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[硕士论文] 韩天亮
控制理论与控制工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:矿用电机车是矿山地面与井下巷道重要的运输工具,运行工况复杂、环境恶劣。国内矿山牵引电机车的牵引电机基本采用直流串励电动机。但是伴随着电力电子技术、智能控制等相关学科的发展,异步牵引电动机的调速控制方法越来越变的成熟。交流异步电动机取代传统直流电机作为牵引设备是最好的选择。在矿用牵引电机控制系统中,牵引控制系统的静态及动态性能是由转速控制器的调速性能而决定。近年来,将分数阶滑模控制应用于电机控制领域逐渐受到广大学者的重视,针对矿用牵引电机车运行工况对调速控制的要求,采用FOSMC控制策略设计转速控制器以及对弱磁区域控制性能进行改进,以达到提高系统调速性能的目的。论文围绕分数阶微积分理论、滑模变结构控制、转速控制器的设计、负载观测器的设计、FOSMC转速控制器、弱磁控制器在矿用牵引电机控制系统中的应用进行研究。本文主要内容包括:
  (1)首先,对分数阶微积分理论的定义及其基本性质进行介绍,对分数阶的单位阶跃响应特性和数字实现进行研究。其次,对滑模变结构控制原理、设计目标、动态品质及其抖振进行介绍。
  (2)针对矿用牵引电机车的不同工况、恶劣的运行条件,设计FOPI、整数阶SMC、FOSMC转速控制器、负载扰动观测器并将观测值融入到转速控制器中,以达到提高异步牵引电机调速性能的目的。
  (3)分析矿用异步牵引电动机矢量控制策略,在Matlab/Simulink仿真软件上搭建异步牵引电机矢量控制系统模型,将FOSMC转速控制器、负载观测器应用于控制系统中,并对仿真结果进行比较分析。
  (4)研究弱磁控制基本理论及电压、电流限制条件,针对矿用牵引电机高速运行的调速问题,对弱磁控制器进行改进,将仿真结果与传统PI弱磁控制策略进行分析比较。
  通过对矿用牵引电机不同运行工况的仿真实验表明:滑模负载观测器能够准确、快速的观测负载转矩;而带负载观测的分数阶滑模(FOSMC)转速控制器提高了牵引电机在负载变化时的转速控制性能和系统的可靠性,基于分数阶的电压闭环弱磁控制系统可以有效的减小定子电流的波动,扩宽了异步牵引电机的调速范围。
[硕士论文] 李强
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:针对目前矿用蓄电池电机车及充电系统存在着体积大、续航能力低、工作效率低、蓄电池使用寿命短、加酸加液泄露及铅污染等问题,以及电机车驱动系统与蓄电池充电装置相互分离的应用现状。根据以上问题,本课题展开了矿用电机车充电与驱动一体化拓扑与控制系统的研究。
  课题首先对矿用电机车储能电源和驱动电机作出比较分析,然后根据矿用电机车工作环境情况等综合考量,选出了低速性能更好的驱动电机(永磁同步电机)与充电速度更快、环境友好的储能电源(超级电容器)。根据矿用电机车的实际运行情况,设计了驱动与充电一体化拓扑电路,并计算出了永磁同步电机和超级电容器的参数。其次,根据所设计的一体化电路拓扑,分析了充电与驱动两种模式下的运行机理,即在驱动模式下的永磁同步电机矢量控制与双向DC/DC变换器的电压外环电流内环双闭环控制;在充电模式下的超级电容器的等效模型及多种充电方法,三相电压型PWM整流控制策略等。重点分析了所设计的一体化拓扑电路中超级电容的充电控制策略,提出了采用分阶段恒流转恒压的充电控制策略,大大缩短了充电时间,解决了传统充电方法充电速度慢、中后期大电流充电容易引起超级电容损坏等缺点。最后,根据所设计的一体化电路拓扑,对一体化控制系统的硬件系统和软件思路进行了设计,并在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建了一体化控制系统的仿真模型,来验证一体化控制系统的正确性。
  仿真结果表明,所设计的一体化电路拓扑及充电控制策略,解决了矿用电机车充放电彼此分离、工作效率低下、充电时间长等问题,使得矿用电机车能更加高效的满足工作需求。
[硕士论文] 崔高艺
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:矿用电机车作为矿山主要的辅助运输设备,承担着矸石、设备、人员的运输任务,但是矿用电机车技术发展滞后。直流矿用电机车的电机易产生火花对防爆性要求较高。而且,直流电机车一般采用分级调速和能耗制动方式,能量无法回收。交流矿用电机车采用的异步电机功率因数低,导致能量利用率较低。而永磁同步电机采用电气换向,并具有转矩大,功率因素高,能量易回收的优势。为了提高矿用电机车的驱动性能和电池组能量利用率,本文以使用永磁同步电机的矿用电机车为研究对象,对其调速和能量回馈系统进行分析与研究。
