выемки возникает для весьма тонких и тонких пластов, промышленные запасы которых в горных отводах действующих шахт Минуглепрома СССР составляют 47,5$ (для Донецкого бассейна -83,8$), а эффективные средства механизации очистных работ практически не разработаны;1

Вместе с тем, на действующих шахтах горными работами вскрыты значительные запасы угля высокого качества в весьма тонких и тонких угольных пластах, разработка которых традиционными способами механизации и автоматизации не представляется возможной* Вследствие этого тонкие пласты в настоящее время вынимаются узко захватными комбайнами, имеющими диаметр исполнительных органов 0,7 или даже 0,33 м (комбайн "Поиск-2"), установка на которых каких-либо датчиков порода-уголь, например, по типу регулятора "Квант", невозможна»

Кроме того, почти все известные методы контроля границы порода-уголь основаны на так называемом точечном методе измерения, при котором определение границы порода-уголь или измерение толщины угольной пачки осуществляется не по всей ширине захвата исполнительного органа, а лишь в ограниченной зоне места установки датчика порода-уголь.

Наконец, при работе механизированного комплекса в условиях нарушенных пластов (сбросы, пережимы пластов и т.п.) важным является не только собственно контроль самой гранипуг порода-уголь или измерение толщины угольной пачки, но и возможность контроля наличия и величины присечки породы.

Поэтому научная задача разработки принципов технической реализации системы автоматического регулирования исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта является актуальной»

Целью работы является установление зависимости изменения давления в гидродомкратах поворотных редукторов угольных комбайнов от глубины присечки породы, алгоритма обработки случайного сигнала давления и разработка принципов технической реали- • зации системы автоматического регулирования исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта, обеспечивающей повышение эффективности использования угольных комбайнов при выемке тонких пластов.'

Идея работы заключается в том, что для осуществления автоматического регулирования исполнительного органа угольного комбайна по гипсометрии пласта используется новый метод контроля границы порода-уголь, основанный на.измерении величины давления в полости щцродомкрата поворотного редуктора.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна.

I? Впервые теоретически и экспериментально установлено,- что давление рабочей жидкости в полости гццродомкрата поворотного редуктора однозначно определяется положением исполнительного органа относительно гранили порода-уголь и увеличивается, в среднем, по линейному закону с увеличением глубины присечки породы;'

2§ Метод измерения давления, отличающийся тем, что основан на определении средних отклонений величины давления, превышающих заданный уровень давления в период присечки породы, и прини-жащих заданный уровень давления в период резания угля, обладает наименьшей погрешностью.^

3«< Новые параметры цикла работы САР исполнительных органов по гипсометрии пласта: время измерения входного сигнала, время отработки управляющего воздействия, время демпфирования, зона нечувствительности, должны быть в пределах 3-7 с, 1-4 с, 2-3 с,

4 МПа, что позволяет обеспечить устойчивость САР,

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций заключается в следующем.

При исследовании использовалась методы теории автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики.

Проверка результатов работы осуществлялась экспериментальными исследованиями в производственных условиях. Обработка экспериментальных осциллограмм осуществлялась с использованием ЭВМ.'

Найденная зависимость увеличения давления в полости гидродомкрата поворотного редуктора подтверждена экспериментальными исследованиями процессов в гидродомкратах поворотных редукторов со среднеквадратичным отклонением величин этих процессов не более 15%i.

Испытания электрогидравлического цифрового регулятора типа ГЭРЦ и его автономного контрольно-измерительного блока показали, что вероятность правильного определения положения исполнительного органа относительно границы порода-уголь составляет не менее 0,8?

Научное значение работы состоит в том, что полученные функциональная зависимость изменения давления в полости гидродомкрата поворотного редуктора от глубины присечки породы и алгоритм обработки случайного сигнала этого давления позволяют синтезировать структуру САР, располагающей информацией о наличии границы порода-уголь по всей ширине захвата исполнительного органа^

Практическое значение работы состоит в том, что предложены принципы технической реализации САР угольных комбайнов по гипсометрии пласта, обеспечивающей повышение эффективности использования угольных комбайнов при выемке тонких пластов;

Функциональная зависимость изменения давления в полости гидродомкрата поворотного редуктора от глубины присечки породы, математический алгоритм обработки случайного сигнала давления в полости гидродомкрата поворотного редуктора, принципа технической реализации регулятора использованы ИГД им." А.А.Скочинс-кого при разработке технического задания на регулятор исполнительных органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта типа гэии»

Основные результаты работы доложены и обсуздены на региональной научно-технической конференции в ТШ (г. Тула, 1981 г*), на республиканской научно-технической конференции в ПО Эстон-сланец (г.- Кохтаа-Ярве, 1982 г.), на П Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности в ИГД им.1 А.А.Скочинского (г. Москва, 1983 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов" в Алтайском политехническом институте им. И.И.Ползунова (г.: Барнаул, 1983 г.).'

