巷道支护支架液压缸位置闭环控制系统设计.pdf

第 4 3卷 第 1 O期 2 0 1 7年 1 O月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ．1 0 Oc t ． 2 O1 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 0 0 0 7 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 1 5 巷道文护支架液压缸位置闭环控制系统设计 王 帆 ， 赵 继 云 中 国矿业 大学 机 电工 程学 院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针 对煤 矿巷 道 支护 支架液 压缸 位置 高精 度控 制和 节 能的 需求 ， 基 于 负载敏 感原理 设 计 了一种巷 道 支护 支架液 压缸位 置 闭环控 制 系统 。分析 了 系统 工作 原 理 ， 建 立 了 系统 数 学模 型 ， 利 用 AME S i m 软件 搭 建 了 系统仿 真模 型 。仿 真结 果表 明 负载敏 感 变量 泵输 出压 力能稳 定 自适应 最 高 负载 压 力变化 ， 从 而达到 节 能 的 目的 ； 液 压缸 实 际位 移 能快速 、 平 稳地 跟踪 给 定位移 ， 液 压缸位 置控 制精 度在 0 ． 6 mm 以 内， 满足 煤 矿巷 道 支护 支架液 压缸 位置 高精 度控 制 需要 。 关 键词 煤矿 巷道 ；支护 支架 ；液压缸 位 置 ；闭环 控 制 ；负载敏 感 中图分类 号 T D3 5 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 9 2 7 1 4 5 5 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 ． T P ． 2 0 1 7 0 9 2 7 ． 1 4 5 5 ． O 1 5 ． h t ml De s i g n o f c l o s e d l o o p c o nt r o l s y s t e m f o r h y d r a u l i c c y l i nd e r p os i t i o n o f r o a d wa y s u pp o r t W ANG F a n． Z HAO J i y u n Sc hoo l of M e c h a t r o ni c En gi n e e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y of M i ni n g a nd Te c hn ol o g y Xu z ho u 2 21 1 1 6．Chi na Ab s t r a c t Fo r r e q ui r e m e nt s of hi g h pr e c i s i o n c o nt r ol a n d e n e r gy s a v i ng o f hy dr a u l i c c y l i nd e r po s i t i o n o f s u pp or t i n c o a l m i n e r o a d wa y， a c l o s e d l oo p c o nt r o l s ys t e m f o r hy dr a u l i c c y l i nd e r p os i t i o n of r oa dwa y s u pp o r t wa s de s i g ne d ba s e d o n l o a d s e ns i ng pr i nc i p l e ． W o r ki n g p r i nc i pl e of t he s y s t e m wa s a na l y z e d， ma t he m a t i c a l mod e l of t he s ys t e m wa s e s t a b l i s he d a n d s i m ul a t i o n m o d e l o f t h e s y s t e m wa s b ui l t by u s e o f AM ESi m s o f t wa r e．The s i m u l a t i o n r e s u l t s s ho w t ha t ou t l e t p r e s s ur e o f l oa d s e ns i ng v a r i a bl e pu m p c a n s t a bl y a d a pt t o t he ma xi mu m l oa d pr e s s u r e t o r e a l i z e e ne r g y s a v i n g， a nd a c t u a l hy dr a u l i c c y l i nd e r di s pl a c e m e n t c a n qu i c kl y a n d s m o o t hl y t r a c k g i v e n d i s p l a c e m e nt wi t hi n 0． 