基于模糊PID的自移式臨時支架自適應控制研究

關鍵詞：自移式臨時支架；支撐液壓缸；支撐力控制；模糊PID 自適應控制；臨時支架立柱；相鄰支撐液壓缸同步控制

中圖分類號：TD353 文獻標志碼：A

0引言

目前采煤工作面與掘進工作面機械化與智能化發展不同步，造成了我國采掘失調的局面，因此亟須發展快速掘進設備[1-3]。在煤層地質條件復雜多變的情況下，自移式臨時支架進行支護動作時，由于頂板周期來壓，頂板冒落現象時有發生，極易出現不合理位姿，不能對綜掘工作面頂板進行有效支護，如不能對支架進行及時有效調控，將會對綜掘工作面的生產作業產生嚴重的安全隱患[4-7]。為提高掘進效率，保障開采安全，針對目前井下臨時支護設備應用存在的對頂底板適應性不足、掘支無法并行等問題[8-9]，2019年國家煤礦礦山安全監察局發布的《煤礦機器人重點研發目錄》公告強調，為了更好地實現煤礦安全，開發的智能化臨時支護機器人必須具備多項功能，如對煤礦巷道圍巖狀況的智能感知、自主移動定位、支撐力的自適應控制、支護姿態的自適應調節、多架協作及遠程干預，以實現煤礦巷道安全、有序的臨時支護，從而大幅提升煤礦安全生產效率和安全保障能力[10]。

許多學者對支架的自適應控制方法進行了大量研究。史文萍[11]首次將模糊PID 算法應用到液壓支架的控制中，使其具有較好的穩定性，這為設計液壓支架的控制系統開辟了一種新的途徑，但液壓支架在實際應用中仍面臨一些挑戰，需要進一步優化控制算法，改進參數調節方法，加強系統建模與驗證工作。馬長青等[12]針對現有臨時支護設備造成巷道頂板破壞和采掘失調問題，提出了一種履帶式自移式臨時支護結構，設計了液壓系統，并通過AMESim進行建模與仿真，驗證了液壓系統工作的可靠性，并提出模糊自整定PID控制方法，但只考慮了頂板支護，未考慮支護巷道兩幫片幫工況。楊科等[13]研究了大傾角煤層綜采工作面液壓支架失穩機理及其控制，當支柱受頂板壓力超過額定工作阻力時，在安全閥的作用下支柱下縮，使其壓力均勻分布到工作面各支柱，來實現對頂板壓力的自適應，但未涉及液壓支架失穩控制措施經濟性和實際可操作性分析，若在實際應用中實施成本過高或操作復雜，即使理論上控制方法可行，也難以被廣泛采用。徐亞軍等[14]設計了一種基于模擬退火粒子群優化比例導數算法的支撐力控制器，建立了臨時支架液壓缸壓力系統數學模型，并進行穩定性分析和模型驗證，但隨著超前支架的過度使用，可能增加操作復雜度，且過度依賴自適應調節可能導致系統出現可靠性低等問題。王保勤[15]研究了臨時支架液壓同步系統的多缸同步控制問題，建立了推移液壓缸同步控制試驗系統，實現了立柱液壓缸和推移液壓缸的同步控制，在不同偏載下系統具有較高的同步精度，但在特殊工作條件下的響應速度與同步精度不高，可能導致系統在實際應用中難以滿足巷道支護的要求。任懷偉等[16]基于液壓支架自適應控制器提出了一種液壓支架頂梁位姿調控系統，通過控制立柱和平衡千斤頂長度，保證支護狀態下液壓支架頂梁高度和姿態角穩定，但只引入了簡單的PID控制算法，無法滿足現階段頂梁位姿調控的精度要求。薛光輝等[17]通過基于BP神經網絡的PID算法對液壓支架初撐力進行調控，使液壓支架快速而準確地達到預定的初撐力，但僅將神經網絡用于調整當前狀態的PID參數，未能完全根據外部擾動來實時調整PID參數，以適應最新狀態。毛君等[18]建立了支架支撐力調控系統數學模型，通過模糊PID算法對系統進行調控，使支架支撐力有效跟隨礦壓變化，但未涉及超前支護液壓缸的同步控制，不適用于當前井下復雜環境的調平需要。何勇等[19]借鑒平臺傳統四缸同步控制方法，提出逐高雙向異步控制方法，保證每一立柱油缸的位移在復雜工況下精確達到期望值，從而保持液壓支護平臺的平衡性，但忽略了長期運行的可靠性和易維護性，影響系統在長期實際工程中的應用。胡相捧等[20]利用基于BP神經網絡的PID算法對液壓支架的初撐力進行調節，從而使液壓支架能夠迅速且精確地達到設定的初撐力值，但控制器的實時性和響應速度未充分探討，PID控制不能滿足現階段的精度要求。