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 8 статей и 6 авторских свидетельств;1

3.6. Выводы

1. В основу функционирования системы автоматического регулирования на базе электрогидравлического контроля границы порода-уголь положена полученная экспериментально зависимость изменения давления в гидродомкрате поворотного редуктора от глубины присечки породы исполнительным органом.

2. С целью уменьшения методической погрешности процесса контроля и регулирования для реализации в регуляторе желательно брать способ обработки входного случайного сигнала, основанный на определении и оценке средних отклонений величин этого сигнала от его математического ожидания.

3. Рабочий цикл автоматического регулятора, входящего в состав рассматриваемой системы автоматического регулирования, включает время измерения, время отработки, время демпфирования. В течение времени измерения осуществляется обработка статистического сигнала датчика давления, основанная на определении и оценке средних отклонений сигнала от заданных уровней. В течение времени отработки осуществляется перемещение исполнительного органа. В течение времени демпфирования осуществляется пауза на период переходного процесса в гидродомкрате поворотного редуктора .

4. С позиций устойчивости функционирования САР и выполнения предъявленных технико-технологических требований время измерения должно составлять 3 с, время обработки 1,5 и 4 с, время демпфирования 3 с, а величина зоны нечувствительности должна находиться из условия где ^г^ - коэффициент, определяемый по графику изменения давления в гидродомкрате поворотного редуктора от глубины присечки породы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических исследований, проведенных методами теории автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики, практических исследований, проведенных на шахтах.Кузнецкого и Донецкого бассейнов, а также на основании результатов испытаний экспериментальных образцов автоматического регулятора типа ГЭРЦ и его автономного контрольно-измерительного блока в диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки принципов технической реализации системы автоматического регулирования исполнительных, органов угольных комбайнов по гипсометрии пласта, обеспечивающей повышение эффективности использования угольных комбайнов при выемке тонких пластов!"

Подробный критический обзор существующих систем автоматического регулирования и методов контроля границы порода-уголь, на основе которых функционируют эти системы, дан в 1-й главе диссертации^ Во 2-й главе теоретически представлена возможность определения характера нагрузки на исполнительном органе угольного комбайна и экспериментальное исследование гидравлических параметров привода поворотного редуктора угольного комбайна при разрушении исполнительным органом угля и присечке породы^ 3-я глава посвящена разработке системы автоматического регулирования движения исполнительного органа утольного комбайна по гипсометрии пласта на основании алектрогидравлического метода контроля, там же приведен анализ этой системы методом гармонической линеаризации^

1. Рудановский А.А. Угледобывающие машины как объекты автоматического управления в профиле пласта. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1969, № 3,с» 99.

2. Рудановский А.А. 0 неуправляемом движении некоторых добывающих и проходческих машин в профильной плоскости пласта.1 • Изв.: вузов. Горный журнал, 1968, № 10, с.; 57.

3. Рудановский А.А., Черников И.В.» Статистические исследования подштыбовки забойных конвейеров.^ В сб.: Научные сообщения. M.f:I97I, № 84, с; 23-25 (ИГД им. А.А.Скочинского).

4. Рудановский А.А.', Кордонский Р.И.1 Применение принципа автономности для построения систем автоматического управления угледобывающими комбайнами в профиле пласта.' В сб.1: Научные сообщения. М.: 1971, № 88, с. 34-35 (ШД им. Скочинского)

5. Шойхет I.A. Основы теории автоматического управления направленным движением горнопроходческих комбайнов.: ВАвто-реферат дис. канд. техн. наук.1 М.: 1966. - 23 с.

6. Черняк З.А. Изотопные датчики "порода-уголь". М.:: Энерго-издат,* 1982. - 50 с.

7. Носов Г.Р., Сакало Л.Г.1 Зависимость электрических свойств углей и пород Донбасса в высокочастотных полях от влажноети и зольности. Б кн.: Горная электромеханика и автоматика. - Харьков, 1965, Вып. I, с. 62.

