液压支架顶梁位姿调控仿真分析.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol 45 No10 Oct 82019 11111--1 l l l l r--.l l Il l --.l l Il l r--.l l Il l --.l l Il l r--.l l Il l --.l l Il l --.l l Ul，- I青年专家学术专栏t -l l l l l --l l l l-11111--l l l l l --l l l l l --l l l l l --l l l l l --l l l l l --l l l l l --l l l l l --l l l l i 文章编号1671-251X2019 10-0011-06DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 17470 液压支架顶梁位姿调控仿真分析 任怀伟1,李帅帅1,李勰3,付庄 1.天地科技股份有限公司开采设计事业部％北京100013； 2.煤炭科学研究总院开采研究分院％北京100013； 3.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240 扫码移动阅读 摘要针对液压支架稳态支护对液压支架控制器自适应控制快速性和强抗干扰能力要求，以ZY10800/ 28/63支顶掩护式液压支架为研究对象，建立了液压支架运动学模型和阀控液压缸液压系统传递函数，设计 了 一种包含速度补偿的RBF神经网络控制器，基于该控制器提出了 一种液压支架顶梁位姿调控系统，通过 控制立柱和平衡千斤顶长度，保证支护状态下液压支架顶梁高度和姿态角稳定在Ma t l a b/Simul in k中建 立了液压支架顶梁位姿调控系统仿真模型并进行实验，结果表明RBF神经网络控制器对阶跃信号的响应 时间短，未出现超调现象；在施加顶梁冲击力情况下，RBF神经网络控制器较PID控制器和滑模控制器具有 更快的响应速度、更小的超调量和更强的抗干扰能力，能维持支架顶梁位姿处于目标位置，具有良好的稳 定性 关键词液压支架；稳态支护；顶梁位姿调控；顶梁高度调节；顶梁姿态角调节；自适应调控；RBF神 网络控 中图分类号TD355 文献标志码A Simul a t ion a n a l y sis of r oof b ea mposit ion a n d a t it udecon t r ol of hy dr a ul icsuppor t REN Hua iwei12 , LI Shua ishua i12 , LI Xie3 , FU Zhua n g3 1.Coa l Min in g a n dDesig n in g Depa r t men t ,Tia n diScien cea n dTechn ol og y Co.,Lt d.,Beijin g 100013, Chin a ;2.Coa l Min in g Br a n ch,Chin a Coa l Resea r chIn st it ut e,Beijin g 100013,Chin a ; 3.School of Mecha n ica l En g in eer in g ,Sha n g ha iJia oTon g Un iv er sit y ,Sha n g ha i200240,Chin a AbstractFor r a pidit y a n dst r on g a n t i-in t er f er en cer equir emen t sof sel f -a da pt iv econ t r ol of hy dr a ul ic suppor t con t r ol er un der st a bl e suppor t st a t e, a k in ema t ics model of hy dr a ul icsuppor t a n d a t r a n sf er f un ct ion of hy dr a ul ic sy st em in v a l v e-con t r ol l ed hy dr a ul ic cy l in der wer e buil t t a k in g ZY10800/28/63 r oof - st a n din g a n d shiel din g hy dr a ul ic suppor t a s a r esea r ch object ,a n d a RBF n eur a l n et wor k con t r oler in cl udin g speedcompen sa t ion wa sdesig n ed.Ba sedon t hecon t r oler ,a r oof b ea m posit ion a n datit ude con t r ol sy st emof hy dr a ul icsuppor t wa spr oposed,whichen sur edst a bil it y of r oof bea mheig ht a n datit ude a n g l eof hy dr a ul icsuppor t un der suppor t in g con dit ion t hr oug hcon t r olin g l en g t hof col umn cy l in der a n d equil ibr iumja ck . A simul a t ion model of t hesy st em wa sb uil t in Ma t l a