巷道超前支架的電液伺服位置壓力復合控制方法

謝　苗　劉治翔　池　城　毛　君

1.遼寧工程技術大學,阜新,123000　2.煤科集團沈陽研究院有限公司,沈陽,110000

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巷道超前支架的電液伺服位置壓力復合控制方法

謝苗1劉治翔1池城2毛君1

1.遼寧工程技術大學,阜新,1230002.煤科集團沈陽研究院有限公司,沈陽,110000

摘要：考慮到綜掘巷道液壓邁步式超前支架的工作原理，以及超前支架在支撐過程中的實際工作特點，以提高支撐效率、減小超前支架在支撐過程對頂板擾動影響為控制目標，提出了一種電液伺服位置壓力復合控制方法。該方法采用模糊切換控制器進行電液位置與電液壓力控制的轉換。對該方法進行了數(shù)字模擬仿真與樣機模擬實驗，理論分析與實驗結果表明，該控制方法能夠有效地使超前支架在從未支撐態(tài)以最快速度轉換到支撐態(tài)，并且能夠在位置控制與壓力控制之間實現(xiàn)無沖擊切換，以降低支架對頂板的擾動。研究結果為綜掘巷道液壓邁步式超前支架裝備的研發(fā)及控制策略的研究提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：超前支架；壓力控制；位置控制；復合控制；電液伺服；模糊控制器

0引言

綜掘巷道液壓邁步式超前支架是一種應用于綜掘迎頭巷道的臨時支護設備，其特點為能夠在綜掘巷道內自主移動，在掘進成巷過程中及時有效地支護掘進迎頭頂板，保持頂板穩(wěn)定。隨著掘進機前移，超前支架也隨之邁步移動，通過超前支架的兩組支撐裝置，可以進行單組和雙組交替支撐，以保證頂板始終處于支撐狀態(tài)[1]。

文獻[2]針對巷道超前支架容易受到?jīng)_擊地壓的不利影響,研究了一種基于改進型擾動觀測器的支撐力控制策略，研究結果表明該控制策略能夠減小沖擊地壓對正在支護的超前支架的不利影響；文獻[3]對超前支架多缸同步控制策略進行了深入研究，研究了一種等狀態(tài)交叉耦合模糊同步控制策略；文獻[4]對超前支架-頂板體系建立了力學模型，使用奇異函數(shù)法建立頂板載荷與超前支架耦合作用下頂板與超前支架撓度方程，其對耦合體系變形規(guī)律的研究具有較高的工程應用價值;文獻[5]對基于模糊PID控制算法的超前支架在支撐過程支撐力控制策略進行研究，研究結果表明，使用模糊PID控制算法的控制效果要優(yōu)于常規(guī)PID控制算法的控制效果。以上文獻主要針對超前支架控制策略進行研究，沒有針對超前支架上升過程的電液速度、壓力復合控制策略進行深入研究。

為了提高超前支架的支護效率，實際工作時，首先使用位置控制將支架的支撐頂梁以最快速度運行到接近頂板的位置，再通過轉換控制器從位置控制平穩(wěn)切換到壓力控制。那么，在何時、何種情況下切換控制器，以及控制器采用怎樣的結構，才能夠取得最優(yōu)的切換效果已經(jīng)成為巷道超前支架裝備研究的關鍵問題之一。

1超前支架組成及工作原理

超前支架主要分為主支撐組、副支撐組、前進推移機構以及側幫支護等部件。其中，主支撐組、副支撐組結構相似，主要由立柱、縱梁、橫梁、頂部阻尼體、平衡千斤頂?shù)炔考M成。超前支架結構組成如圖1所示。

邁步式超前支架的工作原理分為邁步行走和交互支撐兩部分，設備的支護可以分為定支護和邁步支護兩種支護形式。超前支架迎頭巷道支護原理如圖2所示。在定支護時，由主支撐組和副支撐組同時承擔頂板的壓力，共同起到支護作用。主支撐組和副支撐組的8個支撐油缸同時升起。

