基于灰色理论的液压支架记忆姿态监测方法.pdf

第 4 3卷 第 8期 2 0 1 7年 8月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 8 Au g ．2 01 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 8 0 0 1 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ i ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 8 ． 0 0 3 基于灰色理论的液压支架记忆姿态监测方法 王亚飞h ， 王学文 ， 谢嘉成 ， 杨兆建 ， 1 ． 太原 理工 大学 机械工 程 学 院 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 煤矿综采装备山西省重点实验室 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对现有液压支架监测方法大多只 能监测单 台支架、 无法对成组液压 支架监测数据进行融合 分 析 、 监 测 数据 利 用率低 等 问题 ， 提 出 了一种 基 于灰 色理 论 的液压 支架记 忆姿 态监 测 方法 。该 方法 采用 灰 色理 论 ， 根 据 液压 支 架记忆姿 态监测值 得 出记 忆姿 态相 关 参数预 测 值 ； 可根据 监 测到 的 同一 个循 环 内前 几 台液 压 支 架 实际姿 态预 测下 一 台液压 支架姿 态， 实现横 向循 环 监 测 ， 也 可根 据 前几 个循环 的液压 支 架 实际姿 态预 测 下一 循环 内该 液压 支架姿 态 ， 实现 纵 向循 环监 测 。液 压 支架 支撑 高度监 测试 验 结果表 明 ， 该 方法 对 于液压 支 架记 忆姿 态 的预测值 与 实际值 相 差 不大 ， 验 证 了该 方 法的有 效性 。 关键 词 煤 炭 开采 ； 液 压 支架 ；记 忆姿 态 ；横 向循 环监 测 ；纵 向循 环监 测 ；灰 色理 论 中 图分 类号 TD 3 5 5 ． 4 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 7 2 7 0 9 2 7 网络出版地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 l 7 0 7 2 7 ． 0 9 2 7 ． 0 0 3 ． h t ml M e mo r y a t t i t u d e mo n i t o r i ng me t ho d f o r hy dr a u l i c s u p po r t b a s e d o n g r e y t he o r y WANG Ya f e i 一， WANG Xu e we n 一， XI E J i a c h e n g 一， YANG Z h a o j i a n 1． Col l e g e o f M e c ha n i c a l Eng i ne e r i ng， Ta i y ua n U ni v e r s i t y o f Te c hn ol o gy，Ta i y ua n 0 3 0 02 4，Chi n a； 2 ． S h a n x i Ke y L a b o r a t o r y o f Fu l l y Me c h a n i z e d Co a l Mi n i n g Eq u i p me n t ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Ex i s t i ng hy dr a u l i c s upp o r t m o ni t o r i n g me t h od s c a n o nl y m o ni t o r s i ngl e s up po r t wi t h ou t f us i o n a n a l y s i s o f mon i t o r i ng d a t a o f un i t e d hyd r a ul i c s up po r t s a nd ha ve l o w u t i l i z a t i on r a t i o o f mon i t o r i ng d a t a．Fo r a bo ve pr o bl e m s ， a m e m o r y a t t i t u de m o n i t o r i ng m e t hod f or hy dr a u l i c s up po r t ba s e d on g r e y t he o r y wa s p r op o s e d． The me t h od c a l c ul a t e s pr e d i c t i ve v a l u e of r e l a t e d me mo r y a t t i t u de p a r a me t e r s a c c o r d i ng t o mon i t o r e d v a l ue o f me mo r y a t t i t u de o f hy d r au l i c s upp o r t b y us e o f gr e y t he or y．