針對上述問題，為了解決巷道掘進過程中自移式臨時支架與頂板適應性不足的問題，本文提出了一種基于模糊PID 的自移式臨時支架自適應控制方法。通過對臨時支架立柱的伸縮調整，控制支架的姿態和支撐力； 通過仿真對傳統PID控制與模糊PID自適應控制方法進行對比， 以驗證引入模糊PID自適應控制算法的有效性。

1自移式臨時支架結構設計

自移式臨時支架主要包括底座、液壓立柱、頂梁、側護幫、防倒機構、四連桿機構、推移機構等，如圖1 所示。頂梁與伸縮梁由油缸連接，護幫板與護幫千斤頂之間采用鉸鏈連接。液壓立柱采用球形副鉸鏈連接到支架頂梁的伸縮桿上，并采用鉸鏈連接到底座上。底座上設有4 個可伸縮的液壓立柱，且每個液壓立柱具備自鎖功能。頂梁固定在立柱頂端，在頂梁上設置若干小型底座和壓力傳感器。此外，頂梁上還配置有鋪網裝置，用于環狀鋪設液壓立柱。兩側分別設置側護幫，確保側護幫與巷道兩側有效接觸，從而防止巷道掘進或打錨桿時矸石落入工作區域，保障施工人員的安全并保持巷道斷面的完整性。同時，四連桿機構配備角度傳感器，用于監測支架頂梁的角度變化。

在自移式臨時支架的頂梁設計多個層次的環狀液壓立柱（多個層次液壓立柱是針對巷道頂板不平整而設計的結構），其主要展現在頂梁中心有一個小型液壓立柱（圖2），周圍有3 圈小型液壓立柱（圖3），每個小型液壓立柱都是獨立的，根據巷道頂板的凹凸情況，頂梁的液壓立柱有不同的工況，從而對應不同的工作狀態。當支護設備處于工作狀態時，小型液壓立柱錯落不一，從而可適應巷道凹凸不平的頂板。在每個小型立柱安裝小型壓力傳感器，以監測頂梁與巷道頂板之間的壓力值，小型液壓立柱可根據實時的壓力值控制液壓立柱的上移或下降，實現臨時支護設備的自適應控制。

自移式臨時支架采用“跨騎”方式布置在掘進機上，對掘進工作面進行臨時支護，并通過液壓控制實現與掘進機的自動跟隨移動。在掘進機進行割煤和錨桿鉆孔的過程中，巷道頂板因震動可能產生松動，此時，壓力傳感器和位移傳感器實時監測支撐液壓缸的位移參數及支架頂梁與巷道頂板之間的壓力變化，并將這些數據傳輸至礦壓監測大數據云平臺。基于這些數據，自移式臨時支架自適應控制系統對每個油缸端點的輸出位移進行計算，并通過壓力傳感器進行實時監控，確保支架的穩定性和安全性。

2自移式臨時支架支撐力控制系統

為解決頂板壓力變化后對頂板的弱支撐和過支撐問題，在工作面工作時，自移式臨時支架必須具備適應頂板壓力變化的能力，因此在支撐液壓缸控制回路中增加壓力調整回路，實時調整油液壓力，建立自移式臨時支架支撐力控制系統。

自移式臨時支架支撐力控制系統中的壓力油使用單獨的小排量泵進行供油，液壓油的壓力可以進行調整。當支撐液壓缸在主油路壓力油作用下達到指定位置和支撐力后，方向閥切回中位，此時支撐液壓缸中油液壓力穩定；當頂板壓力增大時，活塞桿受到的壓力增大，對無桿腔油液進行壓縮，油液壓力上升，此時液壓表和頂板壓力監測裝置對調壓回路中電液比例溢流閥輸出電信號，調整溢流閥增大油液壓力，同時電控換向閥左位聯通，對支撐液壓缸供高壓油，提高液壓缸支撐力，達到對應油液壓力后，液壓表輸出信號，電控換向閥切回右位；當頂板壓力減小時，高壓油腔中油液壓力降低，液壓表和壓力監測裝置輸出相應信號，溢流閥調定一個較低的壓力，電控換向閥左位打開，小排量泵輸出的液壓油打開高壓油腔連接的液控單向閥，高壓油腔中高壓油與小排量泵供給的低壓油聯通，對其進行降壓，從而實現自適應控制的同步調節。自移式臨時支架支撐力控制系統結構如圖4所示。