  首先,根据矿用电机车的参数和实际工况,选用永磁同步电机作为牵引电机。并对比永磁同步电机常用的DTC和FOC两种调速控制策略优劣,确定采用FOC控制策略对电机车进行调速。在FOC控制策略中,位置传感器是实现调速的重要组成部分,但在潮湿和高污染的煤矿环境易受影响。本文采用PLL转子位置检测方法配合高频脉振注入法替代机械式位置传感器,提高系统抗干扰能力。然后,分别从矿用电机车的机械制动过程、电机的回馈过程、回馈能量的计算理论、电机车回馈系统电路结构四个角度对能量回馈系统进行了分析。最终,确定了在回馈系统采用双向半桥式DC-DC电路结构实现制动能量的回收。
  最后,对调速系统和制动回馈系统进行了仿真验证。在调速系统中设计了PWM波产生模块、坐标转换模块和锁相环位置观测器,同时详细分析了PI调节过程。在制动回馈系统中,对双向DC-DC变换器采用外环电压调节和内环电流调节,控制母线端电压和电源端电压电流的稳定。各子模块逐一验证后,对永磁同步电机无感FOC调速系统和采用双向DC-DC变换器的制动回馈系统得进行了仿真。结果验证了,在矿用电机车的实际应用参数下无传感器矢量控制系统的稳定性和制动回馈系统的可行性。
[硕士论文] 胡鸿飞
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:矿用电机车是矿井运输矸石、材料或人员的主要运输工具。目前各矿使用最多的电机车为铅酸蓄电池与直流电机的组合,铅酸蓄电池电机车虽无需架线、运输便利,但是铅酸蓄电池充电时间长,所需充电配套设施投入大;直流电机因换向器和电刷的存在,加大了井下瓦斯爆炸的隐患。本文以缩短充电时长,提高动态功率输出为主要出发点,将超级电容器作为矿用电机车储能电源,永磁同步电机作为牵引电机,以超级电容器的储能控制为探讨点,着重探讨矿用电机车超级电容动力电源的充电与放电的控制。
  首先介绍了超级电容的储能原理与充电特性,以型号为XK2.5-6/48-2A的蓄电池电机车的参数作为依据,配置了合适的超级电容电池组以及永磁同步电机,确定了矿用超级电容电机车恒流转恒功率的充电策略。随后,设计了以PWM整流变换和双向DC/DC斩波变换为核心的超级电容充放电主电路,其中双向DC/DC变换器在超级电容充电和吸收回馈能量时工作于降压模式,在电机车正常运行时工作于升压模式。针对充电与放电,分别设计了合适的控制策略,以实现超级电容的快速充电以及电机车制动时能量的快速吸收。
  在MATLAB软件中搭建了矿用超级电容电机车的充电控制系统与放电控制系统。通过超级电容充放电模型的仿真,对所提控制策略进行了验证,证明了超级电容恒流转恒功率充电的快速性与可靠性,超级电容作为电机车电源对制动能量吸收与再利用的可行性。对储能控制系统的软硬件部分进行了分析与设计,做了部分实验,验证了储能控制系统和硬件电路的正确性。
[硕士论文] 盛祎
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:矿用电机车是煤矿井下生产的重要运输设备,电机车多使用铅酸蓄电池作为其储能装置。铅酸蓄电池一直被应用在矿用电机车上,具有安全性能和能量密度高的优点,适合有瓦斯或功率需求大的场所。另一方面,铅酸蓄电池存在体积大、续航能力差、充电时间长、维护工作麻烦等缺点,由于超级电容可反复上万次充放电,循环寿命长,且功率密度高,可瞬时吸收或释放大电流,在体积和使用温度范围上均优于传统电池。因此本文提出使用超级电容来弥补铅酸蓄电池性能的不足,利用蓄电池与超级电容工作特性的互补之处,将两者混合使用组成矿用电机车新的储能系统。
  本文提出基于蓄电池和超级电容的混合储能方案,在该系统中蓄电池作为能量主要来源,超级电容为辅助电源。利用超级电容功率密度大、可短时间大容量放电的特性,在电机车启动时减小电流波动对蓄电池的冲击,延长蓄电池使用寿命,在电机车制动时吸收电机的再生电能,减少电机车能耗,利用蓄电池能量密度大的特性在系统稳定运行时提供平稳电能,降低对超级电容容量要求。选取永磁同步电机作为电机车的驱动电机;基于双向DC/DC变换和三相PWM整流设计出混合储能电路拓扑;利用单闭环和双闭环控制实现对蓄电池和超级电容的预充电设计;对蓄电池和超级电容分别做了容量计算和功率分配。在此基础上,采用PID调节方法控制DC/DC变换电路,完成对电源侧直流电的升压;通过三相PWM整流实现电能由电源端供向电机端;通过三相PWM逆变实现电机车制动时电能由电机端反馈回电源端;针对电路拓扑进行软硬件设计;最后在matlab/simulink平台搭建仿真模型,通过仿真分析验证该方法的可行性。
[硕士论文] 周保珍
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:由于矿用蓄电池电机车充电时间较长、工作寿命短、环境污染严重等缺点,又由于现在大力倡导开发新能源及推广新能源的应用,所以矿用电机车需要使用绿色环保和性功能更好的电源装置。超级电容相对于蓄电池具有充电快、寿命长、环保节能和功率密度大等优点,所以要对矿用超级电容电机车进行研究。但是当矿用超级电容电机车在使用不同的充电方法时其充电效率是有高有低的,差别较大。因此,为了提高矿用电机车超级电容的充电效率和节省能源,本课题针对矿用超级电容电机车的高效充电控制及策略进行研究。
