谢　苗　刘治翔　池　城　毛　君

1.辽宁工程技术大学,阜新,123000　2.煤科集团沈阳研究院有限公司,沈阳,110000



巷道超前支架的电液伺服位置压力复合控制方法

谢苗1刘治翔1池城2毛君1

1.辽宁工程技术大学,阜新,1230002.煤科集团沈阳研究院有限公司,沈阳,110000

摘要：考虑到综掘巷道液压迈步式超前支架的工作原理，以及超前支架在支撑过程中的实际工作特点，以提高支撑效率、减小超前支架在支撑过程对顶板扰动影响为控制目标，提出了一种电液伺服位置压力复合控制方法。该方法采用模糊切换控制器进行电液位置与电液压力控制的转换。对该方法进行了数字模拟仿真与样机模拟实验，理论分析与实验结果表明，该控制方法能够有效地使超前支架在从未支撑态以最快速度转换到支撑态，并且能够在位置控制与压力控制之间实现无冲击切换，以降低支架对顶板的扰动。研究结果为综掘巷道液压迈步式超前支架装备的研发及控制策略的研究提供了理论依据。

关键词：超前支架；压力控制；位置控制；复合控制；电液伺服；模糊控制器

0引言

综掘巷道液压迈步式超前支架是一种应用于综掘迎头巷道的临时支护设备，其特点为能够在综掘巷道内自主移动，在掘进成巷过程中及时有效地支护掘进迎头顶板，保持顶板稳定。随着掘进机前移，超前支架也随之迈步移动，通过超前支架的两组支撑装置，可以进行单组和双组交替支撑，以保证顶板始终处于支撑状态[1]。

文献[2]针对巷道超前支架容易受到冲击地压的不利影响,研究了一种基于改进型扰动观测器的支撑力控制策略，研究结果表明该控制策略能够减小冲击地压对正在支护的超前支架的不利影响；文献[3]对超前支架多缸同步控制策略进行了深入研究，研究了一种等状态交叉耦合模糊同步控制策略；文献[4]对超前支架-顶板体系建立了力学模型，使用奇异函数法建立顶板载荷与超前支架耦合作用下顶板与超前支架挠度方程，其对耦合体系变形规律的研究具有较高的工程应用价值;文献[5]对基于模糊PID控制算法的超前支架在支撑过程支撑力控制策略进行研究，研究结果表明，使用模糊PID控制算法的控制效果要优于常规PID控制算法的控制效果。以上文献主要针对超前支架控制策略进行研究，没有针对超前支架上升过程的电液速度、压力复合控制策略进行深入研究。

为了提高超前支架的支护效率，实际工作时，首先使用位置控制将支架的支撑顶梁以最快速度运行到接近顶板的位置，再通过转换控制器从位置控制平稳切换到压力控制。那么，在何时、何种情况下切换控制器，以及控制器采用怎样的结构，才能够取得最优的切换效果已经成为巷道超前支架装备研究的关键问题之一。

1超前支架组成及工作原理

超前支架主要分为主支撑组、副支撑组、前进推移机构以及侧帮支护等部件。其中，主支撑组、副支撑组结构相似，主要由立柱、纵梁、横梁、顶部阻尼体、平衡千斤顶等部件组成。超前支架结构组成如图1所示。

迈步式超前支架的工作原理分为迈步行走和交互支撑两部分，设备的支护可以分为定支护和迈步支护两种支护形式。超前支架迎头巷道支护原理如图2所示。在定支护时，由主支撑组和副支撑组同时承担顶板的压力，共同起到支护作用。主支撑组和副支撑组的8个支撑油缸同时升起。

在迈步支护时，超前支架需要随着掘进机的向前推移工作以迈步的方式交替向前行走。在行走的过程中，要求主支撑组和副支撑组交替与顶板接触，承受顶板的全部压力，使得顶板始终得到有效支护[6-7]。迈步向前行走时，主支撑组首先需要保持支撑状态不变，将副支撑组下降至主支撑组横梁上，主支撑组立柱继续收缩，使得主支撑组的底座抬离地面悬于空中，此时推移油缸将副支撑组向前推移，当推移至一个迈步距离后停止推移，并且将副支撑组立柱伸出，使得副支撑组的底座再次压到巷道底板以支撑整个机架，副支撑组的纵梁被顶起，与主支撑组共同支撑顶板，这样一个迈步过程结束，以此往复即可完成迈步行走。

