基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法.pdf

第4 5 卷第5 期 2 0 2 0 年5 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．5 M a v2 0 2 0 移动阅读 付翔，王然风，赵阳升，等．基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ， 4 5 5 1 8 9 1 1 9 0 0 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 7 3 8 F UX i a n g ，W A N GR a n f e n g ，Z H A OY a n g s h e n g ，e ta 1 ．S e l f - a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o do ff l u i df e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r e f o rh y d r a u l i cs u p p o r tb a s e do no v e r l a p p i n gs y n e r g e t i cl o g i c [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 5 18 9 1 1 9 0 0 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 7 3 8 基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压 供液控制方法 付翔，王然风，赵阳升，杨永康 太原理工大学矿业工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 摘要液压支架智能化自动跟机运行是煤矿智采工作面建设的一项重要目标，针对目前液压支架 跟机运行时供液流量适配不合理导致的动作执行速度和精度不足等问题，以液压支架群组跟机稳 定运行为液压动力适配目标，提出协同液压支架控制策略的自适应稳压供液控制方法。基于根据 支架动作特征提前适配合理供液流量的稳压供液原理，结合多泵 变频供液方式特点，提出供液与 支架交叠协同控制逻辑；依据液压传动原理，推导交叠协同逻辑下液压支架跟机速度、液压系统压 力变化率的求解方程，揭示供液流量调控策略与液压支架动作策略对上述两者的耦合作用机理；依 据多响应优化问题求解理论，以液压支架跟机适速及其各动作压力平稳为多个目标，构建液压支架 运行满意度函数并采用双层规划方法求解，实现自适应液压支架运行的供液流量调控智能决策；利 用M A T L A B 与A M E S i m 联合仿真，模拟相同液压支架运行动作过程的多泵联动、变频恒压、自适应 稳压等不同供液控制方法，通过综合对比各方法在液压系统压力均值、压力方差、供液卸载次数、液 压支架动作行程平均相对误差、供液作用效率等评价指标，验证了本文提出方法的优势。最后，通 过工业级试验验证得出，自适应稳压供液控制方法具有较好的稳压效果，可行性较高。 关键词液压支架；乳化液泵；稳压供液；自适应控制；多响应优化 中图分类号T D 3 5 5 ．4文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 5 1 8 9 1 1 0 S e l f - a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o do ff l u i df e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r ef o r h y d r a u l i cs u p p o r tb a s e do no v e r l a p p i n gs y n e r g e t i cl o g i c F UX i a n g ，W A N GR a n f e n g ，Z H A OY a n g s h e n g ，Y A N GY o n g k a n g C o l l e g eo fM i n i n gE n g i n e e r i n g ，T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，T a i y u a n0 3 0 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t A ni m p o r t a n tt a r g e to fi n t e l l i g e n tw o r k i n gf a c ec o n s t r u c t i o ni nc o a lm i n e si st h a tt h eh y d r a u l i cs u p p o r t sc a n f o l l o wt h es h e a r e ra ti n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i z a t i o nl e v e l ．