在邁步支護時，超前支架需要隨著掘進機的向前推移工作以邁步的方式交替向前行走。在行走的過程中，要求主支撐組和副支撐組交替與頂板接觸，承受頂板的全部壓力，使得頂板始終得到有效支護[6-7]。邁步向前行走時，主支撐組首先需要保持支撐狀態(tài)不變，將副支撐組下降至主支撐組橫梁上，主支撐組立柱繼續(xù)收縮，使得主支撐組的底座抬離地面懸于空中，此時推移油缸將副支撐組向前推移，當推移至一個邁步距離后停止推移，并且將副支撐組立柱伸出，使得副支撐組的底座再次壓到巷道底板以支撐整個機架，副支撐組的縱梁被頂起，與主支撐組共同支撐頂板，這樣一個邁步過程結束，以此往復即可完成邁步行走。

超前支架的液壓系統(tǒng)如圖3所示。超前支架立柱油缸與頂梁相連,通過電液伺服閥控制立柱油缸有桿腔和無桿腔內流量的變化，可以控制頂梁升降的快慢，當頂梁與頂板接觸后，可以控制兩腔內壓力差，實現(xiàn)不同的壓力控制。磁致伸縮位移傳感器可以監(jiān)測頂梁的實時位置，安裝在電液伺服閥出口的油壓力傳感器用于監(jiān)測油缸兩腔壓力。

2位置壓力復合控制方法

2.1位置、壓力控制機理

由超前支架液壓系統(tǒng)原理圖(圖3)可以得出圖4、圖5分別為對其液壓缸位移進行控制和對其液壓缸輸出力進行控制的傳遞函數(shù)框圖。圖4中,Us為壓力的設定值;Ue為電液比例閥放大器輸入電壓信號;Ur為力傳感器輸出電壓信號;Ka為電液比例閥放大器的增益;Ksv為電液比例閥閥芯位移的增益;Gsv為電液比例閥傳遞函數(shù);xv為電液比例閥閥芯位移；Kq為電液比例閥流量增益;Kce為比例閥的壓力流量系數(shù);βe為液壓油綜合體積彈性模量;V為液壓缸容積腔總體積;Ap為液壓缸等效作用面積;pL為液壓缸兩缸壓強差;p為液壓缸輸出力;m為負載等效質量;BL為液壓缸的阻尼系數(shù);KF為力傳感器的反饋增益;K為負載的彈性系數(shù);xp為液壓缸位移;QL為系統(tǒng)流量。

視電液伺服閥為理想滑閥，通過上述分析可以得到電液伺服閥的基本流量方程、液壓缸的流量連續(xù)方程和平衡方程：

(1)

式中,Ct為液壓缸總泄漏系數(shù)。

由式(1)通過拉普拉斯變換并簡化解得閥芯位移到液壓缸輸出力之間的傳遞函數(shù):

(2)

為了簡化系統(tǒng)動態(tài)特性，將電液伺服閥的傳遞函數(shù)用二階振蕩環(huán)節(jié)近似表示，可得其傳遞函數(shù)：

(3)

式中,ωsv為電液伺服閥的固有頻率；ζsv為電液伺服閥的阻尼比[8]。

通過對電液伺服和壓力控制的機理進行分析可以看出,在進行位置控制時，由于反饋信號取自位移傳感器，液壓缸輸出的力會隨著負載力變化而變化，力環(huán)屬于開環(huán)，負載力是系統(tǒng)的干擾量；在進行力控制時檢測信號取自液壓缸兩腔壓力差，位置環(huán)屬于開環(huán)，是系統(tǒng)的干擾量。

可以看出這兩種需求在控制上，其控制器的結構、參數(shù)均不相同，因此不可能用一個控制器同時進行壓力和位置的控制。

2.2并聯(lián)復合控制方法分析

目前對電液位置或電液壓力的單獨控制已經(jīng)有了非常成熟的研究，但是對于如何將兩種控制方式進行有機融合，實現(xiàn)平穩(wěn)的切換還有待研究?，F(xiàn)在對于電液位置、壓力的復合控制主要通過并聯(lián)方式進行實現(xiàn)。并聯(lián)方式的壓力與位置控制原理如圖6所示[9-11]。