6 m m e r r or ，whi c h m e e t hi g h pr e c i s i o n c o nt r o l r e q ui r e m e nt of hy d r a ul i c c yl i n de r p os i t i o n o f s u pp or t i n c oa l mi ne r o a d wa y． Ke y wo r d s c o a l mi ne r o a d wa y；s up po r t ；hyd r a ul i c c y l i nd e r p os i t i o n；c l o s e d l o o p c on t r ol ；l o a d s e ns i ng 0 引言 煤矿巷道支护支架是保证工作面安全的关键设 备之一[ 。在支架升降过程 中， 液压缸需要承受极 端负载和很大的偏载 ， 因而要求实现液压缸 的精确 位 置控 制 ， 以 防止支 架卡死 。 。 。 液 压缸 位 置 控 制 可 分 为 开 环 控 制 和 闭 环 控 制 2种 方式 [ 4 ] 开环 控制 不存 在 反 馈环 节 ， 具 有 结 构 简 单 、 成本 低 等优势 ， 然 而开 环控制 精度 低且 不 能及 时 调 整误 差 5 ； 闭环 控 制 存在 反馈 环 节 ， 适 用 于精 度 要求高的场合l 7 ] 。当前对液压缸位置 闭环控制 的 研 究 往 往 忽 视 了 液 压 系 统 能 量 效 率 过 低 的 问 题 l g 。 。本 文基 于 负 载敏 感 原 理口 引， 设 计 了一 种 巷 道支护 支架 液压 缸 位 置 闭环 控 制 系 统 ， 既 可 满 足液 收稿 日期 2 0 1 7 0 6 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 9 0 7 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 山西省煤基重点科技攻关项 目 MJ 2 0 1 4 0 3 。 作者简介 王帆 1 9 8 9 一 ， 男 ， 四川绵阳人， 博 士研究 生， 主要研究方 向为液压传动与控制 ， E ma i l w a n g f a n 3 6 s i n a ． c o rn。 引用格式 王帆 ， 赵继云． 巷道支护支架液压缸位置闭环 控制 系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 0 7 4 7 7 ． WAN G F a n ， ZHAO J i y u n ． D e s i g n o f c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m f o r h y d r a u l i c c y l i n d e r p o s i t i o n o f r o a d w a y s u p p o r t [ J ] ． I n d u s t r y a n d M i ne Au t o m a t i o n， 2 0 1 7， 4 3 1 0 7 4 7 7 ． 2 0 1 7年 第 1 0期 王帆 等 巷 道 支护 支 架液压缸 位 置 闭环控 制 系统设计 7 5 压缸位置高精度控制需要 ， 又兼具节能效果。 1系统 原 理 巷 道支 护支 架液 压 缸位 置 闭环控 制 系统原 理如 图 1所示 。通过 负载 敏感 变 量泵 内集 成 的压力 补偿 阀使负载敏感变量泵输出压力与最高负载压力间的 差值保持恒定 ， 从而使负载敏感变量泵输出功率与 液压系统需求 自动匹配 ， 不会产生多余的能量损耗 ， 达 到 节能 目的 。系统 内单 向阀可 防止 油液 使负 载敏 感变量泵倒转 ， 蓄能器可降低负载敏感变量泵 的压 力 脉 动 ， 提 高 系统 稳定 性 ， 改善 系统 动态 性 能 。 1 一 油 箱 ；2 一 负 载 敏 感 变 量 泵 ；3电动 机 ；4 一 过 滤 器 ； 5 一单 向阀 ； 6 一溢流 阀；7 一蓄能器 ；8 一电液 比例换 向阀 ； 9 一液压缸 ；1 o 一 位移传感器 ；1 1 负载加 载单元 图 1 巷道支护支架液 压缸位置闭环控制 系统原理 Fi g ． 1 Pr i n c i p l e o f do s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m f o r hy dr a ul i c c y l i nd e r p os i t i on o f r oa dwa y s u pp or t 系统 根据 控制 器 预设 的液 压 缸位 移信 号使 电液 比例换 向阀的阀芯移动 ， 进而控制液压缸运动 ， 同时 位移传感器将液压缸位移信号反馈至控制器 ， 与 预 设 的位移信号进行 比较后得 到位移偏差信号 ， 控制 器根据该位移偏差信号控制电液比例换 向阀的阀芯 移 动 ， 进 而 控 制 液 压 缸 位 移 ， 直 至 位 移 偏 差 信 号 为 零 。控制器 采 用简 单、 可靠 且具 有较 强鲁 棒 性 的 P I D控 制 算法 。 2 系统建 模 以液压缸活塞杆伸 出为分析对象 ， 其受力模型 如 图 2所示 。 活 塞杆 的力 平 衡方 程为 Pl A1 一 P2 Az一 1 7 “L T g p Bp Xp Kx p FL 1 式 中 P ， P z 分 别 为 无 杆 腔 和 有 杆 腔 的 压 力 ； A ， A 图 2 液压缸活塞杆伸 出受力模型 F i g ． 