超前支架的液压系统如图3所示。超前支架立柱油缸与顶梁相连,通过电液伺服阀控制立柱油缸有杆腔和无杆腔内流量的变化，可以控制顶梁升降的快慢，当顶梁与顶板接触后，可以控制两腔内压力差，实现不同的压力控制。磁致伸缩位移传感器可以监测顶梁的实时位置，安装在电液伺服阀出口的油压力传感器用于监测油缸两腔压力。

2位置压力复合控制方法

2.1位置、压力控制机理

由超前支架液压系统原理图(图3)可以得出图4、图5分别为对其液压缸位移进行控制和对其液压缸输出力进行控制的传递函数框图。图4中,Us为压力的设定值;Ue为电液比例阀放大器输入电压信号;Ur为力传感器输出电压信号;Ka为电液比例阀放大器的增益;Ksv为电液比例阀阀芯位移的增益;Gsv为电液比例阀传递函数;xv为电液比例阀阀芯位移；Kq为电液比例阀流量增益;Kce为比例阀的压力流量系数;βe为液压油综合体积弹性模量;V为液压缸容积腔总体积;Ap为液压缸等效作用面积;pL为液压缸两缸压强差;p为液压缸输出力;m为负载等效质量;BL为液压缸的阻尼系数;KF为力传感器的反馈增益;K为负载的弹性系数;xp为液压缸位移;QL为系统流量。

视电液伺服阀为理想滑阀，通过上述分析可以得到电液伺服阀的基本流量方程、液压缸的流量连续方程和平衡方程：

(1)

式中,Ct为液压缸总泄漏系数。

由式(1)通过拉普拉斯变换并简化解得阀芯位移到液压缸输出力之间的传递函数:

(2)

为了简化系统动态特性，将电液伺服阀的传递函数用二阶振荡环节近似表示，可得其传递函数：

(3)

式中,ωsv为电液伺服阀的固有频率；ζsv为电液伺服阀的阻尼比[8]。

通过对电液伺服和压力控制的机理进行分析可以看出,在进行位置控制时，由于反馈信号取自位移传感器，液压缸输出的力会随着负载力变化而变化，力环属于开环，负载力是系统的干扰量；在进行力控制时检测信号取自液压缸两腔压力差，位置环属于开环，是系统的干扰量。

可以看出这两种需求在控制上，其控制器的结构、参数均不相同，因此不可能用一个控制器同时进行压力和位置的控制。

2.2并联复合控制方法分析

目前对电液位置或电液压力的单独控制已经有了非常成熟的研究，但是对于如何将两种控制方式进行有机融合，实现平稳的切换还有待研究。现在对于电液位置、压力的复合控制主要通过并联方式进行实现。并联方式的压力与位置控制原理如图6所示[9-11]。

所谓并联控制，就是分别对位置和压力控制回路进行设计，通过设定的位置转换点和转换开关将系统从位置回路转到压力控制来实现的。并联控制的优点是，可以将现有的非常成熟的电液位置、压力控制策略应用于其单独的控制回路;缺点是由于是两种控制回路同时工作，如果在转换点转换不当就会对系统产生较大冲击，如果在转换点未及时完成由位置到压力控制的转换就会使超前支架系统施加很大的支撑力于被支撑的顶板,对整个巷道的稳定性有很大的影响。

2.3模糊切换控制方法

针对并联复合控制方法存在的问题，设计了一种模糊切换的电液伺服位置、压力复合控制系统，其原理如图7所示。该系统在并联切换复合控制系统基础上增加了一个模糊切换控制器，为了便于分析和实现，在位置闭环控制回路中采用普通PID控制器，在压力闭环控制回路中采用模糊控制器。模糊切换控制器实际上是一个单输入单输出的一维模糊控制器，其输入为安装于支架与被支撑顶板之间的力传感器，其输出为切换因子α。其工作原理是，通过力传感器检测出支架与支撑顶板的接触情况，通过模糊控制器计算出切换因子α的值。在压力控制回路中，将电液伺服系统输出的压力与设定值进行比较，之后乘以切换因子α,作为压力闭环系统的输入；在位置控制回路中，将电液伺服系统输出的位移与设定值进行比较，之后乘以切换因子(1-α),作为位置闭环系统的输入；当传感器检测到支架与被支撑顶板之间的作用力为0时，支架并没有运行到与顶板接触的位置，此时切换因子α输出在0附近，压力控制回路的输入为0，即系统处于位置控制回路中;当传感器检测到支架与被支撑顶板之间的作用力不为0时，支架已经与顶板接触，此时切换因子α输出在1附近,位置控制回路的输入为0，系统处于压力控制回路中。这样切换因子的作用使得系统在由位置切换到压力控制过程中过度平缓，不至于出现突然切换而引起的振荡及冲击,能够对超前支架以及巷道顶板进行保护。对于电液伺服力和位置的模糊控制器和PID控制在文献[12-13]中已经有了非常详细的叙述，在此不再赘述。