A i m i n ga tt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h eh y d r a u l i cs u p p o r t s ’a e - t i o ne x e c u t i o ns p e e da n da c c u r a c ya r ei n s u f f i c i e n td u et ou n f i t t e df l u i df e e d i n gd u r i n gm o v i n gw i t ht h es h e a r e r ．W i t h t h et a r g e to ft h eh y d r a u l i cp o w e ra d a p t i n gt ot h eh y d r a u l i cs u p p o r t sm o v i n ga f t e rt h es h e a r e rc l o s e l ya n ds t e a d i l y ，a n a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o df o rf l u i df e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r et h a tc o o p e r a t i n gw i t hh y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls t r a t e g y i sp r o p o s e d ．B a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff l u i df e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r ew h i c ht h ef l u i df e e d i n gf l o ws h o u l db ep r ea d a p t e dp r o p e r l ya c c o r d i n gt ot h ea c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs u p p o r t s ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - 收稿日期2 0 1 9 0 6 0 2修回日期2 0 1 9 0 9 0 9责任编辑郭晓炜 基金项目山西省应用基础研究资助项目 2 0 1 8 0 1 D 2 2 1 3 5 8 ；山西省高等学校科技创新资助项目 2 0 1 9 1 - 0 2 0 6 ；山西省应用基础研究计划重点 自然基金资助项目 2 0 1 9 0 1 D 1 1 1 0 0 7 Z D 作者简介付翔 1 9 8 6 一 ，男，山西长治人，讲师，博士研究生。E - m a i l 1 4 6 3 2 2 3 5 q q ．c o n 万方数据 煤炭学报2 0 2 0 年第4 5 卷 p u m pa n dv a r i a b l ef r e q u e n c yf l u i df e e d i n g ，as y n e r g e t i cc o n t r o ll o g i co fo v e r l a p p i n gf l u i df e e d i n ga n dh y d r a u l i cs u p p o r t i s p r o p o s e d ．A c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，t h es o l u t i o ne q u a t i o n so fh y d r a u l i cs u p p o r t sf o l l o w i n g t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ec h a n g er a t eo fh y d r a u l i cs y s t e mu n d e rt h ea b o v el o g i ca r ed e d u c e d ，w h i c hr e v e a l st h eC O U p l i n gm e c h a n i s mb e t w e e nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ff l u i df e e d i n gf l o wa n dt h ea c t i o ns t r a t e g yo fh y d r a u l i cs u p p o r t s ．