  本文首先根据矿用电机车的实际工况和相关约束条件,确定了矿用电机车超级电容的串并联数量,并且以先串后并的连接方式组成矿用电机车超级电容储能阵列,使用基于分布协同控制的开关电容均压方法实现超级电容阵列的电压均衡控制。其次,详细分析了矿用电机车超级电容分别以恒流、恒功率和恒压方法充电时的充电特性和效率特性,为提高矿用电机车超级电容充电效率,确定了矿用电机车超级电容恒流加恒功率的充电控制策略。再次,选择了矿用超级电容电机车的三相PWM整流器加DC/DC变换器的充电电路,并建立了数学模型;三相PWM整流器采用电流前馈解耦双环控制策略,DC/DC变换器采用直接电流和功率控制的控制策略,恒流充电时采用基于移相载波的直接电流控制,恒功率充电时采用基于移相载波的直接功率控制。从理论分析了矿用电机车超级电容高效充电控制策略的可行性。最后,对矿用电机车超级电容充电控制系统的软硬件进行了设计,并且在MATLAB/Simulink中搭建了矿用电机车超级电容充电控制的仿真模型,对波形进行了详细分析。
  仿真结果显示,矿用电机车超级电容高效充电控制策略能够使三相PWM整流器的功率因数为1,且直流母线电压稳定,为DC/DC变换器提供稳定可靠的输入电压,恒流加恒功率的组合充电控制实现了矿用电机车超级电容高效充电控制。
[硕士论文] 沙童飞
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:矿井提升机的任务是实现矿井地面与矿下的联系,其主要负责矿井工作人员、物料以及机械设备的运输。在矿井日常生产中,矿井提升机需要不断的实现提升和下放,其工作的安全性及可靠性直接关系到矿井生产安全和矿工的生命安全,一旦发生故障,轻则停产停工、机械设备损坏,重则发生重大人员伤亡事故,造成恶劣社会影响,因此对提升机电控系统可靠性和安全性的要求更加严苛,提高提升机电控系统的可靠性和安全性,更是当前提升机电控系统研究的热点方向。
  本文以山西省大同市白洞矿电控系统升级改造为典型案例,对其整个电控系统进行了升级改造。先从该矿的技术参数和提升机系统入手,介绍了提升机系统的组成及各个组成部分的作用,接着分析了电气传动的方案,从而确定了整个电控系统的改造方案。通过将智能控制算法中的模糊自适应整定PID控制算法与传统PID控制算法的建模仿真比较,证实了模糊自适应整定PID控制算法的控制效果的优越性,并可将该算法应用于提升机的行程控制之中。在对可编程控制器和高压变频器进行简单介绍之后,最终在硬件方面选择了德国西门子公司生产的S7-300系列PLC和山东新风光公司生产的交交变频器。并在STEP7编程软件中对电控系统进行了软件部分设计,通过上位机组态软件对万维触摸屏进行组态,通过触摸屏可以对提升机运行情况进行实时监控,最后在试验台完成了电控系统的调试。
  提升机电控系统的发展的水平直接影响着矿井的生产水平,采用PLC作为主控系统,交交变频技术作为电气传动方案的提升机电控系统更是今后提升机电控系统发展的趋势。
[硕士论文] 王庚
控制工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:煤矿作为电力系统的一级负荷,其供电的可靠性要求很高,一旦供电突然中断,将危及到矿工的人身安全并导致矿井破坏且难以修复。随着矿井的延伸及负荷逐年增大,矿井主变电站往往长时间处于满负荷工作状态,这对矿井的供电可靠性造成了极大的危害。
  本文主要根据泰安地区某矿的实际情况,结合35kV主变电站技术改造的实际工程项目而展开的。首先根据泰安地区某矿地面及井下负荷增加的情况,利用需用系数法进行了全矿的负荷统计。通过计算无功补偿装置后,在确保矿井功率因数合格的条件下,选取了地面变电站变压器容量、型号及生产厂家;将10kV侧的母线联络开关选取了新方式。其次,按矿井供电线路、变压器及电缆的实际参数,计算出了相应地点的短路电流值。根据计算结果重新选择了35kV、10kV侧的高压开关柜及配套的断路器、互感器等主要设备。最后,根据相关继保规程对主变和10kV侧出线进行了整定计算。利用MATLAB搭建主变压器和出线的继电保护仿真模型,通过仿真验证了主变压器保护的性能,并给出了确定整定计算过程中自起动系数的选取方法,实现了准确的整定。
[硕士论文] 雷路路
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:近些年来,随着我国国民经济的快速发展,矿业领域的发展速度也在不断加快,机电设备在煤矿的开挖和管理工作中的应用也越来越广泛,要求也在不断提高。可编程控制器越来越广泛地应用与煤矿机电系统中。基于PLC设计的机电设备应满足煤矿生产安全的需要,必须通过国家安全部门的审查,而审查需提供详细的PLC全套电路、元器件资料。由于这点要求,通用的商用PLC厂家出于技术保密的原因无法满足。
  针对上述问题,本文设计了一款基于ARM的PLC系统,能满足电气控制的需要,并配有相应的电路原理图、元器件列表、PCB生产图纸。给送审过程带来极大便利,对矿业领域发展起到一定的积极作用。所述PLC以PC机为基础,在Windows的工作环境的条件下,利用软件来最终实现传统硬PLC的功能特性。嵌入式PLC有着更好的兼容和开放特性。
