自移式临时支架的异步耦合调平控制方法.pdf

第4 5 卷第1 0 期 2 0 2 0 年1 0 月 煤炭学 J O U R N A LO FC H I N AC O A L 报 S O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．1 0 O c t ．2 0 2 0 移动阅读 李瑞，蒋威，王鹏江，等．自移式临时支架的异步耦合调平控制方法[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 0 3 6 2 5 3 6 3 5 ． L IR u i ，J I A N GW e i ，W A N GP e n 舀i a n g ，e ta 1 ．A s y n c h r o n o u sc o u p l i n ga p p r o a c hf o rl e v e l i n gc o n t r o lo fs e l f - s h i f t i n gt e m p o r a r ys u p p o r t [ 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 1 0 3 6 2 5 3 6 3 5 ． 自移式临时支架的异步耦合调平控制方法 李瑞1 ，蒋威2 ，王鹏江1 ，程佳萌1 ，吴 淼1 1 ．中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要首先设计了一种新兴的综掘巷道自移式超前支护装备并阐明了其装备组成及工艺原理，为 确保其自移式临时支架在非水平底板环境下实现煤巷顶板的快速有效支护，提出了一种自移式临 时支架的异步耦合多液压缸调平控制方法。基于煤巷地质成分不均造成的非水平底板工况与自移 式临时支架的结构特性，采用了适用于自移式临时支架的逐最高点双向异步控制方法，并利用三维 空间欧拉角法原理解算出了自移式临时支架支撑立柱液压缸的期望位移坐标值。然后针对自移式 临时支架顶梁空间姿态调平过程中相邻支撑立柱液压缸之间同步误差的权重失衡问题，采用了多 缸驱动下的相邻交叉耦合控制结构并构建了基于变权因子调节器的同步控制器，实现了对自移式 临时支架支撑立柱相邻液压缸之间的同步误差精度优化。最终通过I n t e r f a c eB l o c k 模块实现了 A M E S i m 与M a t l a b ／s i m u l i n k 的情景交互，并进行了基于异步耦合调平控制模型的半实体物理联合 仿真，仿真结果表明异步耦合调平控制方法相较于模糊P I D 控制，可使得自移式临时支架的4 个 液压缸之间的同步误差值A K _ 4m m 精确到lm m 范围内，同时其同步误差的波动幅度更为均匀平 缓不易于发生震颤现象，验证了所建立异步耦合调平控制方法的可行性与先进性。 关键词自移式临时支架；异步控制方法；多缸驱动；相邻交叉耦合；模糊P I D 算法 中图分类号T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 1 0 3 6 2 5 1 1 A s y n c h r o n o u sc o u p l i n ga p p r o a c hf o rl e v e l i n gc o n t r o lo fs e l f - s h i f t i n g t e m p o r a r ys u p p o r t L IR u i 1 ，J I A N GW e i 2 ，W A N GP e n 自i a n 9 1 ，C H E N GJ i a m e n 9 1 ，W UM i a o 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a lE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n d 孔幽M f o f 势 B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．C o l l e g e o f E n e r g ya n dM i n i n gE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t F i r s t l y ，an e ws e l f - m o v i n ga d v a n c e ds u p p o r te q u i p m e n tf o raf u l l ym e c h a n i z e dr o a d w a yi sd e s i g n e da n di t s e q u i p m e n tc o m p o s i t i o na n dt e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l ea r ee x p o u n d e d ．