B a s e d O i lt h em u l t i - r e s p o n s eo p t i m i z a t i o np r o b l e ms o l v i n gt h e o r y ，m a k i n gt h ep r o p e rm o v i n gs p e e do ft h eh y d r a u l i cs u p p o r t f o l l o w i n gt h es h e a r e ra n dt h es t a b l ep r e s s u r eo fi t se a c ha c t i o na sm u l t i p l eo b j e c t i v e s ，t h es a t i s f a c t i o nf u n c t i o no ft h e h y d r a u l i cs u p p o r tm o v i n ge f f e c ti sc o n s t r u c t e da n ds o l v e db yt h eb i - l e v e lp r o g r a m m i n gm e t h o d ．T h e n ，t h ei n t e l l i g e n td e - c i s i o n m a k i n go fs e l f - a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g yo ff l u i df e e d i n gf o rt h eh y d r a u l i cs u p p o r t sm o v i n gi sp r e s e n t e d ．B yt h e j o i n ts i m u l a t i o no fM A T L A Ba n dA M E S i m ，t h ed i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d so fh y d r a u l i cs u p p l ys u c ha st h em u l t i p u m p j o i n tc o n t r o l ，t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n s t a n tp r e s s u r ea n dt h es e l f - a d a p t i v ef l u i df e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r ea r e s i m u l a t e di nt h es a m eo p e r a t i o np r o c e s so fh y d r a u l i cs u p p o r t ．T h ep r e s s u r em e a n ，t h ep r e s s u r ev a r i a n c e ，t h en u m b e ro f t i m e so fu n l o a d i n g ，t h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro fo p e r a t i o n a ls t r o k eo fh y d r a u l i cs u p p o r ta n dt h ee f f i c i e n c yo ff l u i df e e d - i n gf o rt h e s et h r e em e t h o d sa r ec o m p a r e dc o m p r e h e n s i v e l y ，w h i c hh a v ev e r i f i e dt h ea d v a n t a g e so ft h ep r o p o s e dm e t h o d s ．F i n a l l y ，t h em e t h o di sv a l i d a t e db yi n d u s t r i a lt e s t s ．