所謂并聯(lián)控制，就是分別對位置和壓力控制回路進行設計，通過設定的位置轉換點和轉換開關將系統(tǒng)從位置回路轉到壓力控制來實現(xiàn)的。并聯(lián)控制的優(yōu)點是，可以將現(xiàn)有的非常成熟的電液位置、壓力控制策略應用于其單獨的控制回路;缺點是由于是兩種控制回路同時工作，如果在轉換點轉換不當就會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，如果在轉換點未及時完成由位置到壓力控制的轉換就會使超前支架系統(tǒng)施加很大的支撐力于被支撐的頂板,對整個巷道的穩(wěn)定性有很大的影響。

2.3模糊切換控制方法

針對并聯(lián)復合控制方法存在的問題，設計了一種模糊切換的電液伺服位置、壓力復合控制系統(tǒng)，其原理如圖7所示。該系統(tǒng)在并聯(lián)切換復合控制系統(tǒng)基礎上增加了一個模糊切換控制器，為了便于分析和實現(xiàn)，在位置閉環(huán)控制回路中采用普通PID控制器，在壓力閉環(huán)控制回路中采用模糊控制器。模糊切換控制器實際上是一個單輸入單輸出的一維模糊控制器，其輸入為安裝于支架與被支撐頂板之間的力傳感器，其輸出為切換因子α。其工作原理是，通過力傳感器檢測出支架與支撐頂板的接觸情況，通過模糊控制器計算出切換因子α的值。在壓力控制回路中，將電液伺服系統(tǒng)輸出的壓力與設定值進行比較，之后乘以切換因子α,作為壓力閉環(huán)系統(tǒng)的輸入；在位置控制回路中，將電液伺服系統(tǒng)輸出的位移與設定值進行比較，之后乘以切換因子(1-α),作為位置閉環(huán)系統(tǒng)的輸入；當傳感器檢測到支架與被支撐頂板之間的作用力為0時，支架并沒有運行到與頂板接觸的位置，此時切換因子α輸出在0附近，壓力控制回路的輸入為0，即系統(tǒng)處于位置控制回路中;當傳感器檢測到支架與被支撐頂板之間的作用力不為0時，支架已經(jīng)與頂板接觸，此時切換因子α輸出在1附近,位置控制回路的輸入為0，系統(tǒng)處于壓力控制回路中。這樣切換因子的作用使得系統(tǒng)在由位置切換到壓力控制過程中過度平緩，不至于出現(xiàn)突然切換而引起的振蕩及沖擊,能夠對超前支架以及巷道頂板進行保護。對于電液伺服力和位置的模糊控制器和PID控制在文獻[12-13]中已經(jīng)有了非常詳細的敘述，在此不再贅述。

3仿真分析

模糊切換控制器是一個單輸入單輸出的一維模糊控制器,需要對輸入的力信號p和輸出的切換因子α進行模糊化與解模糊，由于模糊切換控制器在控制系統(tǒng)進行位置與壓力切換，主要發(fā)生在支撐力為0和設定最大值時，切換因子α對應為0和1時，支撐力p在0與最大值左右時，對模糊切換控制器作用影響較大， 因此在設定支撐力p和切換因子α的模糊論域時，在0和1附近需要選取得相對密集，此時，采用均勻劃分論域的常規(guī)方法就不適用。設定支撐力p變化范圍為[0,0.5]kN,并用模糊子集CP1={NB,NM,NO,NS,O,PS,PO,PM,PB}表示真實值子集{0.5，0.475，0.425，0.4,0.25，0.1,0.075，0.025,0}。設定切換因子α變化范圍為[0,1],用模糊子集CP2={VB，MB，B，NB，M，NS，S，MS，VS}表示{1,0.95,0.9,0.85,0.5,0.15,0.1,0.05,0}。

根據(jù)實驗測量以及專家經(jīng)驗可以得出模糊切換控制器的規(guī)則，然后構建p和α這兩個輸入輸出參數(shù)的模糊規(guī)則表,見表1[14]。