T or e a l i z et h es u p p o r tt a r g e tf a s ta n de f f e c t i v e l y ，a n a s y n c h r o n o u sc o u p l i n gm u l t i c y l i n d e rl e v e l i n gc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e df o rs e l f - s h i f t i n gt e m p o r a r ys u p p o r t ．C o n s i d e r i n gt h en o n h o r i z o n t a lf l o o rc o n d i t i o n sc a u s e db yu n e v e ng e o l o g i c a lc o m p o s i t i o no f c o a lr o a d w a ya n dt h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fs e l f - m o v i n gt e m p o r a r ys u p p o r t ，t h ea s y n c h r o n o u sc o n t r o lm e t h o do fa d j u s t i n gg r a d u a l l yt h eh e i g h ti n t w oc o o r d i n a t e si sa d o p t e dw h i c hi sm o r es u i t a b l ef o rs e l f s h i f t i n gt e m p o r a r ys u p p o r t ．T h ee x p e c t e dd i s p l a c e m e n to ft h e s u p p o r t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r so fs e l f - m o v i n gt e m p o r a r ys u p p o r ta r e c a l c u l a t e db yu s i n gt h ep r i n c i p l eo ft h r e e d i m e n - s i o n a lE u l e ra n g l em e t h o d ．T h e nt ob a l a n c et h ew e i g h tr a t i oo fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o rb e t w e e na d j a c e n th y d r a u l i cc y l i n - d e r sd u r i n ga t t i t u d el e v e l i n g ，t h ea d j a c e n tc r o s sc o u p l i n gc o n t r o ls t r u c t u r ei sa d o p t e du n d e rm u l t i c y l i n d e rd r i v i n ga n d 收稿日期2 0 1 9 0 8 1 6修回日期2 0 1 9 0 9 3 0责任编辑郭晓炜D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．1 1 3 1 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 2 ；国家自然科学基金面上资助项目 5 1 8 7 4 3 0 8 作者简介李瑞 1 9 9 2 一 ，男，陕西神木人，博士研究生。E - m a i l 9 1 3 4 3 5 9 2 9 q q ．C O B 万方数据 3 6 2 6 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 ac o u p l i n gc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nt h ew e i g h t i n gf a c t o rr e g u l a t o r ，w h i c hc a nc o m p l e t et h eo p t i m i z a t i o no f s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rf o ra d j a c e n th y d r a u l i cc y l i n d e r s ．