T h ec o n c l u s i o ni st h a tt h es e r f - a d a p t i v ec o n t r o lm e t h o do ff l u i d f e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r eh a sb e t t e rs t e a d yp r e s s u r ee f f e c t ，w h i c hs h o w si th a sh i g h e rf e a s i b i l i t y ． K e yw o r d s h y d r a u l i cs u p p o r t ；e m u l s i o np u m p ；f l u i df e e d i n gw i t hs t e a d yp r e s s u r e ；s e l f a d a p t i v ec o n t r o l ；m u l t i - r e s p o n s e o p t i m i z a t i o n 综采装备的协同推进与精准控制是智能化煤炭 开采关键核心技术之一。1 ，液压支架 以下简称“支 架” 跟机自动化控制是重要一环，其控制目标为适 应采煤机速度 适速 自动跟随运行，同时各分解动 作精确到位、过程稳定 精稳 。供液动力直接影响 液压支架执行动作的驱动力、速度、稳定性等，适速精 稳的支架跟机运行需要充足稳定的供液动力适 配‘4 I 。 支架动作时系统压力变化表征了当前动作的供 液流量是否充足稳定。井下常用的额定供液方式造 成支架动作执行时压力下降和波动两类特征供液流 量不足引起压力下降，造成支架动作减速，甚至无法 克服负载，控制策略的执行目标难以有效完成H 1 ；供 液流量过足引起压力波动，造成支架动作颤动，影响 支架控制精度一J ，且易造成溢流损失、液压元件动作 频繁、系统发热等液压技术问题∞J 。 针对上述压力变化特征，杨涛一J 、L I 【8J 、 Y A N G J 、Z H A N G 【1 0 ] 等采用多个乳化液泵并联加卸 载驱动方式，提出多泵联动供液控制方法。乔铁 柱‘] 、宿吉奎‘1 2 ] 、L I U [ ”] 、T A N [ 1 43 采用单台乳化液泵 变频驱动方式，分别提出基于P I D 、模糊P I D 、E l m a n 神经网络等算法的变频恒压供液控制方法。上述供 液动力控制方法实质是压力闭环调节流量方法，其目 标构建一种压力一流量闭中心负载敏感系统，即供液 系统直接作为负载敏感控制元件，根据控制输出流量 随负载同步变化5 | 。多泵联动加卸载控制方法采用 阀控 定量泵技术，多级加载或卸载供液流量，响应 快但精度低；单泵变频调速控制方法采用液压变频调 速技术，流量控制精度高、高效节能、可靠性高等，但 对于支架跟机过程的压力突变特性，其响应速率较 差。 鉴于支架动作的负载特性，付翔等‘1 6 - 1 7 ] 提出适 应支架动作的稳压供液原理，即供液系统根据液压支 架不同动作特征，输出相应的稳压供液流量，使整个 支架动作过程的液压系统压力在限定范围内趋于平 稳，不出现波动。供液系统输出稳压供液流量是适应 支架动作负载的最大有效流量，低于该流量会导致压 力下降 供液不足 ，高于该流量会导致压力波动 供 液过足 。 与压力闭环控制相比，稳压供液原理的控制 目标是构建支架动作特征一供液流量的自适应负 载系统，可根据支架动作流程提前控制适配供液 流量并保持定量，具有一定的超前控制特性。然 而，支架跟机动作过程的负载特性要求，稳压供液 流量的适配控制方法与供液系统流量调节方式、 速率相适应。此外，为适应智能化工作面多约束 条件下的设备群组动作工艺逻辑的动态决策8 I ， 亦要求供液流量调节应动态适应多变的支架跟机 动作流程。 综上所述，为实现以支架适速精稳运行为目标的 供液动力自动优化适配，笔者在稳压供液原理的研究 基础上，拟提出基于交叠协同逻辑的液压支架运行自 适应稳压供液控制方法，并利用仿真模拟和物理试验 验证该方法的可行性和优越性。 万方数据 第5 期付翔等基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法 1 供液动力与液压支架的交叠协同逻辑 L 3 亲鬈譬萎冀萎冀譬篙淼供液动力造成 1 ．1多泵 变频供液方式的液压支架动力配套 为满足支架不同运行阶段的多变动作的充足供 液动力需求，供液系统应当具备大范围、高精度、快速 率的流量调节功能。多泵 变频供液系统可满足上 述要求H9 I ，即一台变频器可实现“1 拖4 ”的方式驱 动四台4 0 0L ／m i n 乳化液泵，变频与工频可以实现同 步切换心⋯，每台乳化液泵上安装电磁卸载阀。该供 液系统可实现供液流量的多级粗调 无级精调，兼顾 了流量调节的快速和精确，是自适应稳压供液控制方 法的执行机构基础。 1 ．2 供液与支架的交叠协同逻辑设计 液压支架运行动作逻辑是多种支架动作的顺序 循环，设支架跟机支护动作工艺共有n 种支架动作进 行循环，s i 为第i 个支架动作，则支架跟机逻辑为s 。 - - * S _ ⋯_ 5 。一⋯_ 5 。一J s ． 依次循环 。基于稳压 供液原理的提前适配供液流量思路，结合多泵 变频 供液方式特点，依据世界时间模型旧川中定义的交叠 时间元关系，设计供液与支架的交叠协同逻辑，如图 1 所示。 