8. Сажченко М.М., Носов Г.Р. Устройство для бевконтактного измерения от толщины угольной пачки. Уголь Украины, 1968, № I, с.21.

9. А.с. 898058 (СССР). Способ автоматического контроля положения исполнительного органа горной машины относительно границы порода-уголь и устройство для его реализации (А.В.Ильюша, В.Б.Солнцев). Опубл. в Б.И., 1982, № 2.

10. Разработка принципиальных положений и основных структурных схем построения САУ в профиле пласта угледобывающими комбайнами и агрегатами: Отчет/ ИГД им.А.А.Скочинского. Научный руководитель работы Черняк З.А. 010232000. № ГР 76049432. -М.: 1980. 120 с.

11. Толпежников Л.И. Автоматизация подземных горных работ. -М.: Недрз, 1976. 374 с.14. С'оаР 1952, № 12, р. 27.

12. Комплексная механизация и автоматизация очистных работ в угольных шахтах/ Братченко Б.Ф., Докукин А.В., Хорин В.Н., Силаев В.й. и др. М.: 1977. - 410 с.

13. Онищенко A.M. К задаче контроля границы порода-уголь. -Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1980, & 5, с. 126-132.

14. Тарасов Б.Г., Дырдин BJ3. Рудничная геоэлектрика; ГЛ.1: Недра, 1977. - 123 с,20;; Пат. Великобритании 88845. Mean? /or determiningа

15. Ш position of mining- macfiine in a mine rat Seam/ /о u/7s R. c.A, .

16. Гуманж M.H. Ультразвуковые устройства автоматического контроля открытой границы уголь-порода. Уголь Украины, 1966, & 7, с. 17.

17. А.С, 60I4I4 (СССР)Способ автоматического вождения горного комбайна по гипсометрии пласта. (Ю.Н,Биенко, В.П.Власов, В.В.Баранов, В.А.Пилипович, А.М,Пивоваров) Опубл,4в Б.И., 1978, № 4.'

18. А.С;4 585287 (СССР). Способ контроля границы "уголь-порода", (Б.Е,Ярыгин, П.С.Ляховицкий) Опубл. в Б.И.,1977, № 6,^

19. Докукин А.В;1, Красников Ю.Д., Хургин З.Я,1 Статистическая динамика горных машин. М,: Машиностроение, 1978, - 239 с.

20. Положительное решение по заявке № 2914989/03 Способ контроля границы порода-уголь и устройство для его осуществления; А.В.Ильюша, В.Б.Солнцев.28; Правила изготовления взрывозащищенного рудничного электрооборудования (ПИВРЭ); 0АА.' 683-053-67.

21. Барон Л.И. Проблема оценки сопротивляемости горных пород разрушению механическими способами. В сб.:. Сопротивляемость горных пород разрушению при добывании.' М.': 1962,с. 123-125.

22. Берон А.И.' Исследование нагрузок угледобывающей установки при регулируемом и нерегулируемом приводе резания. В сб.: Оптимизация режимов работы исполнительных органов угледобывающих машин. М.: 1967, с. 13-15.

23. Позин Е.З. Крепость и сопротивляемость разрушению углей Карагандинского бассейна. В сб.: Физико-механические -свойства, давление и разрушение горных пород;' М.: 1962, вып. I, с. 21-23.

24. Позин Е.З. Оценка изменчивости сопротивляемости угля резанию в очистном забое. В сб.: Научные сообщения. М.: 1963, №ч21, с. 54-57 (ИГД им. А.А.Скочинского).

25. Позин Е.З. Методы оценки сопротивляемости углей резанию.: -В сб.: Научные сообщения. Караганда, 1958, № 2, с. 38-42 (КНИУИ).

26. Докукин А.В., Фролов А.Г., Позин Е.З.' Выбор параметров выемочных машин. М.: Наука, 1976. - 140 с.1

27. Позин Е.З. Сопротивляемость углей разрушению режущими инструментами.- М.: Наука, 1972.' - 120 с.

28. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резанияи подачи на исполнительных органах. Методика. ОСТ 12,47.001-7^

29. Тарг. С,М. Краткий курс теоретической механики. М.: Наука, 1964. - 478 с.!38; Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. Автоматизированный электропривод в горной промышленности. М.: Недра, 1977. - 375 с.

30. Заездный A.M. Основы расчетов нелинейных и параметрических радиотехнических цепей.' М,: Связь, 1973. - 447 с.

31. Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машини их автоматическое управление. М.: Недра, 1973, - 240 с.