2 M e c h a n i c a l mo d e l o f p i s t o n r o d e x t e n d i n g o f hy dr a u l i c c y l i n de r 分别 为无 杆腔 和有 杆腔 的有 效 作 用 面积 ； 仇 为活 塞 及 负 载 的总质 量 ； ．2 7 为活 塞 位 移 ； B 为 黏 性 阻尼 系 数 ； K 为 弹簧刚 度 ； F 为负 载力 。 流出电液 比例换 向阀 阀口的流量 q 和流入 电 液比例换向阀阀口的流量 q 分别为 一 f q l C d W x ／ 三 。 一 P 1 { g 2 一C d W ． ／ 兰 2 V． D 式 中 C a 为 综 合 流量 系数 ； W 为 阀 口面积 梯 度 ； z 为电液 比例换向阀的阀芯位移； p为油液密度 ； P 为 油 源压 力 。 电液 比例换 向 阀阀 口流量可 表示 为 q C d W x ／ 3 V |。 式 中 A p为 电液 比例换 向 阀两 端压 差 。 将式 3 线性 化 ， 可得负 载连续 流量 钆一 Cq ．2 7 一 C。 P L 4 式 中 C 。 为 电液 比例 换 向 阀位 移 系 数 ； C 为 流 量 一 压 力系数 ； P 为 负载压 力 。 流人液压缸无杆腔的流量 即流出电液比例换向 阀阀 口的流量 ， 流 出液 压 缸 有 杆 腔 的流 量 即 流人 电 液比例换 向阀阀lZ l 的流量， 因此 q ， g 2 可另表示为 f g l A1 【 g 2一 A2 p Ci l p Ci 1 式 中 Ci ， C 分别 为 内泄 和外 泄 系 数 ； V ， Vz分 别 为 无杆 腔和有 杆 腔 的体 积 ； 为 油液 等效 弹性模 量 。 从 液 压 缸 流量 的角 度 出发 ， 负 载 连续 流量 可另 表示 为 口 一 A 主 C t e p 6 式 中 c t 为 油液 等 效 泄 漏 系数 ， c t 一 l n c c e ， 为 液压 缸有杆 腔 和无 杆 腔 的有 效作 用 面 ， ． ． Q 芏 一 C C 一 、，、 一 一 7 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 积比 A2 一 Ps -- Pl≤ 1 为油液等 效体积 ， V 一 2 。 V1 y㈤一 Cq C 静 V t F L 一一一一一一一一一 1 一 一 一 一 ． 一 一 一 一 _ ● 图 3 巷道支护支架液压缸位 置闭环控制系统仿真模型 Fi g． 3 Si mul a t i o n mo de l of c l o s e d l o op c on t r ol s ys t e m f o r hy d r a ul i c c yl i nde r po s i t i on o f r oa dwa y s u pp or t 综合 流量 系数 为 0 ． 7 ， 等效 泄漏 系 数 为 6 1 0 ， 黏 性 阻尼系 数为 7 5 0 N s ／ m。 最高负载压力变化时 ， 仿真得到负载敏感变量 泵输 出压 力 曲线 ， 如 图 4所 示 。可看 出在 最 高 负 载 压力 变化 的情 况下 ， 负载 敏 感 变 量 泵输 出压 力 与 之 保持稳定 自适应， 二者差值恒定。 图 4负 载 敏 感 变 量 泵 输 出压 力 曲线 Fi g． 4 Out l e t p r e s s ur e c ur v e of l o ad s e n s i ng v a r i a bl e pu mp 设 置仿 真时 间为 1 0 S ， 采样 间隔 为 0 ． 0 1 S ； 预设 的 液 压 缸 位 移 信 号 在 0～ 5 ．5 S从 0 上 升 至 3 5 0 mi l l ， 5 ． 5 ～7 S保 持 3 5 0 mm 不 变 ， 7 ～ 1 0 S从 3 5 0 r n lT i 下降 至 1 1 5 mm； 放 大器 增益 为 4 8 0 ； 低 通滤 波器 的时 间常 数 为 0 ． 0 2 8 ， 增 益 为 4 O ； P I D 控 制 算 法 的 比例 系 数 为 8 、 积 分 系 数 为 0 ． 8 、 微 分 系 数 为 0． 2 5。 仿 真 得 到 液压 缸 位 移跟 踪 、 液 压 缸位 移 跟 踪误 差 曲线 ， 分 别如 图 5 、 图 6所示 。 g g 图 5液压缸位移跟踪曲线 Fi g． 5 Di s pl a c e me n t t r a c k i n g c ur v e o f hyd r a u l i c c y l i nd e r 0． 6 譬0 ．4 0 2 4 6 8 l U 时间／ s 图 6 液压缸位移跟踪误差 曲线 Fi g ．6 Di s p l a c e me nt t r ac ki ng e r r or c ur ve of hy dr a ul i c c yl i nde r 从 图 5可看 出 ， 液 压 缸实 际位 移 能 迅 速跟 踪 给 定 位移 ， 表 明系统 响应 速度 快 ， 且 跟踪 过程 中产 生 的 超 调很 小 ， 液压缸 运 动过程 较平 稳 。从 图 6可看 出 ， 位 移跟 踪误 差 最 大 值 约 为 0 ． 