循 环 动 作 ‘ ■ ● ● 供 液 二 动 作I 。 支 昂1 f ‘ 司 架 l 1 动 作 S 一 上 供 土 液一 司 动 土 ● 作 ‘ 支 Sj ．I l 言， 架 动 作 s h l ● ● J ● 图1 供液与支架交叠协同逻辑 F i g ．1S y n e r g e t i cl o g i co fo v e r l a p p i n gf l u i df e e d i n ga n d h y d r a u l i cs u p p o r t 图1 中，t i 为支架动作5 。的时间；t “ 。为供液动 作5 。 。的时间；A t i 为供液动作S ．i 与支架动作J s i 的交叠时间；A t “ 。为支架动作J s 。与支架动作J s 川的 间隔时间。供液与支架交叠协同逻辑充分利用多 泵 变频供液系统流量调节特点，以均衡供液动力响 应的快速性和精确性。 压力和流量的时域变化如图2 所示。 图2 供液与支架交叠协同逻辑的液压特征 F i g ．2H y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h es y n e r g e t i cl o g i co f o v e r l a p p i n gf l u i df e e d i n ga n dh y d r a u l i cs u p p o r t 图2 中，横轴表示时间t ，左纵轴表示供液系统输 出流量Q ，右纵轴表示液压系统压力P 。已证明稳压 供液流量是支架最快动作所需的最大有效流量6 | ， 以供液流量是否大于稳压供液流量为判断依据，定义 2 种典型工况工况 1 为支架动作S i 的供液流量Q 。 小于其稳压供液流量Q i ；工况 2 为支架动作s 川 的供液流量Q 川大于其稳压供液流量Q i 。 稳压供液 流量计算方法见文献[ 1 6 ] 。 压力特征支架动作刚开始时，压力迅速下降直 至加载压力设定P 。，之后卸载阀由开启变为关闭，供 液流量输人液压支架。之后，工况 1 由于Q i Q i 。，压力以斜率n 。迅速上 升至卸载压力设定P 。供液系统卸载，然后压力迅速 下降直至P 。，供液系统加载，如此重复，压力处于波动 状态。 流量特征供液流量以多泵 变频方式控制输 出，先多泵工频加卸载，流量阶跃变化，后单泵变频调 速，流量以一定斜率持续变化。工况 1 由于Q ， Q i 。，供液流量部分被卸载回液箱，实际进入支架动 作液压缸的流量等效于Q 。，，其压力液进缸体积为图 2 所示右侧阴影面积。 通过对供液与支架交叠协同动作时压力、流量变 化特征的分析，定性描述了支架动作过程的液压控制 特性，为下步支架跟机速度和压力变化率的数学建模 提供了基础。 万方数据 煤炭学报2 0 2 0 年第4 5 卷 2 交叠协同逻辑下支架跟机速度和压力变化 率的数学模型 2 ．1 液压支架跟机速度方程 液压支架跟机速度是指支架群组完成一系列跟 机动作后在采煤机牵引方向上的跟进速度，要求与采 煤机牵引速度保持一致。可设t ，为支架一轮循环跟 机动作所需时间；H 为液压支架架间距；M 为支架同 时跟机移架支护的数量。支架群组每一轮循环动作 完成后，沿采煤机牵引方向可行进M H 距离，则支架 跟机速度口为 旷警 ㈩ 由图1 可知，供液与支架交叠协同逻辑下t 为一 轮循环支架动作时间和支架动作间隔时间的总和，设 一轮支架动作工艺共有n 个支架动作，则t 为 t ∑ t i A t 叫 1 2 其中，觚“。由支架跟机控制策略设定，可取定值；若 i I ，则i I 凡；若i 凡，则i 1 l ，适用文中所有公 式。根据I ．3 节，求解支架动作时间t i ，t 州如下。 2 ．1 ．1 工况 I Q 。≤Q i ，实际作用于支架动作液压缸的有效流 量 简称作用流量 等于供液流量，忽略液体压缩和 蓄能器吸放压力液 对作用流量影响很小 ，进入液 压缸液体体积为图2 所示t i 时间段的阴影面积，考虑 支架动作s i 为同种类型同时动作，则根据体积平衡 可得 N I A i L i fQ i 一华1A t i ∞i A t 。 3 式中，札为5 i 的液压缸同时动作数量；A 。为S i 的液 压缸进液作用面积；L i 为s i 的液压缸活塞行走距 离；后i 为供液动作5 H ．i 的流量变化斜率 带符号 ，考 虑供液流量随变频调速做匀速变化，可得 ”s s n ㈣一嘲 鲁 4 其中，s g n 指取括号内符号；{ } 指取括号内数值的 小数部分；Q 。为乳化液泵额定流量；T f 为变频调速额 定时间，即转速从0 加速到额定转速所需时间，由变 频器设定。多泵 变频方式的供液流量调节时间即 是变频调速时间，则供液动作时间t H ．i 计算公式为 。㈠ 旧一黜h ㈤ 由图1 ，可得 t H ．i A t i △￡H ．i 6 根据式 3 ～ 6 推导，司得工况 1 的支架动作 时间t 。为 t 。 N i A i L i 象s s n ㈣一{ 等 慨 一酗Q e T f - A t i _ l , i 2 Q ；㈩ 2 ．