為了實現支撐液壓缸的精確控制，自移式臨時支架支撐力控制系統通過改變電液伺服閥的開口大小和方向來改變閥內油液壓力，以滿足系統對壓力和流量的要求。因此，需要研究支撐液壓缸輸出力的數學表達式，并通過數學表達式研究支撐液壓缸控制方法。將支撐液壓缸、電液伺服閥和負載看作一個整體， 并認為負載具有彈塑性， 在進行模糊PID 自適應控制時，需要用液壓系統的電液伺服閥流量方程、支撐液壓缸流量連續性方程及支撐液壓缸負載力平衡方程計算控制對象的目標函數。假定電液伺服閥與液壓缸的連接長度均勻而短粗，管道動態和管中壓力的影響忽略不計；工作腔中各部位的壓強相同，且流體彈性模量、油溫恒定；支撐液壓缸內外部的泄漏氣體均呈層流式流動[3]。

傳統PID控制與模糊PID自適應控制系統的仿真結果如圖9所示，可看出引入模糊PID自適應控制后，自移式臨時支架自適應控制系統對圍巖頂板壓力的跟蹤效果較傳統PID控制更好，臨時支架自適應控制系統跟隨圍巖壓力的誤差為0.0043，較傳統PID控制降低了86.11%。模糊PID自適應控制在0.12s時就接近平穩，而傳統PID控制在8.685s時才接近平穩，說明模糊PID自適應控制響應速度比傳統PID控制有較為明顯的優勢。

在AMESim中建立支撐液壓缸位移控制系統的物理模型， 并設置系統的接口，以便與Matlab/Simulink中的控制算法相連接?；贏MESim的支撐液壓缸位移控制系統仿真模型主要由支撐液壓缸、伺服閥、位移傳感器及質量塊等組成，如圖10所示。

在Matlab/Simulink 中建立自適應控制系統的算法模型，主要包括位移解算模塊、同步控制器、模糊PID 自適應控制器、狀態反饋模塊及連接AMESim模型的接口模塊等?；谀：齈ID 自適應控制的液壓立柱響應位移曲線如圖11所示，可看出當采用模糊PID自適應控制時，液壓缸響應位移與所設定的預期位移（0.5 m）一致。

在調平過程中，選取相鄰支撐液壓缸之間的數據進行研究分析，模糊PID 自適應控制的同步誤差如圖12所示。可看出相鄰支撐液壓缸間的同步誤差基本控制在±5×10^-15m 以內，其同步誤差較傳統PID控制方法（圖13）有較大降幅，且曲線波動均勻平緩，幅值波動范圍較小。

5結論

1）對自移式臨時支架進行了結構自適應的設計，設計的頂梁結構采用多個層次的環狀液壓立柱來實現對頂板的適應，設計了臨時支架自適應控制系統，介紹了自適應控制系統工作原理，通過液壓系統的三大方程聯合求解模糊PID自適應控制的目標函數。

2）在Matlab/Simulink模塊中建立傳統PID控制與模糊PID自適應控制系統模型，結果顯示，模糊PID自適應控制在0.12s時就接近平穩， 而傳統PID控制在8.685s時才接近平穩。通過AMEsim 軟件建立支撐液壓缸位移控制系統模型，與Matlab/Simulink 進行聯合仿真，結果顯示采用模糊PID自適應控制時，在同步精度上較傳統PID控制方法有了較大提高，且曲線波動均勻平緩，幅值波動范圍較小。

3）需要注意的是，模擬仿真是在理想化的基礎上完成的研究分析，由于一些實際限制（包括灰塵、濕度、風速及噪聲）會對跟蹤精度產生不利影響。在未來的工作中，將探索一種不受外界影響或受影響較小的控制策略。