  本课题基于PLC基本知识以及嵌入式的基本原理,研究设计了一款基于STM32F103x芯片软PLC设计系统。本文以STM32F103VCT6设计为嵌入式PLC的中央处理单元(CPU),以该微处理器(MCU)为核心设置嵌入式PLC的各个模块的硬件电路。依据相应硬件电路图印刷成对应的板子,并进行各个功能模块的相关硬件调试。采取Keil软件对下位机软PLC驱动系统进行设计。实现嵌入式PLC架构的基本定义,设计每个模块的功能函数设计,比如输入输出设计、串口通信设计等等。然后对各个模块就行编写、调试、修正,直到代码正确为止。将下位机驱动函数通过串口下载到嵌入式PLC里,构造嵌入式PLC系统。最后介绍Modbus通信协议基本原理,并利用GX Developer软件对嵌入式PLC的Modbus的梯形图与指令表的编写、修正、保存工作,进行Modbus梯形图的写入与读取操作,并实施在线监控功能,完成对嵌入式PLC的梯形图与其指令表之间的转换。通过Modbus梯形图在嵌入式PLC的应用,Modbus上位机软件与嵌入式PLC的通信实现,验证嵌入式PLC研发的可行性。
[硕士论文] 沈逸
电气工程 黑龙江科技大学 2018(学位年度)
摘要:在矿山供电系统中,大量使用电力电子装置及其它非线性电力电子器件,使得电网中的无功的危害与谐波的污染越来越严重,造成供电质量下降,功率因数低,谐波含量高,电力系统的稳定性降低,设备运行的安全性差、人员的安全性低等问题。因此,需要针对矿山供电系统的特点,设计适合的无功补偿与谐波抑制的方案,改善供电电网运行工况,提高供电系统的供电质量。
  本文首先对针对鸡西荣华煤矿的设备特点,分析了该煤矿供电系统中谐波和无功的产生原因,结合国内外对谐波抑制与无功补偿研究成果,对比了常用的无功补偿方案,最后选择以静止无功补偿器(SVG)为补偿装置的方案。其次,针对SVG的基本原理、工作特性、主电路进行重点的分析,引入直接控制和间接控制两种控制方法,并将直接控制法应用于SVG的补偿系统中。为了能够有效地补偿系统中的无功和谐波,就首先要对系统进行谐波电流和无功电流进行快速而精确的检测。本文分别介绍了几种不同的无功电流检测方法,并对其进行比较、分析,得出各自的特点、适用性。然后,分析了传统的p-q法和ip-iq法各自的优缺点和局限性,并重点针对ip-iq法在三相电压畸变且不对称的情况下,无法检测到准确的基波正序有功和无功电流的缺点,提出改进的方法,加入了提取单元、基波正序电压提取器、基于电源电压旋转矢量的坐标检测法以得到改进后的ip-iq电流检测法。这三部分中,前两者都是用于提取A相基波正序电压,同时可以省去锁相环的部分,延时滞后问题得到了较大的改善;后者可以得到三角函数的表达式,省去三角变换。由此形成的两种不同的谐波和无功电流检测方法在MATLAB软件的Simulink模块中进行仿真,将得到的波形图进行对比,选择一种检测性能更好的方案,并将这种方案与传统的ip-iq法检测得到的波形对比,验证了改进后的ip-iq电流检测法的效果远优于传统的ip-iq法。接着,对SVG补偿系统的硬件和软件给出设计方案,绘出SVG补偿系统的总原理框图,以DSP28335芯片作为主控芯片,设计出包括了电压过零检测电路、驱动电路等硬件部分和包括了补偿系统主程序、PWM输出等在内的软件设计模块。
  最后,在理论研究基础之上,论文应用MATLAB软件的Simulink模块,在整个补偿系统的仿真当中,分别对ip-iq法和改进的ip-iq法进行仿真验证。仿真结果表明,本文提出的改进后ip-iq电流检测法能有效对矿山供电系统进行谐波抑制和无功补偿。
[硕士论文] 任辉
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:矿井提升机罐笼是矿山作业的重要设备,主要起着输送人员和物资的作用。矿井提升机罐笼由于处于煤矿易燃易爆的特殊工作环境中,且上下运行距离较长(井道一般在500~2000m),国内外均很难通过随行电缆方式对其进行电能供给,其内部负载如罐帘门、阻车器等均需手动操作,而且也无法实现日常照明、通讯、报警等功能,自动化程度比较低,人员和物资进出效率低,且存在一定的人为安全隐患。
  基于这种现状,在现场考察并充分了解矿井提升机罐笼运行特性的前提下,发现矿井罐笼频繁在井道中上下运行,且循环周期比较短,加之本身重量比较大,蕴藏着比较可观的能量。为此从罐笼自身入手,通过自发电来满足能量需求。同时为了实现电能及时有效存储,选用超级电容与蓄电池相结合的混合储能系统,从而实现优势互补。
  针对系统控制策略,提出了一种基于电池荷电状态SOC的混合储能控制策略。即在储能系统电量允许范围内,根据矿井罐笼负载实时功率幅频特性,利用高通滤波法对储能单元进行功率分配,同时为了优化能量管理,增加了根据超级电容荷电状态来实时改变滤波时间常数的管理方法,并通过双向DC/DC变换器实现储能单元的充放电。整个控制策略在充分发挥超级电容特点同时,很大程度上减少了矿井罐笼负载功率波动对蓄电池的冲击,延长了其使用寿命,达到了“削峰填谷”的目的,很好地提高了混合储能单元对负载功率的动态响应。