1 ．2 工况 2 Q 州 Q i 。，支架动作实际有效流量等于稳压供液 流量，进入液压缸液体体积为图2 所示t ⋯时间段的 阴影面积，考虑支架动作S 为同种类型同时动作， 则根据体积平衡可直接得 。。学 8 综匕．未知工况下，推导支架跟机速度为 M H 耋 ≮半地。 M H ；＼ g w i A i L i 地叫 ， Q 。≤Q 。 Q i Q i ‘ 9 其中，c i 妾s 驴 { 爰 一{ 等 憾 - { 剖t - A t i - I , i 2 ；N i , A i , L i , Q ⋯T f 峨小 Q i 等参数由液压系统固定属性和支架控制策略决 定，设一轮循环支架动作对应的供液流量调控策略为 数列Q Ⅳ [ Q ，，Q ，⋯，Q 。] ，以Q ～为自变量，式 9 可 记为秽。 Q Ⅳ 。 可见，式 9 通过给定支架跟机动作控制参数， 构建了供液流量调控策略与支架跟机速度的函数关 系。 2 ．2 液压系统压力变化率方程 支架动作过程的液压系统压力变化特征可用供 液系统加载时压力变化率 图2 中压力曲线粗虚线 部分的变化率 表征，求解压力变化率P i ，P Ⅲ如下。 2 ．2 ．1 工况 1 支架动作从开始到压力降为P ，阶段，液压系统 的蓄能器输出压力液，可自适应地调整系统压力和作 用流量，迅速地、短时地推动活塞杆达到稳态。设在 压力为P 。时活塞杆初速度为秒。，则此时活塞杆满足 P I A i F i 0 1 t i 秽o 1 0 式中，E 为支架动作．S i 需要克服的负载力，与速度无 关，考虑为常数；B 。为．s i 的液压缸出液作用面积；0 为动作所需克服阻力与动作速度之间的比例系数，此 处假设为线性关系。 万方数据 第5 期付翔等基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法 在压力降为P ，之后，供液系统处于瞬间加载阶 段，液压系统的输入流量突变，液体压缩或扩充引起 的压力变化，则工况 1 供液系统加载时压力变化率 P j 应当满足旧1 公式 P7 i Q 。一v o A i Q ； E V 1 1 其中，E 为乳化液的实际弹性模量；V 为从泵的高压 腔、联接管道容纳的乳化液的容积；Q 。为蓄能器吸放 流量。依据液压系统中压力与蓄能器体积的关系旧1 可得Q 。为 Q 。P x V x P i 1 2 P t P 。 控策略菇 [ Q ，，Q ，⋯，Q 。] 作为控制变量组，Y z [ P ，P ；，⋯，P ，秽] 作为n 1 个响应变量，则第，个支 架动作的响应变量 ，i 戈 为 乃c x ， { ；；；；三】’ 2 ’1 ．一，n c 4 ， 响应变量P ’的目标为期望斜率，秽。的目标为采 煤机速度，可设G ，表示y ， 戈 目标值，￡i 表示y f 规格 下限，阢表示Y i 规格上限，则一轮循环支架动作过程 的第歹个动作的望目特性满意度函数d i 为 其中，P ，为蓄能器的额定压力；V x 为蓄能器的额定体 积。根据式 1 1 ～ 1 3 推导，可得工况 1 的P i ’为 嘭2 小哪篙A i p l 笋A i - ㈤， p 产面■i 晒广 ’ 2 ．2 ．2 工况 2 供液系统加载时压力变化率与工况 1 相同，但 工况 2 由于供液流量过足，导致压力上升较快，突 破卸载压力P 。后卸载，重复上一过程，造成压力波 动。 式 1 3 中E ，V ，P 。，P 1 ，A i ，B i ，F i ，p ，P 。，V x 等参数 由液压系统固定属性和支架控制策略决定，设Q i 为 自变量，因此式 1 3 可记为p ； 丘 Q i ，带符号。 可见，式 1 3 通过给定支架动作参数，构建了供 液流量与支架动作时液压系统压力变化率的函数关 系。 3 自适应稳压供液控制的智能决策 3 ．1 供液控制策略的多响应优化 供液系统应自适应地为支架提供充足稳定的液 压动力，其控制目标为液压支架跟机适速和系统压力 平稳，当给定支架控制策略时，支架跟机速度和压力 变化率由供液流量调控策略耦合影响。因此，供液流 量调控策略的智能决策可认为是典型的多响应问 题【23 | ，即以支架跟机速度、支架各动作的液压系统压 力率为响应变量，使其供液流量 控制变量 的组合 策略达到多响应优化。 拟采用满意度函数法 D e s i r a b i l i t yF u n c t i o nA p p r o a c h ，D F A 心4 。2 纠构建供液控制策略多响应优化的 目标函数，即将支架跟机速度、液压系统压力变化率 等响应变量转换成一个具有望目特性的满意度函数。 若各响应变量完全达到目标值，则满意度为1 ；若响 应变量超出规格限，则满意度为0 。考虑同一个工作 面液压系统的一轮循环支架动作过程，令供液流量调 芽q - L j 一㈣一㈤， 臻 “q 乃 1 相比0 e 1 ，更快接近目标。e 取值应充分考虑支架跟机速度应尽可能接近采煤 机速度，支架动作过程压力应尽量避免下降等实 际要求和情况。 