32. Методика статистической обработки экспериментальных данных (А.Щ.Игнатьев, Н.Г.Манохин, А.А.Карленков, В.С.Беляев)

33. М.;: ИГД им. А.А.Скочинского, 1970. 54 с.

34. Ю.Б.Рождественский, Ю.П.Сорокин). «Автоматика и телемеханика, 1962, № 5, с» 571-580."

35. Бронштейн Й.Н., Семевдяев К.А.! Справочник по математике.

36. М.1: Физматгиз, 1955- 608 oj

37. Методика определения экономической эффективности научно-исследовательских работ в угольной промышленности.' М. :

38. ИГД им. А.А.Скочинского, 1968? 50 с.58.' Разумный В;М.', Толченов 0.В? Оценка работоспособности устройств автоматики;' М;:Энергия, 1977? - 240 с.

39. Красников Ю.Д.Исследование формирования нагрузок в элементах горных выемочных машин? Дис. докт. техн. наук,-М.: 1969. - 300 с.

40. Пинчук И.С.' Переходные процессы в асинхронных двигателяхпри периодической нагрузке. Электричество, 1957, № 9, с. 12-16.

41. Шпаковский Р.В. Методы и устройства для автоматического контроля положения горных машин по гипсометрии пластав -В кн.: Автоматизация шахт и рудников. Киев, Техн'|ка, 1967, с. 66."

42. Смиттен М.К., Кузнецова А.И. Результаты моделирования движения угледобывающих комбайнов, работающих со става конвейера, в направлении подвигания забоя. В сб.: Научные сообщения. М.: 1971, № 84, с. 52-53 (ИГД им. А.А.Скочинского).

43. Научные сообщения. М.:1960, № 5, с. 3&40 (ИГД АН СССР).70.- ЗРезание угля (А.И.Борон, А.С,Казанский, Б.МДейбов, Е.З.Позин. -М.: Госгортехиздат, 1962. 600 с.

44. Берон А.й. Определение неравномерности нагрузки привода и скоростей подач очистных комбайнов в зависимости от сопротивляемости угля. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1967, 16 6, с. 26-32i

45. Бич Я.А. , Баженов А.И. Приборы для определения механического состояния угля вокруг выработок. В сб.:Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Л.: 1966, № 66, с.164-174 (ВШМИ).

46. Положительное решение по заявке А& 3258164/03, Устройство контроля положения исполнительного органа горной ма-. шины относительно границы уголь-порода,* А.Д.Игнатьев, А.В.Ильюша, В.И.Силаев, В.Б.Солнцев.

47. Положительное решение по заявке № 3324788/03. Устройство контроля положения исполнительного органа горной машины относительно границы уголь-порода.4 А.В.Ильща, В.Б.Солнцев, В.П.Бухгольц,

48. Илыоша А.В., Черняк З.А,, Солнцев В.Б. 0 гидравлическом контроле нагрузки на исполнительном органе, В сб.: Управление электромеханическими объектами в горной промышленности. Кемерово:' КузПИ, 1982, с. 139-143,- 165

49. Солнцев В.Б. К вопросу контроля краницы уголь-порода. М.:1981. - 3 с. Рукопись представлена И1Д им.ДА*Ско-чинского. Деп. в ЦНИЭИуголь 14 октября 1981 г., № 2128.

50. Ильюша А.В., Солнцев В.Б, Датчик порода-уголь. М.: 1982 - 2 с. Рукопись представлена И1Д им. А.А.Скочинс-кого. Деп. в ЦНИЭИуголь 25 сентября 1982 г., Jfc 2242.

51. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1969,511 с.

52. Давыдов БД., Скородумов Б.А. Динамика горных машин. -М.: Госгортехиздат, 1961. 69 с.

53. Гусев В.Г,, Андрианова Л.П. Бесконтактные преобразователи для передачи информации с вращающихся объектов на неподвижные. В сб.: Приборы и системы управления, 1974, № 10, с. 52-56.

54. Bar ham L. Automated Mining in tfie 1980 У- Co {fiery Guardian Jnfer/iattonaf, №f, aprit, p.p. 49-50; 62 -54.

55. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИО. М,;: Радио и связь, 1981.220 с.

56. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы; Киев, Вшца школа, 1973. - 552 с.

57. Карташева А.Н.1 Достоверность измерений и критерии качества испытаний приборов, М.:Комитет стандартов, мер и измерительных приборов, 1967, - 157 с.