  利用Matlab工具对系统设计方案进行模型搭建和参数设定,并进行了仿真验证。仿真结果表明,该方案能够根据罐笼负载的实时电能需要,合理地分配矿井罐笼混合储能系统中的能量。
  最后搭建了系统部分硬件电路进行实验,主要是针对超级电容模组、蓄电池、负载的相关实验,实验结果表明该系统能够实现矿井提升机罐笼自发电的快速存储与再利用,能够满足罐笼内部负载的用电需求,具有一定的理论与实际参考价值。
[博士论文] 尤凯明
通信与信息系统 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:煤矿安全生产对环境监测、无线语音通信和无线视频监视有迫切的需求。无线多媒体传感器网络(WMSNs)是在传统无线传感器网络基础上引入了音频、图像和视频等多媒体应用的新型传感器网络。WMSNs具有方便快捷的无线接入、灵活多变的拓扑结构和丰富的多媒体感知能力。为此,提出在煤矿井下构建WMSNs,以进一步提高煤矿井下环境监测、无线语音通信和无线视频监视的能力,保障煤矿井下的安全生产。本文围绕煤矿井下WMSNs中的MAC层、路由层和应用层等关键问题展开了深入研究,研究内容涵盖了区分服务的QoS-MAC协议、区分服务的路由协议、单摄像机视频定位算法以及多摄像机视频协作定位算法等几个方面。本论文的主要工作和创新点如下:
  1、归纳了煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务的发送频次、带宽、时延和方向等特点以及对网络服务质量保障的要求,提出了一种煤矿井下WMSNs区分服务的QoS-MAC协议。通过为传感数据业务、语音业务和视频业务设计不同的竞争窗口,实现了3种多媒体业务的区分服务,可保障3种多媒体业务不同的服务质量需求。建立了3种多媒体业务退避级数和退避时间计数器的Markov链模型,分析了区分服务的QoS-MAC协议的饱和吞吐量和MAC层接入时延方面的性能。仿真结果表明,在低负载状态下和高负载状态下,所提出的煤矿井下区分服务的QoS-MAC协议可以通过减小视频业务的吞吐量来增加传感数据业务和语音业务的吞吐量,通过增大视频业务的时延来减小传感数据业务和语音业务的时延。
  2、针对煤矿井下传感数据业务、语音业务和视频业务对传输时延、传输丢包率和传输能耗不同的服务质量需求,提出了一种煤矿井下WMSNs区分服务的路由协议。通过采用线性加权法在传输时延、传输丢包率和传输能耗归一化子服务质量评价函数上设置不同的权重,分别构建3种多媒体业务的总服务质量评价函数。依次按照传感数据业务最先、语音业务次之和视频业务最后的顺序,通过采用标记法分别利用改进差分进化算法优化3种多媒体业务总服务质量评价函数,来获得3种多媒体业务的传输路径。仿真结果表明,采用所提出的煤矿井下无线多媒体传感器网络区分服务的路由协议,获得了3条节点不相交路径,实现了煤矿井下3种多媒体业务的区分服务,保障了3种多媒体业务对传输时延、传输丢包率和传输能耗不同的服务质量需求。
  3、针对煤矿井下光照强度低和井下巷道狭长的特点,提出了一种面向煤矿井下带状结构巷道场景的WMSNs单摄像机视频定位算法。摄像机沿着带状结构巷道纵向部署,各自独立监测井下巷道的不同区域。在光照强度低的井下巷道,摄像机通过形态学图像处理的方法来检测井下作业人员头部,并计算井下作业人员头部在巷道地面上的映射点,建立映射点与摄像机在巷道地面垂直投影所构成的直线。基于三角形相似原理,根据映射点与摄像机在巷道地面垂直投影的距离,摄像机距离巷道地面的高度以及井下作业人员的身高,计算井下作业人员距离摄像机在巷道地面垂直投影的距离。最后根据井下作业人员所在直线以及井下作业人员距离摄像机在巷道地面垂直投影的距离,计算井下作业人员的位置信息,从而实现在光照强度低的带状结构巷道中对井下作业人员进行定位。在实际巷道的测试结果表明,单摄像机视频定位算法对井下作业人员定位的平均误差为0.37m。
  4、针对煤矿井下光照强度低和井下巷道狭长且具有较多分岔结构的特点,提出了一种面向煤矿井下巷道岔道口场景的WMSNs矿灯多节点视频协作定位算法。在巷道岔道口沿巷道纵向方向面相巷道分岔区域交叉布置多个摄像机节点,所布置的摄像机以无线的方式自组织形成簇。将矿灯作为井下作业人员的特征识别物,多个摄像机同时检测到矿灯并计算矿灯在各自摄像机成像平面上的映射点。所有检测到矿灯的摄像机通过摄像机自身的位置与矿灯在摄像机成像平面上的映射点,建立摄像机与矿灯映射点所构成的直线表达式,簇头节点融合各个摄像机与映射点所构成的直线,采用最小二乘法求取所有摄像机与映射点所构成的直线的最优交叉点获得矿灯的三维位置坐标,实现对井下作业人员的定位。通过摄像机对运动状态下的矿灯进行连续定位,可估计并预测井下作业人员的运动轨迹,实现对井下作业人员的跟踪。在走廊和地下巷道场景的实验结果表明,提出的矿灯视频协作定位算法在井下巷道实际情况下具有良好的有效性,鲁棒性和定位精度。