3仿真分析

模糊切换控制器是一个单输入单输出的一维模糊控制器,需要对输入的力信号p和输出的切换因子α进行模糊化与解模糊，由于模糊切换控制器在控制系统进行位置与压力切换，主要发生在支撑力为0和设定最大值时，切换因子α对应为0和1时，支撑力p在0与最大值左右时，对模糊切换控制器作用影响较大， 因此在设定支撑力p和切换因子α的模糊论域时，在0和1附近需要选取得相对密集，此时，采用均匀划分论域的常规方法就不适用。设定支撑力p变化范围为[0,0.5]kN,并用模糊子集CP1={NB,NM,NO,NS,O,PS,PO,PM,PB}表示真实值子集{0.5，0.475，0.425，0.4,0.25，0.1,0.075，0.025,0}。设定切换因子α变化范围为[0,1],用模糊子集CP2={VB，MB，B，NB，M，NS，S，MS，VS}表示{1,0.95,0.9,0.85,0.5,0.15,0.1,0.05,0}。

根据实验测量以及专家经验可以得出模糊切换控制器的规则，然后构建p和α这两个输入输出参数的模糊规则表,见表1[14]。

按照超前支架模型样机的实际工况对控制系统仿真模型中的各个参数进行确定，如表2所示。独立的压力控制器采用模糊PID控制器，其模糊PID参数分别为:KPP=0.9，KPI=1.2,KPD=0.2;独立的位置控制器采用常规PID控制器,其PID参数分别为:KXP=0.8，KXI=0.5,KXD=4.0。

采用直接切换方式时，设定当液压缸位移达到390mm时进行由位置控制到压力控制的切换;采用模糊切换方式时，切换控制器通过检测顶梁与顶板接触力的大小自动进行切换，因此不需要对位置转换点进行设定。

采用模糊切换控制方式与采用并联复合控制方式的直接切换方法对电液伺服系统进行位置和压力复合控制仿真对比，得到了液压缸位移与速度曲线如图8所示，液压缸两腔的压力与输出力曲线如图9所示。分析仿真曲线可以看出,从第6s开始下达动作指令后,液压缸以最大速度迅速上升直至接近指定位置时，速度迅速降低，系统由位置控制转换为压力控制，液压缸两腔压力迅速增大，建立起压力，直到满足设定压力为止，在功能上能够满足系统需求。然而在性能上，利用模糊切换控制的方法能够具有更好的平滑过渡的能力。由速度变化曲线可以看出，在使用直接切换时，在转换点位置处液压缸速度输出有明显波动，这势必造成液压缸位置的失控，由液压缸两腔压力与输出力曲线可以看到这一点，输出力瞬间最大值达到7kN，远超过设定的4kN的支撑力，在实际应用中，有可能造成顶板失稳等灾害[15-18]。

4实际控制分析

4.1实验样机组成

为了研究分析本文模糊切换控制器的实际应用效果，在超前支架模型样机上进行实验,并与直接切换的并联复合控制方法进行对比，超前支架模型样机如图10所示。在实验室研制的实验平台由以下三大部分组成。

(1)迎头顶板模拟实验框架。迎头顶板模拟实验框架可通过调节框架顶部加载液压缸组的油压,对模拟顶板进行不同载荷的工况模拟。迎头顶板模拟实验框架的加载液压伺服系统可以实现静力学加载曲线压力值的保压调控，也可以按照多种激励作用下的动力学加载曲线压力变化规律对模拟顶板进行加载实验。

(2)超前支架实验样机。与原型机相同，实验模型样机具有双组支撑、单组支撑、交替支撑以及液压迈步移动功能；利用双组交替支撑结构使超前支架在交替移动时，模拟巷道顶板始终存在有效支撑，并且保证顶板受力基本保持稳定。样机上安装有位移、压力、油压等传感器和电控装置。

(3)测量基准框架。研制的模拟实验平台可以进行模拟顶板性能实验和超前支架-顶板体系的静、动力学实验。迎头顶板模拟实验框架和超前支架实验样机在实验时分别通过压力传感器、位移传感器、油压传感器等采集实验数据，并将监测数据传输到控制系统中。