考虑到液压支架跟机速度和系统压力特征响应 重要性的权重，总体满意度采用加权总体满意度函 数心6 | ，可得一轮循环支架动作的总体满意度函数D 为 D d 1 d ；2 ，⋯，d I i 1 “上叶 1 6 其中，研，为第1 个动作的望目特性满意度函数d ，的 ∞，次方；∞i 为第歹个响应的权重，满足0 ∞i 1 且∑∞i 1 。由于0 d i l ，因此总体满意度函数0 ≤D ≤1 。式 1 6 可记为D f o 石 ，艽即为供液流量调控 策略。 由第2 节可知，D ‰ 戈 函数具有典型的不连续 特性，优化结果易陷入局部最优解，其原因主要是迭 代初始值选取不当，因此拟采用双层规划方法嘲‘2 8 ] 求解D ，尽量避免局部最优。定义满意度函数的负 值- D _ 厶 石 为目标函数 最大化转为最小化问 题 ，供液流量调控策略戈 [ Q 。，Q ，⋯，Q 。] 和供液流 量调控策略的迭代初始值戈。 [ Q 。，，Q 吆，⋯，Q 。。] 分 别作为上层规划和下层规划的决策变量。可得自适 应稳压供液控制策略的双层规划模型如下 [ m i n f o x o ，戈 { ． ，，、 a x o ≤b ，a x ≤b 1 7 Im l n 一，D L 石o ，x ， L x 0 式中，m i n 指函数求极小化；m i n f o 石。，石 为下层规 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 划，其中戈。为决策变量；m i n 一厶 聋。，z 为上层规划， 其中戈为决策变量；a [ 一1 ，1 ] ，为决策变量的约束 斜率向量；6 [ 戈舶，戈。。。] ，为决策变量的约束截距向 量。 通过构建支架跟机过程速度和压力的总体满意 度函数，定量评价了供液控制策略对支架适速精稳跟 机目标的实现程度，利用规划算法使其目标满意度最 大化，优化和决策供液流量调控策略，以此构建了自 适应支架运行动作的稳压供液控制方法。 3 ．2 基于M A T L A B 的供液流量调控策略规划求解 在M A T L A B 中对上述模型方法实现数值计算， 首先确定液压系统参数和支架控制策略，设计4 个主 要基本动作循环| s 。降柱_ 5 拉架一5 。升柱_ J s 。成 组推溜 依次循环 ，液压支架相关参数设计以 Z F S 6 0 0 0 型支架为参考，部分关键参数见表1 。 表1 液压支架关键参数 T a b l e1S o m ek e yp a r a m e t e r so fh y d r a u l i cs u p p o r t 设计2 种支架移架支护方案，移架数量M N ． N 2 N 3 1 或2 。此外，液压支架架间距H 1 ．5 ，各支 架动作间隔时间均为A t “ 。 2S 。 根据前述得到的数学模型和满意度函数，编 程M A T L A B 脚本函数，支架相关参数根据表1 等设 置，满意度参数设置考虑整体响应权重支架跟机速度 占比最大、单个响应权重使压力目标尽可能下接近 等，根据M A T L A B 计算结果反复调试，获得满意度函 数关键参数见表2 。 表2 满意度函数关键参数 T a b l e2S o m ek e yp a r a m e t e r so fs a t i s f a c t i o n f u n c t i o nm o d e l 支架跟机速度目标值分别是3 ．5m ／r a i n M 1 ， 7 ．0m ／m i n M 2 ，各支架动作压力变化率目标值为 0 。双层规划建模参数设置约束斜率向量a [ 一1 ， 1 ] ，约束截距向量b [ 0 ，16 0 0 ] 。 根据上述参数，运行M A T L A B 得到计算结果见 表3 。 表3 多响应优化结果 T a b l e3 M u l t i - r e s p o n s eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s 由表3 可知，通过多响应优化计算，获得自适应 稳压供液流量调控策略。支架跟机速度由于权重较 高，满意度较高，基本符合目标。 4 多泵联动、变频恒压、自适应稳压供液控制 方法对比 4 ．1 液压仿真方案 根据工作面液压系统原理与结构，建立工作面液 压系统M A T L A B 和A M E S i m 联合仿真模型如图3 n 6 1 所示。图3 所示模型中，液压支架动作机构包含3 个 立柱缸模块，每个模块内部设置顶底板支点条件，用 于模拟支架升柱、降柱动作；3 个拉架缸模块，每个模 块内部设定刮板运输机支点与0 ．6 倍额定拉架力的 负载条件，用于模拟支架拉架动作；8 个推溜缸模块， 每个模块内部设定支架支点与0 ．6 倍额定推溜力的 负载条件，用于模拟支架定量推溜动作。 M A T L A B 控制器中，分别设置支架跟机动作和供 液流量控制方案，具体如下。 万方数据 第5 期付翔等基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法 1 8 9 7 图3工作面液压系