[硕士论文] 冯展华
电力系统及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着社会需求和技术的发展,煤矿井下变电站逐步向智能变电站发展。变电站内通信电源的设计和配置是智能变电站发展的根本。传统井下变电站站用通信电源单独设计,阻碍了其向智能变电站的发展,因此一体化通信电源是必要的。在一体化通信电源系统中将变电站内直流电源系统和通信电源用的DC/DC变换器组合为一体,共用一个蓄电池组。但将一体化通信电源应用于井下中央变电所中也带来了一些新的问题:首先DC/DC变换器的高频化带来了大量的开关损耗和电磁干扰等问题;其次是DC/DC变换器短路故障时出现的电火花极有可能引爆周围的爆炸性气体。针对以上问题,本文将软开关技术引入一体化通信电源的DC/DC变换器中来提高变换效率,减小电磁干扰,并将DC/DC变换器设计为本质安全型,来提高其安全性。本文主要工作如下:
  (1)本文根据矿井下环境的恶劣性分析了中央变电所对一体化通信电源系统的特殊要求,分析对比各类软开关的优缺点,选择了Buck ZVS PWM变换器和有源钳位反激变换器应用于一体化通信电源的DC/DC变换器中。
  (2)分别通过这两类变换器的原理分析,建立起数学模型,得出传统Buck变换器和反激变换器的电感电流和纹波电压关系式同样适用于ZVS PWM变换器和有源钳位反激变换器。在此基础上对这两类软开关变换器的纹波电压和电感电流进行了详细的分析,并推导计算了输出端短路时释放的最大能量值,得到了输出等效电路。由此根据中央变电所一体化通信电源的要求,推导计算了电路参数的取值范围。当这两类变换器的电感和滤波电容的取值在纹波电压和本安性能之间出现矛盾时,本文是通过调整开关频率来使其满足要求,并分别总结出了这两类软开关变换器通过调节开关频率来确定电感和滤波电容的设计方法,以及其他参数设计方法和流程。
  (3)通过仿真实验证明,将软开关应用于中央变电所一体化通信电源中,通过合理的电路参数的设计,能够实现开关管的软开通和关断,减小了开关损耗,并且为本质安全型一体化通信电源。
[硕士论文] 于志学
电力系统及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:目前,用于煤矿井下检测、控制、监控、通讯的各种电气设备无处不在,而这些电气设备能够正常工作必须依靠安全可靠的电源。近年来,矿用本安型电源由于安全程度高、成本低、体积小、重量轻等优点日益成为专家研究的热点。
  本文主要是对矿用本安型电源进行优化研究,特别是针对其过压、过流保护次序和双重化保护串、并冗余方式进行优化研究。设计了一种具有自动恢复功能的截流保护电路和一种开关管为MOSFET的过压保护电路,为优化研究做准备。在对过压、过流保护次序选择优化中,建立了本安型电源火花放电等效模型,确定影响本质安全性能的因素,以设计的过流、过压保护电路为试验电路,分别模拟本安型电源在过压、过流和同时过压过流三种情况下两种保护次序的保护性能,结合保护电路的特点进行研究。在对双重化保护电路串、并联冗余方式优化中,引入故障的概念,以设计过流保护电路为试验电路,模拟当故障发生时,两种冗余式的本安型电源在没有要求保护时是否发生误动及在要求保护时是否发挥保护作用。
  研究发现:过压保护电路的类型决定了保护次序的选择,除过压保护电路类型是短路型外,本安电源采用过压-过流的保护次序安全性能更高;保护电路开关管的类型决定了双重化冗余方式的选择,针对开关管为MOSFET的保护电路,本安电源采用双重化保护电路串联冗余式安全性能更高。
  最后根据优化研究得出的结论,设计了一种安全性高、实用性强的“ia”级新型本质安全型电源。
[硕士论文] 何梓源
电力系统及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:矿山井下低压配电网的无功补偿装置发生单相接地故障后,传统低压无功补偿装置的保护不能准确判断出故障电容器组,由于井下电网运行方式复杂且漏电保护装置会在故障发生后极短时间内切除无功补偿装置,如何利用故障信息快速、准确的判断故障并联电容器组是一个亟待解决的问题。因此,矿山低压无功补偿装置的选择性漏电保护还有必要进一步研究。
  本文首先参考传统的小电流接地选线方法,针对中性点不接地系统提出使用群体比幅比相法进行故障电容器组的选择,针对中性点经消弧线圈接地系统提出使用改进后零序电流突变量法进行故障电容器组的选择。其次通过搭建电网并联电容器组模型进行接地故障模拟实验,验证单相接地故障特征。最后通过MATLAB软件搭建矿山井下低压无功补偿装置模型,根据保护方法进行仿真验证,其结果表明,提出的选择性漏电保护方法,正确率高,适应性强。由于井下电网漏电保护装置会在故障发生后的极短时间内切除无功补偿装置,为验证保护方法的快速性,本文通过MATLAB仿真模型,利用故障发生后2个工频周期的故障信息,进行保护方法的快速性验证,其仿真结果表明,提出的方法可以在2个工频周期内准确进行故障选择,并且能够消除部分算法误差,提高判断的准确性。
