煤矿液压支架系统的神经网络控制及仿真.pdf

2 0 1 2年 5月 第 4 O卷 第 1 O期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUU C S Ma v 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 2 1 煤矿液压支架系统的神经网络控制及仿真 蒋守勇 ，徐士可 ，孔祥臻 1 ．煤炭工业济南设计研究院有限公 司，山东济南 2 5 0 0 3 1 ； 2 ．山东交通学院工程机械 系，山东济南 2 5 0 0 2 3 摘要对煤矿液压支架电液控制系统采用神经网络 P I D控制策略，并进行仿真实验研究。研究结果表明采用该控制 方法可以获得在线系统动态特性，从而使控制参数的修正更加准确；能够进一步提高系统的控制精度及可靠性 ，具有较高 的工程应用 价值 。 关键词液压支架；电液控制系统；神经网络控制；P I D 中图分类号 T D 3 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 0 0 6 7 2 Ne ur a l Ne t wo r k Co nt r o l a nd S i mul a t i o n f o r Co a l M i ne Hy dr a u l i c S up po r t S y s t e m J I ANG S h o u y o n g ，XU S h i k e ，KO NG Xi a n g z h e n 1 ． C o a l l n d u s t J i n a n D e s i g nR e s e a r c h C o ． ，L t d ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f E n g i n e e r i n g M e c h a n i c a l ， S h a n d o n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 2 3 ，C h i n a Abs t r a c tNe u r a l n e t wo r k P1 D c o n t r o l me t ho d wa s i n t r o d u c e d i nt o e l e c t r o hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f c o a l mi ne h y d r a ul i c s up p o r t ，a n d s i mu l a t i o n wa s ma d e ．T h e s t u d y r e s u l t s s h o w s y s t e m o n l i n e d y n a mi c c h a r a c t e r s c a n b e o b t a i n e d b y u s i n g t h e c o n t r o l me t h o d ， S O t h e mo d i f i e d c o n t r o l p a r a me t e r s a r e mo r e c o r r e c t ．T h e s y s t e m c o n t r o l a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y a r e i mp r o v e d ．I t s h o ws h i g h e r e n g i n e e r - i n g a pp l i c a t i o n v a l ue ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s u p p o r t ；E l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m；N e u r a l n e t w o r k c o n t r o l ；P I D 煤矿液压支架 电液控制系统 的应 用 ， 为煤 矿生产 的高效 、安全和煤矿工人劳动环境及形象 的改变提供 了条件。液压支架不同位置的传感器将工作环境和不 同状态的信号传输给计算机， 计算机将根据不同的工 作状态和工艺的要求， 对电液阀发出控制信号 ，达到 对工作面设备进行控制的目的。作者对液压支架系统 采用了神经网络与P I D控制相结合的控制策略，充分 利用 了神经 网络 的 自学 习和 自适应 能力 ，可 以找到最 佳组合的P I D控制参数 ，实现对煤矿液压系统的高精 度控制。所以在煤矿液压支架系统中引入智能控制策 略，可以进一步提高煤矿生产的高效 、安全和为煤矿 工人劳动环境及形象的改变提供条件。 1 实验系统组成及工作原理 系统主要由电液比例方向阀、液压缸、位移传感 器 、A ／ D、D ／ A转换装置等组成 。实验系统 原理如 图 1 所示 。该 系统 的基 本 原理 是通 过计算 机 控制 软件 、 电液 比例 阀 2 、液压缸 3的调节作用 ，使 输入 电压信 号 u 与油缸位移反馈信号 “ 与油缸位移之间是 线性关 系之差 △ n减小并趋于零 ，从而 实现两 油缸 例 方 向阀 感 器 图 1 实验系统工作原理图 对输入信号的跟踪。