F i n a l l y ，t h es c e n ei n t e r a c t i o nb e t w e e nA M E S i ma n dM A T L A B ／ S i m u l i n ki sr e a l i z e dt h o u g ht h eI n t e r f a c eB l o c km o d u l e ，w h i c hm a k e st h es e m i - p h y s i c a lj o i n ts i m u l a t i o nc o n c l u d i n gt h e a s y n c h r o n o u sc o u p l i n gl e v e l i n gc o n t r o lm o d e lp r o c e e d e ds m o o t h l y ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h ea s y n c h r o n o u sc o u p l i n gl e v e l i n gc o n t r o lm e t h o dc a nm a k et h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o rb e t w e e nt h ef o u rh y d r a u l i cc y l i n d e r so f s e l f - m o v i n gt e m p o r a r ys u p p o r tm o r ep r e c i s ef r o m 4m mt o la mt h a nt h a to ft h ef u z z yP I Dc o n t r o lm e t h o d ．A tt h e s a m et i m e ，t h ef l u c t u a t i o na m p l i t u d eo fs y n c h r o n i z a t i o ne r r o ri sm o r eu n i f o r ma n dg e n t l e ，w h i c hm e a n st h et r e m o rp h e n o m e n o ni sr a r et oh a p p e n ．T h ea b o v er e s u l t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n c e m e n to ft h ea s y n c h r o n o u sc o u p l i n gl e v c l i n gc o n t r o lm e t h o d ． K e yw o r d s s e r f - s h i f t i n gt e m p o r a r ys u p p o r t ；a s y n c h r o n o u sc o n t r o ls t r a t e g y ；m u l t i - c y l i n d e rd r i v i n g ；a d j a c e n tc r o s s C O U - p l i n g ；f u z z yP I Da l g o r i t h m 安全是进行煤矿井下开采的首要前提，而由煤巷 顶板灾害引起的矿井安全事故却频频发生，事故发生 率居高不下⋯，因此实现煤巷顶板的快速有效支护 对于确保煤巷安全具有十分重大的意义。同时，现存 的矿产装备进行煤巷顶板支护的智能化与协同化程 度较低，导致产煤效率低下，造成较大的经济损失，亟 需智能化程度较高的装备实现煤巷井下安全高效作 业旧J 。自移式超前支护装备是一种煤矿井下综掘工 作面的临时支护设备旧J ，该设备与掘进机、钻锚机配 套使用，可实现掘、支、锚协同作业，保障煤巷安全，提 高综掘效率H 。6J 。目前国内关于煤矿综掘巷道自移 式超前支护装备中自移式临时支架平衡调节的相关 研究还是相对缺乏。 赵静一等“ o 提出了一种基于多点输出耦合的模 糊P I D 多缸同步驱动控制策略来满足自行式载重车 四点悬架同步驱动控制精度。赵春城等旧。提出了基 于模型参考模糊自适应机构的柔索驱动系统同步控 制策略，较为显著地提高了该系统的同步性能。谢苗 等归。针对多个液压缸在控制液压迈步式超前支护装 备顶梁上升过程中同步性不良的问题，提出了一种等 状态交叉耦合模糊同步控制方法，与一般控制方法相 比具有良好同步误差精度。