I t c a n pr e d i c t a t t i t u de o f t he ne x t hy dr a u l i c s u pp or t a c c o r di n g t o a c t ua l a t t i t ud e o f p r e v i ou s hy dr a ul i c s up po r t s i n t h e s a m e mo ni t o r i n g c y c l e ，S O a s t o r e a l i z e h or i z o nt a l c yc l e m o ni t o r i n g，a nd a l s o pr e di c t a t t i t ude of a hyd r a ul i c s upp o r t i n t he n e x t m o ni t o r i n g c y c l e a c c or d i ng t o a c t u a l a t t i t u de of t he hy d r au l i c s up po r t i n t he l a s t f e w c yc l e s，S O a s t o r e al i z e l o ng i t u di na l c y c l e moni t o r i ng．The s u pp or t h e i g ht of hy dr a u l i c s u ppo r t m o ni t or i n g t e s t r e s u l t s s h o w t ha t pr e di c t i v e va l u e o f m e m o r y a t t i t u de o f hy dr a ul i c s up po r t i s s i m i l a r t o t he a c t u a l v a l ue ，whi c h ve r i f i e s t he v a l i d i t y o f t he me t h od． Ke y wo r ds c o a l m i n i ng； hy dr a u l i c s up po r t ； me mor y a t t i t ud e； h or i z o nt a l c y c l e mo ni t or i n g； l o ng i t ud i na l c yc l e m o ni t or i n g；g r e y t he o r y 收稿 日期 基金 项目 作者 简介 2 0 1 7 0 3 3 1 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 6 1 4 ； 责任编辑 李明 。 山西省 回国留学人员科研资助项 目 2 0 1 6 0 4 3 ； 山西省基 础条件 平台项 目 2 0 1 4 0 9 1 0 1 6 ； 山西省高等学校创新人才 支持计划 资助项 目 2 0 1 4 。 王亚 飞 1 9 9 1 一 ， 男 ， 河南郑州人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为煤矿机械设备工况监测 ， E - ma i l 3 7 3 6 5 7 7 4 2 q q ． c o rn。通信 作者 王学 文 1 9 7 9 一 ， 男 ， 山西长治人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事机械设计方面的研究工作 ， E ma il wx u e w1 6 3 ． c o n l 。 引用格式 王亚 飞， 王学文 ， 谢嘉成 ， 等． 基于灰色理论的液压支架记忆姿态监测方法口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 8 1 1 1 4 ． W ANG Ya f e i ， W ANG Xue we n， XI E J i a c h e n g，e t a 1 ．M e mo r y a t t i t u d e mo n i t o r i n g me t ho d f o r hy d r a u l i c s u p p o r t ba s e d o n g r e y t h e o r y 口] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 8 1 1 - 1 4 ． l 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 0 引 言 独 立 的液压 支架 姿态 解析 和监 测理 论 目前 已比 较 完善 。路 佳等 口 利用 组 态软 件建 立 了液压 支 架远 程 监测 系统 ， 实 现 了井 下 液 压 支 架 压 力 的实 时采 集 与监控 。