6 mm， 即 液 压 缸 位 置 2 0 1 7年 第 1 O期 王 帆等 巷道 支护 支架液 压缸位 置 闭环控 制 系统设 计 7 7 控制精度在 0 ． 6 mm 以内。 4 结语 在 AME S i m仿真环境下对巷道支护支架液压 缸位置闭环控制系统进行 了仿真分析 ， 结果表明 负 载敏 感 变量 泵输 出压 力能 稳定 自适 应 最高 负载 压力 变化 ， 从 而达 到节 能 的 目的 ； 液压缸 实 际位 移能 快速 跟踪给定位移 ， 跟踪过程 中产生的超调很小且运行 平稳 ， 液压缸位置控制精度在 0 ． 6 mm 以内， 满足煤 矿巷道支护支架液压缸位置高精度控制需要 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1] [ 2] [3] [4] E 5] [6 ] 褚言军． 基 于 P M3 1系统的液压支架成组多架 同步 自 动 控制的研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 6 7 3 7 5 ． CHU Ya n j u n ．Re s e a r c h o f s y n c h r o n o u s l y a u t o ma t i c c o n t r o l o f g r o u p e d mu l t i h y d r a u l i c s u p p o r t s b a s e d o n P M3 1 s y s t e m[ 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 1 1 ， 3 7 6 7 3 7 5 ． YANG Hu a y o n g， SHI Hu，GONG Gu o f a n g，e t a 1 ． El e c t r o hy dr a ul i c pr op or t i o na l c ont r ol of t hr u s t s y s t e m f o r s h i e l d t u n n e l i n g ma c h i n e E J ] ． Au t o ma t i o n i n Co n s t r u c t i o n， 2 0 0 9 ， 1 8 7 9 5 0 - 9 5 6 ． 陈加胜 ， 高 明 中． 快速 掘进配套 临时支 护液 压支 架设 计 f J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 1 2 1 5 ． CHEN J i a s h e n g， GAO M i n g z h o n g ．Hy d r a u l i c s upp or t s d e s i gn o f t e mpo r a r y s u ppo r t f o r qu i c k t u n n e l i n g [ J ] ．C o a l Mi n e Ma c h i n e r y ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 12 15 ． HUANG Gu o q i n ．CHEN Yu ，YU J i n ．S i mu l a t i o n a n a l y s i s i n c y l i n d e r hy d r a u l i c s y n c h r o n o u s c o n t r o l s ys t e m o f ma i n d r i ve s y s t e m of he a vy f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s[ J ] ．A d v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 3 ， 7 6 5 ／ 7 6 6 ／ 7 6 7 1 8 9 9 1 9 0 2 ． 宋君 君 ， 于少 娟 ， 彭 昌． 基 于 AME s i m 的 自适 应控 制 在 电液力伺 服系统上 仿真研究 [ J ] ． 工业控 制计算机 ， 2 0 1 2 ， 2 5 6 3 4 3 6 ． S ONG J u n j u n， YU S h a o j u a n， P ENG Ch a n g ． Si mul a t i on o f e l e c t r i c hy dr au l i c s e r v o s y s t e m c o n t r o l l e d a d a p t i v e b a s e d o n AME s i m[ J ] ． I n d u s t r i a l Co n t r o l Co mp u t e r ， 2 0 1 2 ， 2 5 6 3 4 3 6 ． 柳波 ， 师辉宇 ， 黄杰 ， 等． 运用 模糊控 制 的电液 同步 控 制 系统研究 E J ] ． 现代制造工程 ， 2 0 1 0 7 1 1 3 一 l l 7 ． [7 ] [ 8] E 9] E l O ] E n] [ 1 2 ] E 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] LI u Bo ， S HI Hu i y u， HUANG J i e ， e t a 1 ． Re s e a r c h o n e l e c t r o h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n f u z z y c o n t r o l[J] ． Mo d e r n Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e r i n g， 2 0 1 0 7 1 1 3 1 1 7 ． 