CN113553674A - 一种通风机分风器闭合度检测方法 - Google Patents

一种通风机分风器闭合度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通风机分风器闭合度检测方法，通过分风器的结构设计及其布局方式，分析挡板不同布局的特点，在分风器内部安装闭合度调整装置，通过该装置调整分风器闭合度，利用旋转编码器检测轴的转动圈数，并通过“位移‑闭合度”数学模型计算分风器闭合度大小，对单台无刷直流电机采用串级PID进行控制，并采用交叉耦合控制算法实现双电机之间的位置同步，使得分风器闭合度在要求的误差范围之内，通过闭合度调整装置实现了分风器闭合度的自动检测与控制。

Description

一种通风机分风器闭合度检测方法
技术领域
本发明涉及矿用井下通风机通风领域，尤其涉及一种通风机分风器闭合度检测方法。
背景技术
瓦斯是煤矿生产过程中不可避免的有害气体，除此之外矿井煤尘、粉尘等也影响着矿井生产的安全性。常规的通风管理系统一般依靠相关人员手动操作管控，极易造成安全管理漏洞与安全生产事故。因此通风管理系统的智慧化、可视化可大幅度提高通风安全管理系统的可靠性，能够最大限度的降低安全生产事故发生的几率及安全管理成本的消耗。局部通风机分风器自动切换、按需供风并灵活调节为实现通风机智能化奠定基础。
发明内容
针对上述的问题，本发明提供了一种通风机分风器闭合度检测方法。实现了局部通风机分风器自动切换、按需供风并灵活调节风量，实现了通风机智能化。
本发明提供了一种通风机分风器闭合度检测方法，通过对分风器挡板的布局方式，分析挡板不同布局的特点，在分风器内部安装闭合度调整装置，通过该装置调整分风器闭合度；利用旋转编码器检测轴的转动圈数，在理想状态下通过位移-闭合度数学模型计算分风器闭合度大小；在实际情况下通过挠度-闭合度数学模型计算分风器闭合度的大小；在闭合度调整装置中，对单台无刷直流电机采用串级PID算法进行控制，并采用交叉耦合控制算法实现双电机之间的位置同步，使得分风器闭合度在要求的误差范围之内，通过闭合度调整装置实现了分风器闭合度的自动检测与控制，实现通风机分风器闭合度的精准控制。
附图说明
图1是系统总体框架图。
图2是闭合度调整装置结构示意图。
图3是串级PID算法。
图4是位置-闭合度数学模型图。
图5是挠度-闭合度数学模型。
图6是速度PID控制图。
图7是位置PID控制图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容进行详细说明。
一、系统总体框架
如图1所示，一种通风机分风器闭合度检测系统，所述系统包括：监控层、控制层、执行层、检测层。
所述检测层包括瓦斯传感器、二氧化碳传感器、风量传感器、风速传感器、红外摄像头以及旋转编码器，实时采集掘进工作面的瓦斯含量、二氧化碳含量、风量、风速，进行人员识别，检测闭合度调整装置中伸缩杆的伸缩距离，并将相关信息传递给控制层的PLC控制器，实现瓦含量斯、二氧化碳含量、风量、风速、炸药消耗量、人员数量的在线监测。
所述控制层包括多类型PLC控制器，接收检测层检测到的各传感器数据并反馈给监控层；同时接收监控层发出的指令信号，通过位置PID控制器、速度PID控制器、电流PID控制器对闭合度调整装置进行控制，并向执行层发出控制信号。
所述执行层包括闭合度调整装置，接收控制层发出的控制信号，完成闭合度调整装置的调节，最终使分风器达到闭合度要求，从而对工作面风量进行调节。
所述监控层包括掘进工作面工况参数监测模块、数据库接口模块；其中掘进工作面工况参数监测模块用于接收控制层所传输的各传感器数据；数据库接口模块用于掘进工作面工作人员上传炸药消耗量数据。
所述监控层根据控制层所传输的各传感器数据按照掘进工作面要求计算所需风量；根据局部通风机风量和闭合度之间的关系计算所需闭合度；向控制层发出指令信号。
如图2所示，其中闭合度调整装置，由齿轮1、齿条2、伸缩杆3、套筒4、两台无刷直流电机组成，齿条2固定在套筒4内侧，齿轮1与齿条2和伸缩杆3啮合，伸缩杆3固定在套筒4内，两台无刷直流电机带动齿轮1转动，通过齿轮1与固定在套筒4上的齿条2以及齿轮1与伸缩杆3之间的啮合作用，实现伸缩杆3的移动。
二、挡板布局情况
在分风器中，挡板在安装过程中有两种安装方式，分别是在两风道口分别安装挡板以及在主风道安装挡板。该分风器通过控制挡板的开合度实现分风器闭合度大小，
1、两风道口分别安装挡板
在分风器的两风道口分别安装挡板，且两挡板可独立控制，能够有效的调节风量大小，降低风量的损耗，提高通风效率。
