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矿用液压支架数据采集与预警系统的研究

作　者: 王忠民
导　师: 陈桂友
学　校: 山东大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 数据采集系统矿用液压支架混沌预测
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭作为主要能源的格局在今后50年内不会改变。但长期以来,煤矿安全状况一直是制约煤炭工业发展的重要因素,矿用设备特别是矿用液压支架的安全监测发展十分缓慢,已经无法适应越来越复杂的开采环境。本课题的任务就是研究一种适合井下作业环境的低成本低功耗的矿用液压支架数据采集与预警系统。本文研究的主要内容包括井下数据采集器的软硬件设计和井下数据传输器的监控软件设计,以及利用混沌时间序列预测理论实现对采集数据进行短期预测,从而为矿用液压支架数据采集系统的短期预警提供一种可行的实现途径。首先,井下数据采集器的软硬件设计,这一部分是矿用液压支架数据采集系统的核心,每个数据采集器采集两个液压支架的压力和倾角数据。井下数据采集器主要包括供电模块、压力A/D转换模块、倾角RS-485通信模块、液晶显示模块、FLASH存储模块、报警模块和CAN总线通信模块。井下数据采集器是系统的最底端部分,其设计是否合理,将直接影响整个系统的运行质量。实验结果表明,通过对硬件及软件的合理设计,提高了整个系统的兼容性,实现了数据采集的实时性,保证了系统运行的可靠性。然后,进行井下数据传输器监控软件的设计,包括界面显示功能和串口通信功能,良好的用户界面设计是软件系统充分发挥其功能的重要保障。监控软件的用户界面包括主界面、机号支架号设置界面以及报警临界值设置界面等。串口通信功能的实现是利用MSComm控件来完成的,通过设置控件的几个属性,然后添加控件的事件响应代码,从而使串口按照系统的要求进行工作。最后,利用混沌时间序列预测理论实现对矿用液压支架压力值数据的短期预警。研究中以采集的原始数据为实验样本,首先确定嵌入延迟τ和嵌入维数m,并对其进行相空间重构,然后利用局域预测法对数据进行单步预测。实验结果表明这种方法能够有效实现对采集数据的短期预警。本研究的创新点主要包括:第一,将超低功耗单片机MSP430和CAN总线技术应用于矿用液压支架的数据采集系统,不但降低了系统功耗,提高了系统通信的可靠性、实时性和灵活性,而且非常有效地建构起了分布式控制/实时监测网络,从而更好地满足了井下系统的运行要求;第二,将混沌时间序列预测理论成功应用于采集数据的短期预警,为矿用液压支架数据采集系统的预警研究提出了一种可行方案。本文设计的矿用液压支架数据采集与预警系统具有低成本、低功耗和高可靠性等优点,不但解决了现有监测系统生产成本高、观测不方便、数据采集实时性差、通信系统可靠性低等诸多缺点,还能够进一步提高矿用液压支架运行的安全性,有利于实现矿山自动化。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
缩略词  14-15
第一章绪论  15-20
  1.1 课题的背景与意义  15-16
  1.2 矿用液压支架监测系统的研究现状及不足  16-18
  1.3 本课题的研究内容  18-20
第二章矿用液压支架数据采集系统的总体设计  20-26
  2.1 概述  20-22
    2.1.1 系统部件组成  20
    2.1.2 技术性能和技术指标  20-21
    2.1.3 系统工作原理  21-22
  2.2 井下数据采集器和传输器介绍  22-25
    2.2.1 井下数据采集器  22-24
    2.2.2 井下数据传输器  24-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章井下数据采集器硬件设计  26-44
  3.1 概述  26-27
  3.2 主芯片MSP430F147简介  27-30
    3.2.1 MSP430性能特点  27-29
    3.2.2 C430开发调试环境介绍  29
    3.2.3 主芯片MSP430F147模块简介  29-30
  3.3 供电模块设计  30
  3.4 压力A/D转换模块硬件设计  30-33
    3.4.1 压力传感器简介  30-31
    3.4.2 主芯片A/D转换模块简介  31-32
    3.4.3 压力A/D转换模块硬件电路设计  32-33
  3.5 倾角RS-485通信模块硬件设计  33-37
    3.5.1 倾角传感器简介  33-34
    3.5.2 主芯片串行通信模块简介  34-35
    3.5.3 倾角RS-485通信模块硬件电路设计  35-37
  3.6 液晶显示模块硬件设计  37-40
    3.6.1 液晶显示屏介绍  37-39
    3.6.2 液晶显示模块硬件电路设计  39-40
  3.7 报警模块设计  40
  3.8 CAN总线通信模块硬件设计  40-42
    3.8.1 CAN总线简介  41
    3.8.2 CAN总线通信模块硬件电路设计  41-42
  3.9 本章小结  42-44
第四章井下数据采集器的软件设计  44-59
  4.1 井下数据采集器各模块软件设计  44-54
    4.1.1 压力A/D转换模块软件设计  44-46
    4.1.2 倾角RS-485通信模块软件设计  46-48
    4.1.3 液晶显示模块软件设计  48-50
    4.1.4 FLASH存储模块软件设计  50-52
    4.1.5 CAN总线通信模块软件设计  52-54
  4.2 井下数据采集器主程序设计  54-55
  4.3 软件优化设计  55-58
    4.3.1 增强系统可靠性的软件处理  55-56
    4.3.2 降低系统功耗的软件处理  56-58
  4.4 本章小结  58-59
第五章井下数据传输器功能与程序设计  59-67
  5.1 界面显示功能的设计  59-61
  5.2 串口通信功能的设计  61-66
    5.2.1 通信协议  61-63
    5.2.2 MSComm简介  63-64
    5.2.3 串口通信程序的实现  64-66
  5.3 本章小结  66-67
第六章矿用液压支架数据采集系统的短期预警研究  67-82
  6.1 概述  67-70
    6.1.1 耗散系统  68-69
    6.1.2 吸引子  69
    6.1.3 相空间和状态空间  69-70
  6.2 混沌时间序列相空间重构  70-75
    6.2.1 嵌入延迟的确定  71-73
    6.2.2 嵌入维数的确定  73-74
    6.2.3 重构相空间  74-75
  6.3 基于混沌时间序列分析的预测  75-80
    6.3.1 零阶局域预测  76
    6.3.2 加权零阶局域预测  76-77
    6.3.3 一阶局域预测  77-78
    6.3.4 压力值短期预测  78-80
  6.4 本章小结  80-82
第七章总结  82-84
  7.1 本课题的主要工作  82-83
  7.2 后续的研究工作  83
  7.3 本章小结  83-84
附录A  84-85
  A.1 井下数据采集器PCB图  84-85
附录B  85-90
  B.1 井下数据采集器部分源代码  85-87
  B.2 井下数据传输器监控软件主界面部分源代码  87-89
  B.3 MATLAB仿真部分源代码  89-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
学位论文评阅及答辩情况表  94

矿用液压支架数据采集与预警系统的研究

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