b/Simul in k a n dexper imen t s wer e t a k en out .Theexper imen t a l r esul t sshowt ha t t heRBFn eur a l n et wor k con t r oler ha sshor t r espon set ime t o st ep sig n a l a n d n o ov er -shoot . When impa ct f or ce is l oa ded on r oof bea m, t he RBF n eur a l n et wor k 收稿日期收稿日期2019-06-28；修回日期修回日期 2019-09-25；责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目国家重点研发计划项目2017YFC0603005国家自然科学基金面上项目518741774。 作者简介作者简介任怀伟1980 男，河北廊坊人，研究员，博士，现主要从事煤机装备创新研发、工作面自动化及智能化技术研究工作,E-ma il r hua iweit dk csj. com。 引用格式任怀伟,李帅帅，李勰，等.液压支架顶梁位姿调控仿真分析工矿自动化，2019,451011-16. REN Hua iwei, LI Shua ishua i, LI Xie, et a l . Simul a t ion a n a l y sis of r oof bea m posit ion a n d a t t it ude con t r ol of hy dr a ul ic suppor t , In dut r y a n d Min eAut oma t ion 2019 451011-16. ・12・ 工矿自动化 45 con t r ol l er ha s f a st er r espon se speed, sma l l er ov er -shoot a n d st r on g er a n t i-in t er f er en ce per f or ma n ce t ha n PID con t r ol l er a n d sl idin g mode con t r ol l er , which ca n k eep r oof bea m posit ion a n d a t t it ude in t a r g et v a l ue wit h g ood st a bil it y . Key words hy dr a ul ic suppor t; st a bl e suppor t; r oof bea m posit ion a n d a t t it ude con t r ol; r oof bea m heig ht con t r ol ; r oof bea m a t t it ude a n g l e con t r ol ; sel f -a da pt iv e con t r ol ; RBF n eur a l n et wor k con t r ol 4引言引言 随着煤层开采深度和开采煤层厚度的增加，更 为复杂的地质环境和断层构造给综采工作面液压支 架承载能力和稳定性控制带来了更大挑战W 面 对深部煤层的高地应力、高采动影响和高动载冲击 时，液压支架承受动载冲击和偏载的概率会大幅上 升「5灯，而支架的主要承载部件是与顶板直接接触的 顶梁。因此，实现顶梁高度和姿态角的稳定性控制 不仅能保证液压支架本身的稳态支护，还能有效维 护工作面围岩稳定性，为煤矿开采作业顺利进行及 人员与设备安全提供保障。 近年来，液压支架姿态信息获取和位姿调控成 为支架自适应控制领域的研究热点。史文萍⑺将模 糊自适应PID控制算法引入液压支架控制系统，实 现了系统预警、预测、预案。朱殿瑞「8-分析了液压支 架在使用过程中可能出现的各种姿态，建立了支架 运动学模型，通过倾角传感器测量前连杆、顶梁和底 座倾角，为液压支架姿态监测提供了理论依据。张 坤「9-、文治国等「词以两柱掩护式液压支架为例，通 过在支架顶梁、底座、前连杆上布置倾角传感器，建 立了支架姿态数学模型，并推导了支架在任意姿态 下关键参数的姿态算法,搭建了姿态虚拟样机，提出 了自适应控制策略。周凯等通过建立液压支架 矢量闭环运动方程并对顶梁和掩护梁进行受力分 析，给出了立柱、平衡千斤顶油缸与支架位姿参数的 关系，建立了液压支架姿态及受载信息反演数学模 型。李海锋口2-、蒋守勇等通过正向运动建立训 练数据集，构造逆运动模型，设计了一种基于BP神 经网络的位姿空间到驱动空间的非线性转换模型， 实现了液压支架支护位姿的实时监测。笔者及其团 队［14-15］提出了液压支架支护状况获取与模糊综合 评价方法、液压支架-围岩自适应支护控制方法等， 于 制 方 液压支架 度、强度及稳定性耦合自适应控制策略，可根据外载 变化自动调节液压支架的安全阀开启压力及立柱、 平衡千斤顶压力，保证液压支架处于合理支护状态 液 压 支 架 支 护 过 程 中 ， 受 力 状 分 复杂。岩石垮落、基本顶断裂垮落等现象时有发生， 导致液压支架载荷瞬时增大或合力作用点偏离柱窝 位置，造成支架顶梁下沉和俯仰“低头”或“抬头 等姿态失稳现象。这对液压支架控制器在稳态支护 状态下自适应控制的快速性和强抗干扰能力提出了 更高要求。针对该问题，本文在上述研究基础上，以 支顶掩护式液压支架为研究对象，设计了一种包含 速度补偿的RBF神经网络控制器，并基于该控制器 一 种 液压支 架 梁 位 ， 过 和平 千 进 行 ， 保 支 护 过 程 中 液 压 支架 梁位 定 ， 为 液 压 支 架 适 供了理论支撑。 