2、在分风器主风道安装挡板
挡板安装在分风器的主风道，通过控制一个挡板的开合度来调节通风量的大小，该布局方式能有效的调节风量大小，但是对挡板的风压较大，风量会有偏差，同时还存在漏风的情况。
三、一种通风机分风器闭合度检测方法，通过对分风器挡板的布局方式，分析挡板不同布局的特点，在分风器内部安装闭合度调整装置，通过该装置调整分风器闭合度；利用旋转编码器检测轴的转动圈数，在理想状态下通过“位移-闭合度”数学模型计算分风器闭合度大小；在实际情况下通过“挠度-闭合度”数学模型计算分风器闭合度的大小。在闭合度调整装置中，对单台无刷直流电机采用串级PID算法进行控制，并采用交叉耦合控制算法实现双电机之间的位置同步，使得分风器闭合度在要求的误差范围之内，通过闭合度调整装置实现了分风器闭合度的自动检测与控制，实现通风机分风器闭合度的精准控制。
四、串级PID算法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：将分风器的期望闭合度与实际闭合度的偏差信号Δθ作为输入信号输入；
步骤2：以Δθ作为位置PID控制器的输入量，输出量为电机的期望角速度ω；
步骤3：以电机的期望角速度和实际角速度的偏差信号Δω作为速度PID控制器的输入量，输出量为电机驱动器的期望电流控制信号；
步骤4：以电机驱动器的期望电流控制信号和实际电流控制信号的偏差信号ΔI作为电流PID控制器的输入量，输出量为电机驱动器的电流控制信号；
步骤5：将电机驱动器的电流控制信号输入给电机驱动器，电机驱动器驱动电机进行运转；
步骤6：电机运行带动闭合度调整装置的齿轮转动，改变伸缩杆的伸缩量，同时将电流信号进行反馈；
步骤7：由旋转编码器检测电机转动圈数，并对电机的角速度和伸缩杆的位移进行计算和反馈；
步骤8：将步骤6反馈的电流信号It与期望的电流信号进行比较得到电流误差信号；对反馈的电流信号It进行角速度计算后，得到当下的实际角速度信号ωt，将实际角速度信号ωt进行反馈与期望角速度信号进行比较得到角速度误差信号；对反馈的电流信号It进行位移-闭合度数学模型解算，得到实际闭合度信号θt，将实际闭合度信号θt与期望闭合度信号进行比较得到闭合度误差信号；
步骤9：对两个旋转编码器所得到的电机位置作差，得到两个电机位置的误差，经交叉耦合控制器计算得出补偿系数后传入位置PID控制器，保证双电机的同步性；
步骤10：重复步骤3～9，直至电流误差信号、角速度误差信号与闭合度误差信号为0时，结束该过程。
五、搭建“-闭合度”数学模型：
(1)数学模型1：建模思路：闭合度调整装置不同的长度对应不同的角度，以此来实现分风器闭合度的大小。
假设闭合度调整装置在理想状态下，搭建“位移-闭合度”数学模型如下：
S＝N×L (1)
Figure BDA0003186643480000061
式中，S为伸缩杆的伸缩量；N为旋转编码器的转动圈数；L为齿轮分度圆周长；a为风门机构上转轴到伸缩杆的距离；b为挡板上转轴到伸缩杆的距离；l为伸缩杆的最小长度。
(2)数学模型2：建模思路：根据通风机的风压大小，计算出闭合度调整装置一端的受力大小，并通过图示法分析出F风、F′、β、l、W与θ之间的关系，以此得出分风器闭合度的大小。
假设闭合度调整装置在受力情况下，搭建“挠度-闭合度”数学模型如下：
F风＝PS＝242.08N (3)
其中，P为风压，取762Pa；S为风筒的截面面积。
F′＝F风×sinβ (4)
Figure BDA0003186643480000071
其中，F′为风力的纵向分量，β为风力与水平方向的夹角，l为闭合度调整装置的长度。
Figure BDA0003186643480000072
其中，W为闭合度调整装置的挠度；E为钢的弹性模量；I为钢的截面惯矩。
由式(3)、(4)、(5)、(6)得出挠度-闭合度数学模型如下所示：
Figure BDA0003186643480000073
六、模拟实验
运用仿真软件MATLAB2018/Simulink对分风器闭合度检测系统进行模拟仿真，构建模拟实验平台并设置相关参数。该实验平台主要包括：输入信号、位置PID控制、速度PID控制、电流PID控制、SVPWM模块、步进电机、编码器、示波器，通过对电流、速度以及位置的动态调整，使得实验平台达到稳定状态，完成分风器闭合度的控制与检测。
从图6、图7可以得出，利用串级PID控制步进电机，其加减速过程比较稳定，位置曲线变化比较平滑；相较于手动调节，串级PID的超调量更小，且速度曲线复合理想状态；同时串级PID位置控制效果显著，与理想状态非常接近。