[硕士论文] 胡秋兰
电气工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:由于矿井下环境较为复杂,电网中时常会有漏电、短路等各种故障的发生,如果不能快速切除,很容易对生产和人身安全造成严重后果。真空断路器作为矿井下配电系统的重要设备之一,其性能的好坏会直接影响到煤矿的安全和生产效率。决定真空断路器性能的一个关键部件就是操动机构。传统的操动机构结构复杂、零部件多,工作过程中不仅可靠性低,分、合闸时间的分散性也很大。近年来永磁机构的出现受到了广泛关注。它结构简单,只有一个运动部件,分、合闸动作利用永磁保持和电磁操动相互配合,并通过电子控制来完成,不仅可靠性高,而且动作时间短,分散性小。对永磁机构的设计方法和控制技术展开深入研究,不仅能够提高其本身的静态特性和动态特性,还有助于同步关合技术的发展。
  本文针对矿井下11.4KV中央变电所所配用的12KV真空断路器的永磁机构进行了优化设计。永磁机构是利用永磁体保持,励磁控制系统实现分、合闸动作,所以本文的设计主要从两个方面入手:一是对永磁机构的本体结构进行设计,二是对外部励磁控制部分进行设计。首先选定设计对象为易于控制的双稳态永磁机构。然后对对象各部分结构尺寸、材料进行选择计算,并利用有限元软件Ansys Maxwell创建永磁机构的二维模型,进行静、动态特性的仿真计算。其次针对同步关合控制中分、合闸时间的分散性采用一种基于永磁机构线圈电流PID滞环控制的控制思想,用Matlab软件对控制模型进行仿真,使永磁机构动作时的分、合闸线圈电流曲线可以快速跟踪给定的电流曲线输出,从而保证分、合闸动作时间分散性变小,在此基础上对永磁机构控制系统的硬件和软件进行分析设计。最后对模型进行空载实验,验证了本设计符合设计要求。
[硕士论文] 李亮
计算机技术 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:井下无线网络是指布设于矿井巷道及岩壁的无线传感器网络、无线接入网络等异构网络,由于受到路径损耗、反射/折射、多径衰落、机器噪声等因素的影响,井下无线信道表现为复杂多变、传输损耗巨大。多输入多输出(MIMO)技术能够提升井下异构网络信道的容量,但节点间的通信干扰严重抑制了节点资源的利用率;干扰对齐技术(Interference Alignment,IA)是新兴的基于空间复用的干扰消除方法,其核心思想是利用信道传输特征在接收节点将多个非预期数据流(干扰流)在空间上“对齐”到某一特定方向。本文研究基于干扰对齐技术的井下无线异构网络设计与优化,完成工作如下:
  1、提出基于数据流预编码向量构造的干扰对齐模型及优化策略,用于解决井下多跳无线传感器网络内部通信干扰。首先结合井下实际工况设定了基于时隙调度的系统模型,并详细讨论了多发多收机制下的节点干扰对齐原理;其次给出发送节点数据流预编码向量的构造策略和接收节点的解码策略;再次以最大化网络吞吐量为目标建立优化模型并进一步将其转化为混合整数线性规划问题;最后利用CPLEX工具给出问题的最优解。仿真分析进一步表明所提干扰对齐策略比传统干扰消除策略的平均网络吞吐量提高45%。
  2、提出基于信道互易的分布式干扰对齐策略,用于解决无线接入节点对无线传感器网络的网间通讯干扰。首先给出单跳无线传感器网络在无干扰情况下的系统容量和预编码矩阵构造;其次分析了移动接入节点对无线传感器网络的干扰情况;再次给出基于MIMO信道互易特性(即交换发送节点和接收节点)的干扰对齐算法;最后给出在不同信噪比与不同天线数目的情况下的仿真结果。其结果表明所提出的干扰对齐策略比传统的正交共享策略使得异构网络间的系统容量平均提升20%以上。
  3、通过实验验证了MIMO技术的抗干扰能力。首先给出井下百兆WLAN最主要形式——WiFi网络的工作机制,其次分析了井下实际作业环境中WiFi网络受到的网间干扰、2.4G同频干扰、外部干扰等干扰特性,最后利用MIMO技术对WiFi网络进行干扰对比实验分析。实验结果表明多天线技术可一定程度增强网络抗干扰性能、提高网络速率。
[硕士论文] 高宇
计算机系统结构 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:矿产行业是关系世界各国经济命脉的支柱行业,同时亦是一个高危行业。井下运输的主要方式是采用矿井轨道机车进行运输,然而由于井下环境的复杂性和危险性,运输事故频发。若要提升井下运输的安全可靠性,必须能实时获取并处理井下机车的交互信息。而井下机车移动性的特点使得它与轨旁接入点需要通过无线网络进行通信。
  近年来,干扰管理作为提升无线网络性能的新手段,正越来越受到人们的重视。干扰管理通过一些技术对干扰信号进行有效管理和优化,使得这些信息不再互相干扰,从而极大提高了无线网络的吞吐量。井下机车的移动具有一定的规律性,机车的工作是可以安排调度的,并且它的通信发射功率是可以控制的。现有基于干扰管理的研究较少考虑上述这些特征,因此可以建立合适的面向井下的干扰管理无线网络通信模型,联合设计相关的优化方案。