陈永亮等叫设计了一种 耦合同步调平控制算法实现了液压支架试验台四角 垂直位移期望均值的动态和稳态输出的实时跟踪。 何勇等u 基于异步控制方法提出了液压支护平台的 异步自抗扰平衡控制方法，可使立柱油缸位移在外负 载干扰下达到期望值。 针对自移式临时支架处于非水平底板的工况环 境，提出一种自移式临时支架的异步耦合多缸调平控 制方法。基于逐最高点双向异步控制方法，进行自移 式临时支架顶梁的空间姿态角解算，进而得到支撑立 柱液压缸的期望位移。然后构建4 个同步控制器实 现支撑立柱液压缸期望位移的跟踪控制，使得自移式 临时支架顶梁快速平衡稳定，最终实现煤巷顶板的快 速有效支护。 1自移式临时支架简介 1 ．1 自移式超前支护装备概述 自移式超前支护装备主要由机械系统、液压系统 与电控系统组成2 。。机械系统主要包括自移式临 时支架，履带支护车以及辅助部件等。其中，自移式 临时支架用于综掘工作面的煤巷顶板支护，履带支护 车用于自移式临时支架的移动输送；液压系统主要包 括变量液压泵、比例伺服阀、支撑立柱液压缸、定量 马达以及推移油缸等部件。自移式超前支护装备的 缺省视图如图1 所示。 姗j ．J 1 5 1 | J 【 履带女{ } ’z 1 ．『| 移式临叫女姚 图1自移式超前支护装备缺省视图 F i g ．1 D e f a u l tv i e wo fs e l f - m o v i n ga d v a n c e ds u p p o r te q u i p m e n t 自移式超前支护装备的作业工艺流程表述为位 于煤巷综掘工作面前方的掘进机进行掏槽、断面截 割，工作面后方已完成锚杆支护的自移式临时支架卸 荷、收缩并降落到履带支护车的顶梁链传动机构上， 通过履带支护车行进将自移式临时支架运送至综掘 工作面前方，随后自移式临时支架进行巷道顶板的有 效支护，然后履带支护车退回掘进工作面后方预备下 次支架的运送任务。 1 ．2 自移式临时支架组成及调平原理 自移式临时支架的整体结构如图2 所示，主要 由顶梁、横向伸缩梁、护帮板、底座、平衡千斤顶和支 万方数据 第1 0 期李瑞等F j 移式临时支架的异步耦合调平控制方法 3 6 2 7 撑立柱等组成。顶梁与横向伸缩梁通过推移油缸连 接。护帮板与平衡千斤顶采用铰接方式。支撑立柱 与横向伸缩梁通过球副铰接。 l 坝粱；2 推移油缸；3 一r 衡干J _ 『] 负4 一底座 5 横向仲缩茸；；6 支撑立柱液{ 缸；7 一护帮板 图2白移式临时支架结构示意 F i g ．2 S t m e t u t ‘a ls c l i e m a t i ed i a g i l a n lo fs e l f - s h i f t i n gt e n ] 1 一 ，r a I ．vs u p p o r t 自移式临时支架的支撑立柱液压缸位移参数由 安装在支撑立柱液压缸回路中的位移传感器测量，经 过数模转换器变成数字信息。自移式临时支架顶梁 的调平控制过程为低压矿用乳化液经过泵加载后压 力提高，排出的高压乳化液经过各类阀体后进入到自 移式临时支架支撑立柱液压缸的下腔，支撑立柱活塞 杆上升。当自移式临时支架顶梁与顶板接触进行有 效支护时，支撑立柱液压缸内乳化液压力不断升高达 到额定压力后，以支撑立柱液压缸内的位移传感器测 得液压缸的实际位移与M E M S 惯性陀螺仪测得的相 关参数经过连接回路、数模转换和智能解算，作为自 移式临时支架支撑立柱液压缸的期望位移并输入到 同步控制器中，输出信号经比例放大器作用，调节电 液伺服阀的开口大小及方向，实现自移式临时支架的 调平控制，最终实现煤巷顶板的快速有效支护。 2 支撑立柱异步控制方法 传统的同步控制方法适用于同一基准面的调平 场景，但由于自移式临时支架底座所接触的煤巷底板 地质条件不均匀，这将使自移式临时支架的4 个支撑 立柱处于非同一基准面中，同步控制方法面临失效， 而异步控制方法却可以有效应对这一问题。1 引。基于 自移式临时支架所处的实际液压环境具有“升架容 易、降架难”的特性，采用异步控制方法中的逐最高 点双向异步控制方法。 自移式临时支架顶梁中支撑立柱液压缸与顶梁 的4 个作用点由于非水平底板工况导致不在同一水 平面上，而4 个作用点中必有一个较其他3 个作用点 处于最高位置，此时将该作用点对应的支撑立柱液压 缸的输出位移保持静止，其他3 个支撑立柱液压缸j J ． 升至此最高作用点所对应的水平高度，称此过程为逐 最高点双向异步控制方法。在进行基于逐最高点双 向异步控制方法的顶梁调平时，实际是将刚体顶梁在 三维空问进行姿态变化，进一步可理解为通过绕不同 坐标轴的顺次连续转动完成物体从初始坐标系到目 标坐标系的变化，即欧拉角法原理4J 。下面将基于 此空间姿态变化理论求解白移式临时支架支撑立柱 液压缸的期望位移。 2 ．