刘 海 丽 ， 李 华 聪．液 压 机 械 系 统 建 模 仿 真 软 件 AME S i m 及 其 应 用 [ J ] ．机 床 与 液 压 ， 2 0 0 6 6 1 2 4～ 12 6 ． LI U Ha i l i ，LI H u a c o n g ． M o d e l i n g a n d s i mu l a t i o n s o f t wa r e AM E S i m a n d i t s a p p l i c a t i o n f o r h y d r a u l i c - me c h a n i c s y s t e m[ J ] ． Ma c h i n e T o o l Hy d r a u l i c s ， 2 0 0 6 6 1 2 4 1 2 6 ． YANG Hua y o ng， SHI Hu，G0NG Gu of a n g．M ot i o n c on t r o l of t hr u s t s ys t e m f o r s hi e l d t unn e l i ng mac hi ne [ J ] ．J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y ，2 0 1 0 ， 1 7 3 5 3 7 - 5 4 3 ． 齐 晓苗． 巷 道 用 临 时 支 护 设 备 电 液 控 制 系 统 研 究 [ D ] ． 阜新 辽 宁工程技术 大学 ， 2 0 1 2 ． HAN H Y， W ANG J ，HUANG Q X．An a l y s i s o f u n s y mme t r i c a l v a l v e c o n t r o l l i n g u n s y mme t r i c a l c y l i n d e r s t a b i l i t y i n h y d r a u l i c l e v e l e r E J ] ． No n l i n e a r Dy n a mi c s ， 2 0 1 2， 7 0 2 1 1 9 9 1 2 0 3 ． 郭文孝． 综掘面临时支护支架组液压控制系统 的设 计 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 5 ， 4 7 9 2 8 3 0 ． GUO W e n x i a o ． De s i g n o n h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f t e mpo r a r y s u pp or t gr ou p i n f ul l y me c h an i z e d e x c a v a t i o n f a c e [ J ] ． C o a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 5 ， 4 7 9 28 3 O． XI AO J u l i a n g， W ANG Gu o d o n g ， S ONG We i k e ． El e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m o f r i n g g a t e f o r h y d r a u l i c t u r b i n e E C ] ／ ／ A s i a P a c i f i c Po we r a n d En e r g y En g i n e e r i n g C o n f e r e n c e ， W uha n， 2 00 9 1 - 5 ． 苏东海 ， 韩 国惠 ， 于江华 ， 等． 液压 同步控 制 系统及其 应用E J ] ． 沈 阳工业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 4 3 6 4 3 6 7 ． S U Do n g h a i ，HAN Gu o h u i ，YU J i a n g h u a ，e t a 1 ． De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f S h e n y a n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 2 0 0 5， 2 7 4 3 6 4 3 6 7 ． 付 永领． A ME S i m 系统 建模 和仿 真 从 入 门到精 通E M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 付永领 ， 祁晓 野． L MS I ma g i n e ． L a b AME S i m 系统建 模 和仿真参考 手册 E M] ． 北京 北京 航空航 天大 学 出 版 社 ， 2 O 1 1 ．