按照超前支架模型樣機的實際工況對控制系統(tǒng)仿真模型中的各個參數(shù)進行確定，如表2所示。獨立的壓力控制器采用模糊PID控制器，其模糊PID參數(shù)分別為:KPP=0.9，KPI=1.2,KPD=0.2;獨立的位置控制器采用常規(guī)PID控制器,其PID參數(shù)分別為:KXP=0.8，KXI=0.5,KXD=4.0。

采用直接切換方式時，設定當液壓缸位移達到390mm時進行由位置控制到壓力控制的切換;采用模糊切換方式時，切換控制器通過檢測頂梁與頂板接觸力的大小自動進行切換，因此不需要對位置轉換點進行設定。

采用模糊切換控制方式與采用并聯(lián)復合控制方式的直接切換方法對電液伺服系統(tǒng)進行位置和壓力復合控制仿真對比，得到了液壓缸位移與速度曲線如圖8所示，液壓缸兩腔的壓力與輸出力曲線如圖9所示。分析仿真曲線可以看出,從第6s開始下達動作指令后,液壓缸以最大速度迅速上升直至接近指定位置時，速度迅速降低，系統(tǒng)由位置控制轉換為壓力控制，液壓缸兩腔壓力迅速增大，建立起壓力，直到滿足設定壓力為止，在功能上能夠滿足系統(tǒng)需求。然而在性能上，利用模糊切換控制的方法能夠具有更好的平滑過渡的能力。由速度變化曲線可以看出，在使用直接切換時，在轉換點位置處液壓缸速度輸出有明顯波動，這勢必造成液壓缸位置的失控，由液壓缸兩腔壓力與輸出力曲線可以看到這一點，輸出力瞬間最大值達到7kN，遠超過設定的4kN的支撐力，在實際應用中，有可能造成頂板失穩(wěn)等災害[15-18]。

4實際控制分析

4.1實驗樣機組成

為了研究分析本文模糊切換控制器的實際應用效果，在超前支架模型樣機上進行實驗,并與直接切換的并聯(lián)復合控制方法進行對比，超前支架模型樣機如圖10所示。在實驗室研制的實驗平臺由以下三大部分組成。

(1)迎頭頂板模擬實驗框架。迎頭頂板模擬實驗框架可通過調節(jié)框架頂部加載液壓缸組的油壓,對模擬頂板進行不同載荷的工況模擬。迎頭頂板模擬實驗框架的加載液壓伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)靜力學加載曲線壓力值的保壓調控，也可以按照多種激勵作用下的動力學加載曲線壓力變化規(guī)律對模擬頂板進行加載實驗。

(2)超前支架實驗樣機。與原型機相同，實驗模型樣機具有雙組支撐、單組支撐、交替支撐以及液壓邁步移動功能；利用雙組交替支撐結構使超前支架在交替移動時，模擬巷道頂板始終存在有效支撐，并且保證頂板受力基本保持穩(wěn)定。樣機上安裝有位移、壓力、油壓等傳感器和電控裝置。

(3)測量基準框架。研制的模擬實驗平臺可以進行模擬頂板性能實驗和超前支架-頂板體系的靜、動力學實驗。迎頭頂板模擬實驗框架和超前支架實驗樣機在實驗時分別通過壓力傳感器、位移傳感器、油壓傳感器等采集實驗數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

為了在進行復合控制時對液壓缸的位移進行監(jiān)測來實現(xiàn)滿足控制精度的閉環(huán)控制，選用MTS電流輸出型高精度磁致伸縮位移傳感器來對各個液壓缸的位移進行監(jiān)測，以彌補普通液壓缸沒有內置位移傳感器的缺憾。該傳感器采用直流24V供電，輸入信號為4～20mA標準電流信號，分辨率為0.0015%,非線性度為滿量程的±0.01%,能夠滿足測量需求。選用CFBLY-5T輪輻式壓力傳感器來監(jiān)測支架與被支撐頂板的支撐力。

4.2實驗過程及結果分析

進行實驗時，首先將超前支架調整至主支撐組支撐頂板，副支撐組未支撐頂板狀態(tài)。副支撐組降低至最低點時，頂梁距離頂板距離為400mm，因此在使用直接切換方法時，設定位置轉換點為390mm。當采用并聯(lián)復合控制方式的直接切換方法對電液伺服系統(tǒng)進行位置和壓力復合控制時，副支撐組油缸在位置控制作用下以200mm/s的速度快速上升，至390mm轉換點時系統(tǒng)自動切換到壓力控制，副支撐組油缸繼續(xù)上升直至與頂板接觸。