林福严等[ 结合支撑掩护式液压支架 ， 根 据运 动 几何 学分 析 ， 给 出了位 姿坐标 解 析表 达式 ， 满 足实时在线解算要求 。文治国等口 绘制了极限位态 时液压 支架 关键 构 件 运 移 关 系 曲线 ， 可作 为 液压 支 架 姿态 监测 的依 据 ， 同时 验证 了姿 态算 法 的正 确性 。 李 阿乐 等_ 4 利 用 Un i t y 3 D虚 拟现 实 软 件 建 立 了液 压 支架 运动 状态 仿 真 系 统 ， 完 成 了液 压 支架 运 动 状 态仿真 ， 达到了人机交互和实时操控效果 。陈冬方 等 [ 5 针 对 综 采 工 作 面 采 煤 高 度 测 量 问 题 ， 提 出 了 一 种采用液压支架 角度传感器 测量采煤 高度 的方 法 。上 述液 压支 架监 测方 法 只能监 测单 台液压 支架 数 据 ， 没 有将 成组 液压 支 架 的相 应 监 测 数据 进行 融 合 分析 ， 仍存 在监 测 漏洞 ， 对 出现 的 问题也 无法 及 时 做 出判 断 、 进 而 防止 危险情 况 的发 生 。另外 ， 现 有液 压支 架监 测方 法 大多将 传 感器 监测 数据 _ 6 传 送 至上 位机 ， 利 用组 态软 件 在 上 位 机 监 测 界 面 显示 监 测 数 据[ 7 。 ] ， 没有 对监 测 数 据 进 行 更 深 入 的 挖 掘 ， 数 据 利 用率 低 。 灰 色 理 论 在 很 多 领 域 的 应 用 已 经 比 较 成 熟l 】 ] 。本 文参 考采 煤机 记 忆截 割 [ 1 理 论 ， 提 出 了 基于灰色理论 的液压支架记忆姿态监测方法 ， 利用 液压 支 架移架 前 的 姿 态来 预 测 移 架 后 的姿 态 ， 将 预 测姿 态 与实 际姿 态进 行对 比 ， 以达 到监 测 目的 。 1方法 基本原 理 1 ． 1 方 法 内容 基 于灰色理论 的液压支架记忆姿态监测方法在 现有液 压 支架监 测 方 法 基 础 上 ， 结 合 采 煤 机 记 忆 截 割 思想 ， 通 过预 测 液压 支 架 姿 态 得 出液 压 支 架 姿 态 调整 范 围 ， 有 利 于 对 意 外 情 况 做 出 及 时 、 有 效 的 判 断 。 定义液压支架移架动作包括横向循环和纵 向循 环 。横 向循 环是 指一 组液 压 支架 内每 台液 压支 架依 次 移架 ， 直 至最 后一 台液 压支 架完 成 移架 动作 ； 纵 向 循环是指某 台液压支架完成多次移架动作 。基于灰 色 理论 的液 压支 架记 忆姿 态监 测方 法包 含 横 向循环 监测 和 纵 向循 环 监 测 ， 即通 过 监 测前 几 台 液压 支 架 移架 情况 ， 预 测下 一 台 即将 移架 的液压 支架 的姿 态 ； 通过 对某 台液压 支 架 进行 几 次纵 向循 环 监 测 ， 预测 下一 纵 向循环 时该 液压 支架 姿态 。在 进行 横 向循 环 监测 时 ， 将移 架后 的液 压支 架监 测数 据作 为一 组 ， 用 预测 姿态 及 时监测 即将 移 架 的液 压 支架 ， 如 果 液 压 支架 实 际姿 态与 预 测 姿态 有 较 大 差 异 ， 则 认 为 相 应 液压 支架 可 能处 于异 常状态 。在进行 纵 向循 环监 测 时 ， 记 录前几 个循 环 的液压 支架 姿态 ， 预 测该 液压 支 架下 次循 环 时 的姿 态 ， 并将 预测 姿 态 与 下 次 循 环 时 的实际 姿态 进 行 对 比 ， 以 判 断 液 压 支 架 运 行 状 态 。 该方 法 既可 以预 知 对 应 液压 支 架 的姿 态 ， 又 能 达 到 监测 目的 ， 提 高 了监测 效率 。 1 ． 2 记 忆姿 态 记忆 姿 态 是 指 液 压 支架 移架 前 的实 际 姿 态 ， 记 忆姿 态监 测 是对 液压 支架 实 际姿态 关键 参数 的监 测 过程 。液压支架实际姿态关键参数包括支撑高度、 压力 、 顶 梁倾 角 、 底 座倾 角 、 掩 护 梁 与前 后 连 杆 的夹 角等 ， 对各个参数的监测、 分析方法相似 。本文以液 压 支架支 撑 高度 监 测 为 例 ， 说 明 基 于灰 色 理 论 的液 压支 架记 忆 姿态监 测 方法 的应 用过 程 。 在 同一 循 环 中 ， 液 压 支架 移 架 前 会 采集 很 多 支 撑高度数据 ， 排除异常数据 ， 将采集数据平均值作为 本 次循环 中液 压 支 架 支 撑 高 度 。横 向循 环 监 测 中 ， 由于移架 存 在先后 顺 序 ， 所 以计 算相 应 的记 忆 姿 态 参数 时 ， 采集 的数 据 总量不 相 等 。 液压 支架 横 向循 环和纵 向循 环 中 的支撑 高度 计 算值 为 P ∑h 忌 1 式 中 h 。 k 为 第 k 台液 压 支 架 支 撑 高 度 ， k一 1 ， 2 ， ⋯ ， ， 为 液 压 支 架 总 数或 在 同一 循 环 中完 成 移 架 的液压 支架 数 ， 具 体 意义 由计 算 结 果 决定 ； h ， k 为第 J个采集 的第 k台液压支架 支撑高度 ； P为进 行 下一 次循 环前 采 集 的第 k台液 压支 架支 撑 高度 的 个 数 。 1 ． 