液壓支架初撐力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的研究

張文杰

（晉能控股煤業(yè)挖金灣煤業(yè)公司運(yùn)輸區(qū)， 山西 大同 037042）

引言

液壓支架是井下綜采面支護(hù)的核心設(shè)備，其支護(hù)可靠性直接決定了巷道的穩(wěn)定性和綜采作業(yè)安全性。液壓支架在支護(hù)過(guò)程中的初撐力會(huì)隨著支護(hù)時(shí)間的增加不斷發(fā)生變化，為了確保支護(hù)安全，需要根據(jù)頂板壓力情況及時(shí)調(diào)節(jié)，但目前支架控制系統(tǒng)主要采用了PID 控制邏輯[1]，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其對(duì)巷道圍巖壓力變化的響應(yīng)速度慢、支架初撐力調(diào)節(jié)速度慢、工作時(shí)的超調(diào)量達(dá)到了17.5%，無(wú)法滿足井下支護(hù)安全性的需求。

1 液壓支架初撐力自動(dòng)控制系統(tǒng)

液壓支架主要包括頂梁、護(hù)幫板、立柱等，在工作時(shí)由液壓系統(tǒng)控制立柱的伸長(zhǎng)高度和工作壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同初撐力的調(diào)節(jié)。因此對(duì)液壓支架初撐力的自動(dòng)調(diào)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)支架液壓系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)控制，支架的控制系統(tǒng)主要包括油箱、傳感器、執(zhí)行油缸等，液壓控制系統(tǒng)如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，系統(tǒng)在工作中，由設(shè)置在巷道頂板及圍巖上的壓力傳感器對(duì)礦壓進(jìn)行聯(lián)系監(jiān)測(cè)，液壓支架工作時(shí)的初撐力則通過(guò)設(shè)置在油缸回路上的油壓傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)到的兩個(gè)壓力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)差值情況，判斷液壓支架的初撐力是否滿足當(dāng)前狀態(tài)下的支護(hù)安全性需求，若初撐力過(guò)大則發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，控制液控閥來(lái)實(shí)現(xiàn)支架的泄壓。若初撐力不足，則系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出所應(yīng)補(bǔ)償?shù)膲毫χ岛土髁浚ㄟ^(guò)電機(jī)帶動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁換向閥換向，通過(guò)液壓管路向油缸補(bǔ)充油壓，從而滿足初撐力提升的需求。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制

由于液壓支架的工作環(huán)境惡劣，礦壓波動(dòng)大，再加上綜采擾動(dòng)，極易造成液壓系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)，影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和使用壽命，傳統(tǒng)的控制模式中主要采用了PID 控制，雖然能夠解決系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)的問(wèn)題，但控制精度低、反應(yīng)速度慢，無(wú)法滿足支護(hù)安全性的需求。因此為了確保調(diào)節(jié)的精確性，在系統(tǒng)中引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制邏輯，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制邏輯示意圖

在該系統(tǒng)中，輸入信號(hào)r 表示傳感器監(jiān)測(cè)到的頂板的礦壓，輸出量y 表示支架的初撐力，e 表示系統(tǒng)測(cè)定的頂板礦壓和支架初撐力之間的差值，de 則表示差值e 的變化率，這些輸入量經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析處理后輸出控制變量Kp、Ki、Kd（比例、微分、積分），經(jīng)過(guò)PID 控制器的分析后輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)伺服放大器的放大處理，提高信號(hào)清晰度和抗干擾的能力，最終通過(guò)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行油缸初撐力的自動(dòng)調(diào)整。在整個(gè)控制過(guò)程中采用了閉環(huán)控制模式，不斷對(duì)輸出初撐力和頂板壓力對(duì)比，獲取的差值只有滿足一定量并持續(xù)一定時(shí)間后系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)調(diào)節(jié)控制，從而在保證控制精度的情況下保證了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和使用壽命。

3 控制系統(tǒng)仿真分析

利用AMEsim 仿真分析軟件對(duì)該自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用穩(wěn)定性進(jìn)行分析[4]，不同控制方式下液壓支架的響應(yīng)速度曲線如圖3-1 所示，不同控制方式下跟蹤響應(yīng)精度曲線如圖3-2 所示。

由圖3-1 可知，當(dāng)采用新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制時(shí)，其調(diào)節(jié)時(shí)間約為7 s，當(dāng)采用傳統(tǒng)的PID 控制時(shí)其調(diào)節(jié)時(shí)間約為80 s，表明優(yōu)化后系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間比優(yōu)化前縮短了91.25%，顯著提升了液壓支架對(duì)礦壓波動(dòng)的反應(yīng)速度。由圖3-2 可知，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制情況下的跟蹤穩(wěn)定性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制模式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制的跟蹤誤差約為±0.02，采用傳統(tǒng)PID 控制模式下的跟蹤誤差約為±0.11，其跟蹤精度比優(yōu)化前提升了5.5 倍，顯著提升了液壓支架在復(fù)雜地形條件下的工作穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 仿真分析結(jié)果示意圖

4 結(jié)論

1）支架初撐力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)支架液壓系統(tǒng)的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)初撐力的靈活調(diào)整和控制。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制邏輯不斷對(duì)輸出初撐力和頂板壓力對(duì)比，獲取的差值只有滿足一定量并持續(xù)一定時(shí)間后系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)調(diào)節(jié)控制，從而在保證控制精度的情況下保證了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和使用壽命。

3）優(yōu)化后該控制系統(tǒng)下液壓支架的響應(yīng)速度比優(yōu)化前降低了91.25%，對(duì)圍巖壓力變化的跟蹤精度比優(yōu)化前提升了5.5 倍。