为了在进行复合控制时对液压缸的位移进行监测来实现满足控制精度的闭环控制，选用MTS电流输出型高精度磁致伸缩位移传感器来对各个液压缸的位移进行监测，以弥补普通液压缸没有内置位移传感器的缺憾。该传感器采用直流24V供电，输入信号为4～20mA标准电流信号，分辨率为0.0015%,非线性度为满量程的±0.01%,能够满足测量需求。选用CFBLY-5T轮辐式压力传感器来监测支架与被支撑顶板的支撑力。

4.2实验过程及结果分析

进行实验时，首先将超前支架调整至主支撑组支撑顶板，副支撑组未支撑顶板状态。副支撑组降低至最低点时，顶梁距离顶板距离为400mm，因此在使用直接切换方法时，设定位置转换点为390mm。当采用并联复合控制方式的直接切换方法对电液伺服系统进行位置和压力复合控制时，副支撑组油缸在位置控制作用下以200mm/s的速度快速上升，至390mm转换点时系统自动切换到压力控制，副支撑组油缸继续上升直至与顶板接触。

采用模糊切换控制方式对电液伺服系统进行位置和压力复合控制时，则不需要对位置转换点进行设置，只需要对模糊控制器输入信号的范围进行设定，该输入信号由顶梁与顶板之间的力传感器得到，其变化范围为0～0.5kN。

通过实验对比,得到液压缸位移与速度曲线如图11所示，液压缸两腔的压力与输出力曲线如图12所示。

对比仿真曲线与实测曲线，可以看出两者趋势基本相同，只是由于实测曲线采样频率造成些许差别。进一步研究表明，采用并联复合控制方式的直接切换方法对电液伺服系统进行位置和压力复合控制时，切换步骤繁琐，需要对压力与位置同时设定一个精确的值，若位置设定较低，则系统提前进入压力控制，由于压力控制时，若系统回路增益很低会造成液压缸运行速度极其缓慢，如果位置设定较高，则系统在切换过程中，由于惯性有可能造成过冲，使得压力猛增，无法控制，对顶板造成冲击，并引起超前支架设备的较大的振动。

5结语

本文为了解决应用电液伺服液压系统的位置与压力复合控制方法来提高超前支架支护效率的实际问题，对综掘巷道超前支架的机构和电液伺服系统工作原理进行了分析。通过对比讨论，分析传统电液伺服位置与压力复合控制的切换方法的缺点，提出了一种模糊切换控制器来使得超前支架能够将支架的支撑顶梁以最快速度运行到刚刚要与顶板接触的位置，再通过转换控制器从位置控制平稳切换到压力控制。仿真与实验结果表明，该切换控制器能够有效克服传统直接切换方式的缺点，减小切换过程中引起的振荡以及冲击，使得过渡过程平缓，对超前支架以及巷道顶板进行保护。

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(编辑陈勇)

Electro-hydraulicServoPositionandPressureHybridControlMethodofForepolingSystemonTunnelling

XieMiao1LiuZhixiang1ChiCheng2MaoJun1

1.LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning,1230002.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute,Shenyang,110000

Keywords:forepoling;pressurecontrol;positioncontrol;compositecontrol;electrohydraulicservo;fuzzycontroller

Abstract:Takingintoaccounttheoperationalprinciplesofforepolingequipment,andasthetargettoimprovesupportefficiencyandtoreducethedisturbanceontheroofintheprocessofsupporting,akindofspeedandpressurecompositioncontrolmethodwasproposed.Thecontrolmethodadoptedfuzzyswitchingcontrollertocompletetheconversionofelectrohydraulicpositionandelectrohydraulicpressurecontrol.Theoreticalanalysisandexperimentalresultsshowthat,comparedwiththetraditionalspeedandpressurecontrolmethod,thecontrolmethodhereincanreduceconcussionontheroofintheprocessofswitchingfromspeedcontroltopressurecontrol,andcanimprovesupportefficiency.Researchfruitscanprovideatheoreticalbasisfortheresearchandcontrolstrategyofforepolingequipment.

收稿日期：2015-03-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51304107)；辽宁省教育厅资助项目(L2012118)；辽宁省煤矿液压技术与装备工程研究中心开放基金资助项目(CMHT-201206)

作者简介：谢苗,女,1980年生。辽宁工程技术大学机械工程学院副教授、博士研究生导师。主要研究方向为机械系统理论及设计。刘治翔(通信作者)，男，1988年生。辽宁工程技术大学机械工程学院博士研究生。池城,男,1987年生。煤科集团沈阳研究院有限公司工程师。毛君,男,1960年生。辽宁工程技术大学机械工程学院教授、博士研究生导师。

中图分类号：TH113

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.016