  本论文研究并设计一种基于干扰管理的矿井机车调度方案。具体内容如下:
  (1)针对传统井下机车单轨直道网络进行建模,然后基于串行干扰消除技术(SIC)重新建立了一个基于干扰管理的分时网络模型,接着提出SIC集合和最大SIC集合的概念,并设计了一个定功率最大SIC集合算法,得到一个最优时间片划分方案,进而求解上述模型。
  (2)针对井下机车在双轨直道网络上对开这一情景进行建模,由于使用了功率控制,机车通信时发射功率可以自由调节。因此,首先结合SIC原理确定了机车最佳发射功率,然后通过设计基于动态功率调度的最大SIC集合算法获得时间片划分方案,进而求解该模型。
  (3)利用MATLAB和Lindo进行仿真,通过与传统方法比较不同机车数量和不同网络实例下的平均改良率,确定本论文中方法的可行性。仿真结果显示,改良率为15%~50%。
[硕士论文] 张帅
安全科学与工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:运输系统是矿山开采的基本生产环节之一,其建设成本占建设总费用的40%~60%,开采过程中投入的成本和占用的工时分别为总成本和总工时的50%以上。输送现场环境复杂,区域狭长,针对这种远距离输送作业,其安全防护是通过采用安全保护装置对带式输送机的关键危险节点进行预防和保护,同时《煤矿安全规程》明确规定,必须在运输系统的危险节点装设压力保护、防滑保护、堆料保护、防跑偏保护、温度保护、烟雾保护等性能可靠的安全保护装置来满足生产安全的需要。安全保护装置的状态直接关系到人员、设备的安全以及生产能否正常进行。
  现役带式输送机的安全防护主要通过多种安全保护装置组网,建立安全监测保护系统,可以起到良好的防护效果,但是不具备指示安全保护装置状态的功能,当安全保护装置处于失效状态,危险源处于正常状态(相关指标处于规定的区间)时,会呈现一种安全的假象,当危险源处于非正常的状态时,会直接导致事故。因此安全保护装置应具备状态指示的功能。
  本文提出一种安全保护装置状态监测的方案。通过故障树分析法研究安全保护装置失效原因和失效模式,得到能够直接影响安全保护装置失效的基本因素,确定安全保护装置失效特征参数,建立安全保护装置失效因素辨识模型,设计并实现了带式输送机安全保护装置状态监测系统。通过验证实验表明:该系统可以实时、可靠地监测、辨别输送系统各安全保护节点处于警报状态或失效状态。论文对带有状态指示功能的安全保护节点的可靠性进行了评估:从安全保护节点的结构角度抽象出安全保护节点的防护模型,经过可靠性实验获取数据、失效分布拟合数据以及代入安全保护节点防护模型得到了安全保护节点的失效度随时间的变化趋势。本文提出的安全保护装置状态监测及失效因素辨识的方案同样适用于其他危险源的安全保护装置监测,可为安全隐患排查工作提供数据支持。
[硕士论文] 方文浩
计算机技术 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着工业物联网与人工智能技术在煤矿领域的不断应用,煤矿井下人员与设备的位置信息已经成为十分重要的基础信息。目前,多采用WiFi、ZigBee、蓝牙等无线技术实现井下定位,但由于定位精度普遍较差,无法满足煤矿井下对高精度定位日益增长的要求。超宽带(Ultra WideBand,UWB)技术具有时间分辨率高、测距精度高、穿透力强、抗多径能力强等优点,是近年来发展起来的高精度定位的先进技术。本文从井下高精度定位需求出发,对基于UWB的井下高精度定位技术展开研究。
  本文采用基于测距的定位技术,通过对各测距算法的误差分析,选用非对称双边双向测距(Asymmetric Double Sided Two-Way Range,ADS-TWR)算法,该算法消除了测距节点时钟未完全同步对测距精度的影响,同时抑制了因时钟偏移引起的测距误差。基于ADS-TWR在软件上的实现及UWB信号收发芯片DW1000在硬件上的应用,本文设计实现了井下基站标签节点;利用基站标签节点,对DW1000芯片通信参数与测距性能的关系进行具体的实验研究,最终确定了适用于井下高精度定位的参数值,实现了20cm的测距精度与300m的通信距离。
  针对井下多基站分布场景,标签的每一次定位都需要向所有基站广播请求帧建立通信连接而产生大量无效通信的问题,本文在高精度测距的基础上,提出了一种基于ADS-TWR的区域判定策略,使得标签只与区域内基站通信便可完成定位,避免标签重复地与未参与定位的基站建立连接,大幅减小通信开销。同时,引入标签的区域异常自检和区域校正机制,保证区域判定的准确性。
  基于高精度测距和区域判定策略,本文设计了基于UWB的井下多基站定位系统,并在模拟环境下进行实验,通过实验数据分析表明,在高精度测距的基础上,三角形质心算法能够有效削弱测距误差对定位精度的影响,实现精度达15cm的井下定位,并使得定位误差的平均值达到6.144cm,相对于总平均测距误差的11.26cm,降低约45.4%。
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