1空间坐标系建立与转换 设自移式临时支架顶梁的几何中心点为G ，在支 撑立柱液压缸的输出位移最高点／4 处建立初始位置 的空间直角坐标系 一x 泫，称为初始坐标系，经过空 间姿态调整为水平位置的空间直角坐标 系O - X 7 Y ’Z7 ，称为水平坐标系，如图3 所示。自移式 临时支架顶梁的长度与宽度分别是L ，与L ，4 个支 撑立柱分别于顶梁下端的1 ，2 ，3 和4 点处支撑。 图3 空间坐标系建立 F i g ．3 E s t a b l i s h m e n to t ’s p a c e ‘‘ o r d i n a t es y s t e n l 图3 中，初始坐标系0 一x ，z 绕x 轴转动时产生横 滚角西，初始坐标系变为0 一娜，I Z 。；当绕l ，轴转动时产生 俯仰角9 ，初始坐标系变为0 一。k l z ；当绕z 轴转动时 产生航偏角y ，初始坐标系变为0 一墨，z 。 咖，妒，y 合 称为自移式I t 缶H 寸支架顶梁的3 个姿态角。 对于支撑立柱的4 个支撑作用点l ，2 ，3 和4 ，其 在初始坐标系0 一X Y Z 中可表示为P ， [ x 。，y 。，。，] ‘， P [ 戈 ，y ，。 ] 1 ，P 3 [ ≈3 ，Y 3 ，屯] 1 与P 4 [ x 4 ，Y 4 ， 。。] ‘，经过空间姿态变换后，其在水平坐标系O X 7 ，，’ z ’中的坐标可表示为P 1 7 [ 0 ，0 ，0 ] 1 ，爿 [ L ．，0 ，0 ] 1 ， P ，，_ [ L ．，L 二，0 ] 1 与爿 [ 0 ，L ，0 ] ‘，由此得到4 个作 用点的初始坐标矩阵P 与水平坐标矩阵P7 分别为 x 】x二x3x 4 r oL 】L 10 ] P 1y 1 y Y 3Y 4l ，P ’ l0 0 L ，L 2 1 L I o 。3 0 4 JL o 000J 月．每个姿态角均对应1 个姿态角旋转矩阵5 I ， 即R 咖 ，尺 妒 ，R y 万方数据 3 6 2 8 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 砌， [ 静i 杀；* c 沪医 恐；耋三卜炉[ ≯i 毫；] ㈩ 空间旋转矩阵R 由3 个姿态角分别对应的姿态角旋转矩阵依次按序左乘得到，其表示由初始坐标系到水 r C O Sc o sT C O Sq o s i n4 s i n7 s i n c o sT C O Sq ，c o s6 s i ny s i n ‘o s i n7 ] R R y R y 妒 R 咖 l c o s4 s i ny c o s ‘o s i n 咖c o sy C O S p c o s c o sy s i nq b s i ny s i ‘n 妒c o sy 如图1 所示，在综掘巷道环境中自移式临时支架是呈纵向阵列紧密排布的，因此在单个自移式临时支架顶 梁调平过程中，绕Z 轴旋转的姿态角y 并非研究重点，出于简化原则对其忽略不计。则上式空间旋转矩阵R R l l c o s 咖 C O S c o s 妒s i n 妒l 4 与此同时，从水平坐标系逆推得初始坐标系的空间转换关系矩阵足i 1 为 R i l Is i n 咖 C O S 妒c o s 咖 一s i n c o s 妒l 5 l 0。i n9 c 。s 妒 J 从水平坐标系O - X ’y ，Z ’到初始坐标系O - X Y Z ，关于P 的逆向求解表达式为 『o ￡l C O S 咖 ￡IC O S 咖 ￡2s i n 咖￡2 s i n 咖 ] P R i l P 7 l0 一L 】C O S p s i n 咖一己IC O Sq ，s i n 咖 L 2 C O S9 c o s 咖L 2 c o sq c o s 咖I 6 2 ．2 液压缸期望位移解算 由图3 可知各个作用点在z 轴方向的坐标值， 即为该支撑立柱液压缸的期望输出位移，记为Z i [ z 1 ，z 2 ，z 3 ，z 4 ] 7 Z i L ￡ L ls i n ．q b s i n D L ’L l s i nI q b s i n9 L 2 s i n 咖c o s 妒 ￡ L 2 s i nc o s 妒 7 式中，￡为最低作用点对应的液压缸位移，由安装在 支撑立柱液压缸内的位移传感器测得。 但由于煤巷工况环境复杂，各个作用点在z 轴 方向的坐标值目前是无法直接通过传感器获取的。 设支撑立柱液压缸与顶梁之间的支撑作用点A ，B ，C 和D 对应的4 个支撑立柱液压缸的期望位移分别为 z 。，Z 日，z c 和z D ，即满足 z B z C z D k 2k l k 3k 2 k 4k 3 后3 k 2 k 4k 3 k l k 4 k 2k l Z l Z 2 Z 3 Z a 8 其中，k i i 1 ，2 ，3 ，4 的取值如下当A 为最高点 时，霸 1 ，砖 0 ，， 2 ，3 ，4 ；当B 为最高点时，k 1 ，后， O ，歹 1 ，3 ，4 ；当c 为最高点时，k 3 1 ，后， 0 ，J 1 ，2 ，4 ；当D 为最高点时，k 4 1 ，k j 0 ，， 1 ，2 ，3 。 