3 灰 色理 论 的 应 用 由于横 向循 环 和纵 向循 环 内相邻 液压 支架 姿态 相 差不 大 ， 且 液压 支 架移 架过 程一 般较 短 ， 所 以液压 支架记忆姿态可作为 GM 1 ， 1 模型数据进行灰色 预 测_ 1 ] 。 以液压 支架 支 撑 高 度 为例 ， 介 绍 利用 灰 色 理论 预测 液压 支架 记忆 姿 态 的过 程 。 已知液 压支 架 支 撑 高 度 数 据 列 H。 一 h 。 1 ， h 。 2 ， ⋯ ， h 。 ， 其 一 次 累 加 生 成 序 列 为 H 一 h i 1 ， h 1 2 ， ⋯， h 1 n ， h 1 尼 一 h 。 。 设 2 0 1 7年 第 8期 王亚 飞等 基 于灰 色理论 的液压 支 架记 忆姿 态监 测方 法 1 3 H 的均 值 生成 序 列 为 Z 一 z 2 ， z 3 ， ⋯ ， z 1 ， z ， 其 中 z 1 是 一0 ． 5 h 1 是 0 ． 5 h 1 愚 一1 ， k 一 2， 3， ⋯ ， 。 建立灰 色 微分方 程 h o 忌 a z l 忌 一 b 2 式 中 a ， b 均 为 中间计 算变量 。 相 应 的 白化微分 方程 为 ． d h t a h ￡ 一 b0 3 -十 ￡ Q 式 中 t 为 时 间 ； h ￡ 为 与 t 对 应 的液 压 支 架 支 撑 高度 。 令 u 一 [ 口b ] ， y [ o 2 h 。 3 ⋯ h 。 ] ， B 一 1 2 一 3 一z 1 n 第1 台液压支架 第2 台液压支架 第H 台液压支架 匿 垂 垂 l l l I圭 I l堡 l 匾丽 两 图 1试 验 平 台 Fi g ． 1 Te s t p l a t f o r m 实测 的 1 6刀数 据 ， 每刀 内每 隔 1 ． 5 m 记录 1次采 煤 机滚 筒高 度 。通过 安装 在 液压支 架 上 的倾 角 传感 器 间接计算液压支架工作时 的实际支撑高度 ， 利用其 中部分数据 ， 通过本文方 法对横 向循环和纵 向循环 内的液压支架支撑高度进行预测 。在组态王中建立 监测画面 ， 绘制预测高度和实际高度 曲线 ， 便于直观 对 比预测高度和实 际高度 ， 及 时发现液压支架姿态 异 常 情况 。 ，由最小二乘法求得使 y B u ． r 3 试验结果 1 ， 一B l 1 达到最小值 的 U估计值为 一 E a 6 ] 一 B B 一 B Y 4 式 中a ， 6 分别 为 a ， b的估 计值 。 按式 3 建立 GM 1 ， 1 模型 ， 可得预测支撑高 度五 愚 1 及与实际支撑高度对应 的预测支撑高度 h 。 愚 1 盂 忌 1 一 f h 。 1 一 皂1 e x p 一 a k k 一 ， k 一 0 ， 1 ， ⋯ ， 5 h 。 忌 1 一 h 1 忌 1 一 h 1 愚 一 1 -- e x 1 一 e x p ， k 一 1 ， 2， ⋯ ， 6 采 用 Ma t l a b将 上 述 公 式 编 写 为 程 序 ， 将 S QL 数据库 中的数据传入 Ma t l a b中进行计算 ， 得到预测 支 撑 高度 。 2试 验方 案 在 Z Z 4 0 O O ／ 1 8 ／ 3 8型支撑掩护式 液压支架 的顶 梁 、 掩护梁 、 前连杆、 底座处各布置 1个双轴倾角传 感器 ， 推移油缸上安装位移传感器 ， 立柱 内安装压力 传感器 。每 台液压支架上安装的传感器相同。 同一 台液压支架上所有 的传感器 连接同一个 I ／ O模 块 。i ／ o 模 块 输 出端 经 网线 连 接 到 交换 机 ， 最后连接上位机， 如图 1所示 。 以液压 支 架支撑 高度 监测 试验 为例 介 绍试验 过 程 。在 底板 比较 平整 、 工 况 良好 的情 况下 ， 采 集井 下 根据前 4次横 向循 环 内所有 液压 支架 的实际支 撑高度 曲线 图 2 ， 预测第 5次、 第 6次循环 内的液 压支架支撑高度， 如 图 3所示 。 3 囊 z 1 5 9 1 3 l 7 2 l 2 5 2 9 3 3 3 7 4l 液压支架编 号 图 2 前 4次横 向循环 内所有 液压 支架实际支撑高度 Fi g ． 2 Ac t u a l s u p p o r t h e i g h t o f a l l h y d r a u l i c s u p p o r t s i n t h e f i r s t f ou r h or i z ont a l c yc l e s 4 1 5 9 1 3 1 7 2 1 2 5 2 9 3 3 3 7 41 液压支架编 号 图 3 第 5次、 第 6次横 向循环 内所有液 压支架实际 支撑 高度 及其预测值 Fi g ． 3 Ac t u a l s u p p o r t h e i g h t o f a l l h y d r a u l i c s u p p o r t s i n t h e f i f t h a n d s i x t h h o r i z o n t a l c y c l e s a n d i t s p r e d i c t i v e v a l u e 根据某 台液压 支架 前 5次纵 向循 环 的实 际支撑 高度 图 4 ， 预 测 该 液 压 支 架 之 后 纵 向循 环 的 支撑 高度 ， 如 图 5 所 示 。 { 。 _}p 2 1 2 3 4 5 移架次数 图 4 某 台液压支架前 5次纵向循环的实际支撑高度 F i g ． 4 Ac t u a l s u p p o r t h e i g h t o f a h y d r a u l i c s u p p o r t i n t h e f i r s t f i v e l o n g i t u d i n a l c y c l e s 从 图 3 、 图 5可看 出， 不论是横向循环预测还是 纵 向循环预测 ， 所得的液压支架支撑高度预测值 与 实际值 相差 不 大 ， 变化 趋势基 本 吻合 ， 验证 了本 文方 法 的有效性 。 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 3 囊 l 一． 4 7 1 0 1 3 移 架次数 图 5某台液压支架 1 6次纵向循环的 实际支撑高度及其预测值 Fi g ．5 Ac t ua l s upp or t he i ght o f a hy dr au l i c s u ppo r t i n s i x t e e n l on gi t u di na l c yc l e s a n d i t s p r e di c t i v e v a l ue 4 结语 [6] [ 7] 基 于灰色 理论 的液压 支架 记忆 姿态 监测 方法 在 横向和纵 向 2个维度上对液压支架传感器数据进行 I l 采集 及分 析 ， 提 高 了液压 支 架监 测数 据 的利用 率 ， 以 及 综 采工 作 面液压 支架 监测 的可 靠 性 。以液 压支 架 支撑 高度 监测 试验 为例 ， 验 证 了该方 法 的有效 性 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] [ 2] [ 3] [4] [5 ] 路佳 ， 张树 齐． 基 于组 态软 件 的液压 支架 压 力远 程监 测系统[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 7 ， 3 3 4 5 1 - 5 2 ． LU J i a ， ZAHNG S h u q i ． Re mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m o f h y d r a u l i c s u p p o r t p r e s s u r e b a s e d o n c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 0 7 ， 3 3 4 5 l 一 5 2． ～ ～ 林福 严 ， 苗长 青． 支撑掩 护式液 压支架 运动 位姿 解算 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 4 9 7 1 0 0 ． LI N Fuy a n，M 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等． 一种 采用 灰 色马尔 科夫 组 合模型 的采煤机 记忆截割算法r J ] ． 中南 大学学 报 自 然 科 学 版 ， 2 0 1 1 ， 4 2 1 0 3 0 5 4 - 3 0 5 8 ． FAN Qi g a o ， LI W e i ， WANG Yu q i a o ， e t a 1 ． An a l gor i t hm o f s he a r e r me mor y c u t t i n g ba s e d o n gr e y Ma r k o v i a n mo d e l [ J ] ． J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h Uni v e r s i t y Sc i e nc e a nd Te c hn ol o gy，2 01 1， 4 2 1 0 3 05 4 3 05 8． 司守奎 ， 孙 玺菁． 数学 建模 算法 与应用 [ M] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 2 O 1 1 ． 杨华龙 ， 刘 金霞 ， 郑斌 ． 灰色 预测 G M 1 ， 1 模型 的改 进及应 用 [ J ] ． 数 学 的 实 践 与认 识 ， 2 0 l l ， 4 l 2 3 3 9 4 6． YANG Hu a l o n g ， LI U J i n x i a ， ZHENG Bi n ． I mpr ov e me nt a nd a ppl i c a t i o n o f gr e y pr e di c t i on G M 1 ， 1 mo d e l [ J ] ．Ma t h e ma t i c s i n P r a c t i c e a n d Th e o r y ， 2 0 1 1 ， 4 1 2 3 3 9 4 6 ．