Claims (4)

1.一种通风机分风器闭合度检测方法，其特征是通过对分风器挡板的布局方式，分析挡板不同布局的特点，在分风器内部安装闭合度调整装置，通过该闭合度调整装置调整分风器闭合度；利用旋转编码器检测轴的转动圈数；在理想状态下通过位移-闭合度数学模型计算分风器闭合度大小；在实际情况下通过挠度-闭合度数学模型计算分风器闭合度的大小；在闭合度调整装置中，对单台无刷直流电机采用串级PID算法进行控制，并采用交叉耦合控制算法实现两台无刷直流电机之间的位置同步，使得分风器闭合度在要求的误差范围之内，通过闭合度调整装置实现了分风器闭合度的自动检测与控制，实现通风机分风器闭合度的精准控制。
2.如权利要求1所述的一种通风机分风器闭合度检测方法，其特征是，所述的串级PID算法，包括以下步骤：
步骤1：将分风器的期望闭合度与实际闭合度的偏差信号Δθ作为输入信号输入；
步骤2：以Δθ作为位置PID控制器的输入量，输出量为电机的期望角速度ω；
步骤3：以电机的期望角速度和实际角速度的偏差信号Δω作为速度PID控制器的输入量，输出量为电机驱动器的期望电流控制信号；
步骤4：以电机驱动器的期望电流控制信号和实际电流控制信号的偏差信号ΔI作为电流PID控制器的输入量，输出量为电机驱动器的电流控制信号；
步骤5：将电机驱动器的电流控制信号输入给电机驱动器，电机驱动器驱动电机进行运转；
步骤6：电机运行带动闭合度调整装置的齿轮转动，改变伸缩杆的伸缩量，同时将电流信号进行反馈；
步骤7：由旋转编码器检测电机转动圈数，并对电机的角速度和伸缩杆的位移进行计算和反馈；
步骤8：将步骤6反馈的电流信号It与期望的电流信号进行比较得到电流误差信号；对反馈的电流信号It进行角速度计算后，得到当下的实际角速度信号ωt，将实际角速度信号ωt进行反馈与期望角速度信号进行比较得到角速度误差信号；对反馈的电流信号It进行位移-闭合度数学模型解算，得到实际闭合度信号θt，将实际闭合度信号θt与期望闭合度信号进行比较得到闭合度误差信号；
步骤9：对两个旋转编码器所得到的电机位置作差，得到两个电机位置的误差，经交叉耦合控制器计算得出补偿系数后传入位置PID控制器，保证双电机的同步性；
步骤10：重复步骤3～9，直至电流误差信号、角速度误差信号与闭合度误差信号为0时，结束该过程。
3.如权利要求2所述的一种通风机分风器闭合度检测方法，其特征是，在理想状态下，搭建位移-闭合度数学模型过程如下：
S＝N×L (1)
Figure FDA0003186643470000031
式中，S为伸缩杆的伸缩量；N为旋转编码器的转动圈数；L为齿轮分度圆周长；a为风门机构上转轴到伸缩杆的距离；b为挡板上转轴到伸缩杆的距离；l为伸缩杆的最小长度。
4.如权利要求2所述的一种通风机分风器闭合度检测方法，其特征是，假设闭合度调整装置在受力情况下，搭建挠度-闭合度数学模型过程如下：
F风＝PS＝242.08N (3)
其中，P为风压，取762Pa，S为风筒的截面面积，
F′＝F风×sinβ (4)
Figure FDA0003186643470000032
其中，F′为风力的纵向分量，β为风力与水平方向的夹角，l为闭合度调整装置的长度，
Figure FDA0003186643470000033
其中，W为闭合度调整装置的挠度，E为钢的弹性模量，I为钢的截面惯矩，
由式(3)、(4)、(5)、(6)得出挠度-闭合度数学模型如下所示：
Figure FDA0003186643470000034
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