由文献[ 1 6 ] 知空间坐标系下的姿态角可由 M E M S 惯性陀螺仪测得的角速率经数值积分运算获 得，并且依据欧拉角法的空间坐标旋转原理，其相互 关系为 [ 三；] 『耋] [ 未 耋●乞；耋] [ ；] [ 墨 0 ；n 4 ≥i 。。9 J l 。l c C 。o 。三三- 妒1I i ] 其中，W 。，W 。，W 分别为“X Y Z ”轴旋转角速率，r a d ／s 。 击雕詈 o s s i nq ，．] [ t O x ] j l o c 。。妒c 。。咖一 ∞叩lo s i n 咖 1 0 万方数据 第1 0 期李瑞等自移式临时支架的异步耦合调平控制方法 求解上式相应的微分方程便可得到关于自移 式临时支架顶梁的空间姿态角 咖，9 ，代入式 7 即得自移式临时支架支撑立柱液压缸的期望位移。 3 数学建模与验证 自移式临时支架的支撑立柱位移系统主要由位 移传感器、比例放大器、比例伺服阀、液压缸等构成。 依据系统特点建立起单个支撑立柱液压缸位移输出 量与控制电信号输入量之间的广义函数关系，为选取 合适的控制方法提供理论基础。 3 ．1 系统构建 位移传感器可将液压缸的输出位移信号转换为 反馈回路中的电压信号，由于其频率一般较高，在模 型中可简化为一个比例环节 K 。堡 1 1 y 式中，K 。为伺服放大器放大系数；U ，为位移传感器输 出电压；y 为位移传感器输入信号。 比例放大器的频率远高于比例方向流量阀其他 环节的频率总和，因此其传递函数可表示为比例放大 器输出电流与系统电压之比 K 。 瓦I a 1 2 式中，K 。为比例放大器增益；，。为比例放大器的输出 电流；U 。为比例放大器输入电压。 比例伺服阀具有快速的动态响应及良好的静态 特征，适当忽略阀内油液可压缩性的影响，将比例伺 服阀理想化为滑阀，得到伺服阀增益为 X K 。。 1 3 』 结合伺服阀的流量方程 Q K 。X 。一K 。P L 1 4 式中，K 。。为比例伺服阀增益；X 。为比例伺服阀阀芯 位移；Q 为比例伺服阀输出流量；K 。为比例伺服阀流 量一位移增益；K 。为比例伺服阀流量一压力增益；P 。 为比例伺服阀出口端压力。 自移式临时支架的支撑立柱为非对称液压缸，利 用油缸活塞杆等效负载，定量泵供油压力保持恒定不 变，回油压力为0 ，得到流量连续性方程为 y Q Ah s Y c 。P L ’辛P L 1 5 叩e 式中，A 。为液压缸有效受压截面积；Y 为液压缸活塞 位移；C 。。为液压缸内泄漏系数；K 为液压缸工作容 腔；口。为液压缸有效体积弹性模量；s 为经过拉普拉 斯变换后的拉式算子。 液压缸力平衡方程为 P L A h M 。s 2 y B 。s 】， K 。】， F 1 6 式中，M ．为液压缸活塞杆及负载折算到活塞上的总 质量；日。为活塞及负载的黏性阻尼系数；K 。为负载弹 性刚度；F 为作用在液压缸活塞杆上的负载力。 结合式 1 1 ～ 1 6 得液压缸活塞位移的传递函 数y 为 ．， 、 鲁％一筹 ， 去s 卜 器3、MtKce删BpV,IA A s 2 警A 芸卜等A _ s十．， 1 - ，．s十ll十一1 - 了Is 十■一 邻。 ＼ 郇。A i ／ ＼ 邻。A ／ 其中，K 。。 C 。。 K 。；K 。 K 。K 。K 。，；A 2 ／K c 。为由伺服阀与传递函数G 。 s ，G s 表达式分别为 液压缸泄漏产生的阻尼系数，其数值远大于B 。，即系，，、邻。A 。K 。／V , M ． 数B o K 。。／A 2 l 可忽略不计。支撑立柱液压缸没有 ”7 s s 2 2 手．∞。s ∞ 弹性负载，取K 。 o 。则式 1 7 可简化为 ￡，。、一 塑 垒 整竺[ 坠丝 1 7 1 9 万方数据 3 6 3 0 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 卣‘先对自移式临时支架的支撑立柱位移系统中的各 元器件进行资料查阅，选取基于实际j 工况环境的模型 参数并计算其他间接参数。根据开环系统的B o d e 图 与N i c h o l s 图对该系统进行稳定性分析。 参考相关设备并结合实际工况需求。17 1 ，自移式 临时支架的阀控支撑立柱液压缸位移控制系统的相 关参数取值如下活塞杆及负载质量M ． 2 5 0k g ；油 液有效弹性模量届 ． 1 7 0M P a ；液压缸阻尼系数B 。 3 0 0N S ／I l l ；支撑立柱液压缸内径R 11 0r o l l 3 ；支撑 立柱液压缸杆径r 8 0i l l I i l ；液压缸长度S 1m ；伺服 阀增益K 。