采用模糊切換控制方式對電液伺服系統(tǒng)進行位置和壓力復合控制時，則不需要對位置轉換點進行設置，只需要對模糊控制器輸入信號的范圍進行設定，該輸入信號由頂梁與頂板之間的力傳感器得到，其變化范圍為0～0.5kN。

通過實驗對比,得到液壓缸位移與速度曲線如圖11所示，液壓缸兩腔的壓力與輸出力曲線如圖12所示。

對比仿真曲線與實測曲線，可以看出兩者趨勢基本相同，只是由于實測曲線采樣頻率造成些許差別。進一步研究表明，采用并聯(lián)復合控制方式的直接切換方法對電液伺服系統(tǒng)進行位置和壓力復合控制時，切換步驟繁瑣，需要對壓力與位置同時設定一個精確的值，若位置設定較低，則系統(tǒng)提前進入壓力控制，由于壓力控制時，若系統(tǒng)回路增益很低會造成液壓缸運行速度極其緩慢，如果位置設定較高，則系統(tǒng)在切換過程中，由于慣性有可能造成過沖，使得壓力猛增，無法控制，對頂板造成沖擊，并引起超前支架設備的較大的振動。

5結語

本文為了解決應用電液伺服液壓系統(tǒng)的位置與壓力復合控制方法來提高超前支架支護效率的實際問題，對綜掘巷道超前支架的機構和電液伺服系統(tǒng)工作原理進行了分析。通過對比討論，分析傳統(tǒng)電液伺服位置與壓力復合控制的切換方法的缺點，提出了一種模糊切換控制器來使得超前支架能夠將支架的支撐頂梁以最快速度運行到剛剛要與頂板接觸的位置，再通過轉換控制器從位置控制平穩(wěn)切換到壓力控制。仿真與實驗結果表明，該切換控制器能夠有效克服傳統(tǒng)直接切換方式的缺點，減小切換過程中引起的振蕩以及沖擊，使得過渡過程平緩，對超前支架以及巷道頂板進行保護。

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(編輯陳勇)

Electro-hydraulicServoPositionandPressureHybridControlMethodofForepolingSystemonTunnelling

XieMiao1LiuZhixiang1ChiCheng2MaoJun1

1.LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning,1230002.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute,Shenyang,110000

Keywords:forepoling;pressurecontrol;positioncontrol;compositecontrol;electrohydraulicservo;fuzzycontroller

Abstract:Takingintoaccounttheoperationalprinciplesofforepolingequipment,andasthetargettoimprovesupportefficiencyandtoreducethedisturbanceontheroofintheprocessofsupporting,akindofspeedandpressurecompositioncontrolmethodwasproposed.Thecontrolmethodadoptedfuzzyswitchingcontrollertocompletetheconversionofelectrohydraulicpositionandelectrohydraulicpressurecontrol.Theoreticalanalysisandexperimentalresultsshowthat,comparedwiththetraditionalspeedandpressurecontrolmethod,thecontrolmethodhereincanreduceconcussionontheroofintheprocessofswitchingfromspeedcontroltopressurecontrol,andcanimprovesupportefficiency.Researchfruitscanprovideatheoreticalbasisfortheresearchandcontrolstrategyofforepolingequipment.

收稿日期：2015-03-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51304107)；遼寧省教育廳資助項目(L2012118)；遼寧省煤礦液壓技術與裝備工程研究中心開放基金資助項目(CMHT-201206)

作者簡介：謝苗,女,1980年生。遼寧工程技術大學機械工程學院副教授、博士研究生導師。主要研究方向為機械系統(tǒng)理論及設計。劉治翔(通信作者)，男，1988年生。遼寧工程技術大學機械工程學院博士研究生。池城,男,1987年生。煤科集團沈陽研究院有限公司工程師。毛君,男,1960年生。遼寧工程技術大學機械工程學院教授、博士研究生導師。

中圖分類號：TH113

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.016