1液压支架顶梁位姿调控数学模型液压支架顶梁位姿调控数学模型 以ZY10800/28/63支顶掩护式液压支架为研 究对象，其结构模型如图1所示。该支架为两自由 度 ， 过 和平 千 动 支架运 动 ， 从而控制顶梁高度和姿态角。图1中久一 .6为液压支架掩护梁前连杆钱接孔到平衡千斤顶 距离 ;.7 为平 千 梁钱接孔距离;.8为液压支架顶梁掩护梁钱接孔到 顶梁上平衡千斤顶钱接点距离；.9为平衡千斤顶钱 点 窝 距离 ;.10 ，.11 分 为 和 平 千 斤顶油缸长度/ /分别为底座立柱柱窝、前连 点 、 点 、 梁 窝 、 护 梁 点 、 护 梁 前 点 、 梁 平 千 点 、 护 梁 平 千 点 、 护 梁 点 图1液压支架结构模型 Fig .1 Hy dr a ul ic suppor t st r uct ur e model 2019年第10期任怀伟等液压支架顶梁位姿调控仿真分析・13・ 的高度；G 分别为立柱阻尼系数和弹性系数; C2 0分别为平衡千斤顶阻尼系数和弹性系数; Si-S5分别为液压支架立柱、后连杆、前连杆、掩护 梁、顶梁质心；S0-S分别为液压支架立柱、后连 杆、前连杆、掩护梁、顶梁钱接点到对应质心的距离; “为外部作用合力；为顶梁柱窝钱接点到质心的 ................. ................. . .1。。 2 3 4 95-T ““・ ・ 1 .11」 0.3 cos 一 L4 cos L5cos 0 0.3 sin L4 sin L5 sin 0 L10 cos 0一 .4cos [H6 sin L6 .7 cos -H5 H4 sin L8 .9 cos 5 L10 sin 0.4 sin H6 cos .6 .7 sin H4 H5 cos .8 .9 sin 0002asin 4 一一右一入224sin 4 一5 “1 “2 2 0 0 0 0 1 1一 sin i03 cos i0 0 2.11 」 式中右，2分别为顶梁掩护梁形成的锐角、与掩护 梁形成的锐角。 应用拉格朗日方法并引入等效元素的思想，建 液压支架动力学方程 ttm “5 5 ttf 4 式中 为雅可比矩阵；MM为质量矩阵；q为广义坐 距离；，分别为顶梁掩护梁钱接点到平衡千斤顶 油缸两端点距离。 根据液压支架结构模型建立闭环矢量方程，求 导后可得液压支架运动学方程「山 统在不确定、不确知环境中的控制，经典控制方法往 往达不到理想的控制效果。而基于神经网络的控制 方法不依赖被控对象的数学模型，能以任意精度逼 近任意非线性函数，可以辨识被控对象，从而获得简 单的控制模型，同时具有学习能力和自适应性，为解 决上述系统的控制问题提供了有效途径，满足动静 态控制性能要求。根据建立的液压支架顶梁位姿调 控数学模型可知，该被控对象具有多变量、非线性等 特点，采用RBF神经网络能够较好地模拟被控对象 非线性特性,模型架构简单，训练速度快，且具有全 局最优解。 标FF为力矢量。液 压 支 架 梁 位 学 知 ， 液 压 式4可写为支架立柱和平衡千斤顶的长度可唯一确定顶梁高度 51 6q为流量增益系数; Xp为液压缸有效工作面积；v为液压缸总输入位 移;6ce为总流量压力系数;Vt为液压系统总压缩容 积唯为有效体积弹性模量；为拉普拉斯算子；Fl 为作用在活塞上的外负载力为液压固有频率， 和姿态角，即可将液压支架高度和姿态角控制问题 转换为立柱和平衡千斤顶长度控制问题。因此，本 文将自适应控制策略与RBF神经网络控制架构相 结合,并考虑实际工程需求，设计了一种RBF神经 网络控制器，如图2所示，其中s；为设定值,“ 为被控对象实际输出值为s“与,；差值。 该控制器主要包括具备在线修正功能的RBF神经 网络辨识器和自适应控制器RBF神经网络辨识器 用于在线估计对象参数，自适应控制器用于实现参 数自动整定，进而有效调节阀控液压缸的输入流量, 液压支架 和 平 千 长 度 制 ， 最 到液压支架顶梁高度和姿态角在线调整目的。 TV槡为液压缸活塞和负载总质量;为 |学习算法卜一|rbf神经网络辨识器卜一1 图2 RBF神经网络控制器结构 Fig .2 St r uct ur eof RBFn eur a l n et wor k con t r oler 定义液压支架顶梁目标高度为九，反馈高度为 仏，目标姿态角为反馈姿态角为，则高度误差 和姿态角误差分别为 液压阻尼比，％ 6ce et \ Cp / Vt Xp 槡 Vt 4Xp 槡 t CP 为 液 压 缸活塞和负载的黏性阻尼系数。 2 RBF神经网络控制器 对于工业生产上复杂非线性、不确定、不确知系hd h7 ・14・工矿自动化45 在施加顶梁冲击力情况 下，RBF神经网络控制器较PID控制器和滑模控制 器具有更快的响应速度、更小的超调量和更强的抗 干扰能力,能维持液压支架顶梁位姿处于目标位置, 具有良好的稳定性。研究结果为液压支架顶梁位姿 稳定控制提供了计算方法，为液压支架群组自适应 协同控制创造了条件。 16 工矿自动化 45 参考文献References [1-王国法，李希勇，张传昌，等.8 m大采高综采工作面 成套装备研发及应用[J-煤炭科学技术 2017, 45111-8 WANG Guof a , LI Xiy on g , ZHANG Chua n cha n g , et a l .Resea r cha n ddev el opmen t a n da ppl ica t ion of set equipmen t of 8 m l a r g e min in g heig ht f uly - mecha n ized f a ce [J]. 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