、 1 1 0m ／V ；伺服放大器放大系数K 。 1 0 0m ／V ；比例放大器增益K 。 1 1 0 ～A ／V ；比例伺 服阀流量一位移增益K 。 5 ．4 2m 2 ／s ；伺服阀额定电流 ， 0 ．0 4 A ；伺服阀流量～压力增益K ． 3 ．5 1 0 一 m ／ N S ；液压缸有效受压截面积A 9 ．1 6 l 1 0 。1 1 1 1 ；液压阻尼比f ，． 0 ．0 0 28 ；液压缸的固有频率 ∞I ． 4 3 4 ．7 4 1r a d ／s ；总流量压力系数K 。．一C 。 2 1 0 一。o ， 综一L - 0 f 得自移式临时支架的支撑立柱液压缸位 移控制系统的广义被控对象的开环。j 闭环传递函数 为 G ． ， - 』旦堕一 2 1 “ S s 一 1 6 ．0 4 s 2 49 1 7 ．8 9 G 。 2 万而百等羔而 2 2 编写M a t l a b 程序，绘制自移式临时支架的支撑 立柱位移系统的开环B o d e 图与N i c h o l s 图，如图5 所 示，并分析其闭环系统的稳定性。 根据图5 中的B o d e 图可以得，开环系统的增益 裕量G 。 6 5 8 ．3 5 l d B ，相位裕度P 。 8 9 ．9 9 9 。，均大 于0 ，冈此所建曲的伺服阀控支撑立桂位移系统是相 对稳定的。 4 异步耦合调平控制方法 相邻交叉耦合控制结构常见于多电机同步控制 领域，是基于最／J , 卡l 关数日的思想建立的8 t ⋯，即在 多缸驱动系统中，需要兼并考虑液压缸自身的跟踪误 差，与陔液压缸相邻的2 个液压缸之问的同步误差。 同时在非水平巷道底板环境中采用逐最高点双向异 步调平控制方法的液压缸输出位移解算结果作为期 望位移信号输入，实现自移式临时支架对于巷道顶板 的快速有效支护，称作为自移式临时支架的异步耦合 调平控制方法。 一4 0 6 0 8 0 l O O 12 0 1 4 0 ”环相位／ 。 b N i c h o l s 图 I 翎5 开环系统B o d e 图与N i c h o l s 图 1 1 i g ．5 B o d ea n dt h eN i c h o l sd i a g r a m so fa no t e l ll o o p ‘o n I I ’o l s y s t e m 设某时刻多缸驱动系统中第i 个液压缸的输出 位移植为y ， t ，2 个相邻液压缸第i 1 个与第i 1 个的输出位移分别是Y H t 与，’⋯ t ，期望输入信 号为r f ，此第i 个液压缸自身的跟踪误差e ， t r f 一Y ， t ，第i 个液压缸与其相邻的第i 一1 个液压 缸的同步误差e 。一， z Y ， t 一Y H f ，第i 个液压缸 与其相邻的第i 1 个液压缸的同步误差e 。 ． t Y 。 t 一n ． ， ，则多缸驱动系统的相邻交叉耦合控制 结构如图6 所示，其中，r ， 七 为矗H e l l 第i 个支撑立 柱液压缸的期望位移；y ， 后 为厶时刻第i 个支撑立柱 液压缸的实际位移。 4 ．1 模糊P I D 控制器设计 基于系统的非线性考虑，采用模糊P I D 算法使 得比例、积分与微分3 种P I D 控制参数达到最佳配 比关系并满足控制需求旧‘I 。将期望位移r ， A 与实 际位移Y ， 矗 的差值e t 。于其变化率e ， t 作为模糊 P I D 控制器的输人变量，其与输出量“ t 之问的关 系满足 “ ￡ K 。，P f K ．卜 7 - d 丁 K 。，坚掣 2 3 J011 式中，K ，为比例增益；K 。为积分增益；K 。，为微分增 益。 为获得理想的控制效果，需要将3 个P I D 参数根 据系统状态进行实时修正。采用二维模糊控制器，输 万方数据 第1 0 期李瑞等自移式临时支架的异步耦合调平控制方法 3 6 3 l 媾 e 2 e 23 面习．陌磊鬲翮竿 堡兰堡垫H 竺竺竺 兰卜一 一e i ，1 i e i i 习 磊磊面训 模数转换H 位移传感器 图6 相邻交叉耦合控制结构 F i g ．6A d j a c e n tc r o s s c o u p l i n gc o n t r o ls t r u c t u r e 入确定为e t 与其变化率e ， t ，输出为3 个修正参 数A K ，，A K 。，A K 。，调整规则如下 K P K ； A K P ，K I K A K l ，K D K A K D 2 4 式中，K7 ，，K7 。，K 7 。为控制参数的预设初始值。 偏差量e t 和偏差变化率e ， t 的基本论域均 为[ 0 ，6 ] ，修正参数的基本论域均为[ 一3 ，3 ] ，划分7 个语言变量分别为{ N B ，N M ，N S ，Z O ，P S ，P M ，P B } ， 对应7 个模糊子集为{ 负