具体调节过程如下当给定的输 入信号 ／Z 大 于反 馈信号 “ ，即 A u 0时 ，比例 阀的 左路接通，油缸左腔的压力升高，推动活塞右移。油 缸活塞 的右移使反馈 电压 信号 “ 增大 ，电压 偏差 △ 随之减小 ，如此反 复 ，直至 △ “几乎 为零 。反之 ，当 给定的输入信号 u 小于反馈信号 u ，即 A u 0时， 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 0 6 基金项目山东省高等学校科技计划项 目 J 1 1 L D 5 8 ；山东交通学院基金资助项 目 Z 2 0 1 1 2 7 作者简介蒋守勇 1 9 7 9 一 ，男，工程师，主要研究方向为机 电一体化、煤矿机械设计。Em a i l j i a n g s h o u y o n g c j d c h i 6 8 机床与液压 第 4 0卷 通过与上述相反 的调节过程使偏差趋于零 。在达到稳 定 时 ，A u 0 ，即 U u k x k为 比例 系数 。从 而 实现输入信号 U 对油缸活塞位移的定位控制。 2 神经网络 P I D控制器设计 采用基于 B P网络 的 P I D控 制 ，网络 选 为 3层 ， 结构 为 3 8 3 。输 出节点 分别对 应 P I D控制 器 的 3 个可调参数 、 、 。设 计 B P网络 的结构 如 图 2 所示 输入 层 隐含 层 输 出层 图 2 用于控制 的 B P网络结构图 输人层 有 3个节点 ，其输入分别为 ，s ” k e k I ， ∑e 1 l L 5 ” k e k 一e k一1 式 中e k r k 一 Y k 。 输出层的神经元个数为 3 ，其输出为 ∑加 o l ’ s； k g [ n e t I k ] 1 1 ， 2 ， 3 K 2 K。s k K。s 式 中 删 表示输 出层 的加权 系数 ；g [ ] 为输 出层 的 激 活函数 ，g [ ] 1 ／ 1 e 。 神经网络控制器的输出控制量 u k 为 U k U k 一1 [ e k 一 e k 一 1 ] K e k K [ e k 一 2 e k 一 1 e k 一 2 ] 3 以性能指标 J ． [ r k 1 一 多 k 1 ] ／ 2的最小 化来训 练控制器参数 。 根 据上述学习算 法 ，可 以编制程序 ，实现神经网 络对 系统 的控制 。 3仿真实验研究 以抛物线作为理想缓冲 曲线 ，采用 神经 网络 P I D 控制策略 ，对系统 进行 了仿 真实 验研 究。图 3 、4是 在定位点为 1 5 0 m、缓 冲距离 为 6 0 l n 、负载 为 l 0 0 0 N的条件下 ，系统压力分别为 1 2 、8 M P a 时得到 的实 验 曲线 。 1 5 0 ． 0 l 3 8 ． 0 1 26． 0 11 4． 0 l O 2 ． 0 9 0． 0 图 3 压力为 1 2 MP a 图 4 压力为 8 MP a 实验 曲线 实验 曲线 可 以看 出加 入神经 网络 P I D控制 的煤矿液压支 架系统在 系统压 力 变化 时 ，仍 能得 到较 好 的控 制精 度 ，这表明控制器具有一 定的 自学习 、自调整 和 自适 应能力 ，对 系统参数变化具有较大的灵活性 ，系统鲁 棒性好。 4结 论 将神经网络引入煤矿液压支架系统中，既发挥了 神经 网络 的在线学 习能力 ，又克服了传 统 P I D控制器 控制参数不能在线调整的缺陷。神经网络控制器将训 练好 的控制参数输 出，对系统实现在线控制 ，从 而进 一 步提高了控制精度 。仿真实验结果表 明该 系统具 有很强 的鲁棒性和适应性 ，可以在工作 面实现稳定可 靠 的 自动控制 。 参考文献 【 1 】陈立伟 ， 裴蓓． 基于 B P神经网络对综放工作面回采率 的预测 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 0 2 6 1 6 3 ． 【 2 】李国友， 周巧玲， 张广路， 等． 二次调节转速系统的 自适 应神经模糊 P I D控制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 1 9 5 9 8． 【 3 】李颖 ， 朱佰立， 张威． S i m u l i n k 动态系统建模与仿真分析 [ M] ． 西安 西安电子科技大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 4 】李洪人， 王栋梁 ， 李春萍． 非对称缸电液伺服系统的静态 特性分析[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 3 2 1 82 2 ． 【 5 】舒凤翔， 闫海峰， 张幸福． 液压支架立柱试验台液压系统 的设计及仿真[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 2 2 9 3 1 ． 【 6 】 谢建， 何德虎， 李 基于观测器和神经网络的液压系统 故障诊断方法研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 】 3 5一 】 3 7