综采工作面液压支架围岩自适应支护控制方法

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ.２０１８　综采工作面液压支架－围岩自适应支护控制方法任怀伟１ꎬ２ꎬ杜毅博１ꎬ２ꎬ侯　刚１(１􀆰天地科技股份有限公司开采设计事业部ꎬ北京　１０００１３ꎻ２􀆰煤炭科学研究总院开采研究分院ꎬ北京　１０００１３)摘　要:为增强液压支架适应性、有效应对日益复杂的围岩动态变化ꎬ提出综采工作面液压支架－围岩自适应支护控制方法ꎮ基于变论域模糊控制方法建立液压支架－围岩刚度、强度及稳定性耦合自适应控制策略ꎬ基于ＭＳＰ４３０处理器开发自适应控制装置ꎬ并进行实验室试验ꎮ试验结果表明:控制装置可精确获取支架状态ꎬ能够根据外载变化自动调节液压支架的安全阀开启压力、初撑力及立柱、平衡千斤顶压力ꎬ保证液压支架处于合理支护状态ꎬ控制误差不大于３％ꎮ该方法可大幅提高液压支架的适应性ꎬ有助于保持工作面液压支架群组－围岩系统的稳定支护状态ꎮ关键词:液压支架ꎻ围岩适应性ꎻ自适应支护ꎻ变论域模糊控制中图分类号:ＴＤ４２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－０１５０－０６Ｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｓｕｐｐｏｒｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ－ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｎｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅＲＥＮＨｕａｉｗｅｉ１ꎬ２ꎬＤＵＹｉｂｏ１ꎬ２ꎬＨＯＵＧａｎｇ１(１􀆰ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎꎬＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆰ＭｉｎｉｎｇＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｈｅａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｄｅａｌｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄａｉｌｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｓｕｒ￣ｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋꎬａｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｓｕｐｐｏｒｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ－ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｎｔｈｅｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｄｏｍａｉｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄꎬａｒｉｇｉｄｉｔｙꎬｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｕｐｌｉｎｇｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ－ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＭＳＰ４３０ｐｒｏｃｅｓｓｏｒꎬｔｈｅｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄａｌａｂｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅｃｏｕｌｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｇｅｔｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔꎬｃｏｕｌｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｄｊｕｓｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｖａｌｖｅｏｐｅｎ/ｃｌｏｓｅｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｉｎｉｔｉａｌｓｅｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒａｎｄｂａｌａｎｃｅｊａｃｋｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄｖａｒｉａｔｉｏｎａｎｄｃｏｕｌｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｉｎａｒａｔｉｏｎａｌｓｕｐｐｏｒｔｓｔａｔｕｓ.Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｒｒｏｒｗｏｕｌｄｎｏｔｏｖｅｒ３％.Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃｏｕｌｄｈｉｇｈｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｗｏｕｌｄｂｅｆａｖｏｒａｂｌｅｔｏｋｅｅｐｔｈｅｓｔａ￣ｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｇｒｏｕｐ－ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔꎻｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙꎻｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｓｕｐｐｏｒｔꎻｖａｒｉａｂｌｅｄｏｍａｉｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ收稿日期:２０１７－１０－２０ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰０２１基金项目:国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１４ＣＢ０４６３０２)ꎻ国家自然科学基金资助项目(Ｕ１６１０２５１)ꎻ天地科技股份有限公司研发资助项目(ＫＪ－２０１５－ＴＤＫＣ－０１)作者简介:任怀伟(１９８０—)ꎬ男ꎬ河北廊坊人ꎬ研究员ꎬ博士ꎮＴｅｌ:０１０－８４２６３１４２ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｒｈｕａｉｗｅｉ＠ｔｄｋｃｓｊ􀆰ｃｏｍ引用格式:任怀伟ꎬ杜毅博ꎬ侯　刚􀆰综采工作面液压支架－围岩自适应支护控制方法[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):１５０－１５５ꎬ１９１􀆰ＲＥＮＨｕａｉｗｅｉꎬＤＵＹｉｂｏꎬＨＯＵＧａｎｇ.Ｓｅｌｆａｄａｐｔｉｖｅｓｕｐｐｏｒｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ－ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｎｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):１５０－１５５ꎬ１９１􀆰０　引　　言液压支架对于围岩的适应性是决定工作面能否安全生产的核心问题ꎮ随着煤矿开采深度的增加ꎬ地质环境日趋复杂ꎬ断层构造增多、动载冲击频发ꎬ液压支架适应围岩条件的难度大幅增加ꎮ增强工作面液压支架的适应性可以从结构改进和自动控制２个方面入手ꎬ目前多数的研究主要集中在液压支架的结构分析和改进方面ꎮ王国彪等[１－２]研究了支架的力平衡区ꎬ详细分析了影响支架承载能力的关键因素ꎬ着重对两柱掩护式支架平衡千斤顶参数进行了优化ꎮ徐亚军等[３－４]基于平面杆系模型研究了两０５１任怀伟等:综采工作面液压支架－围岩自适应支护控制方法２０１８年第１期柱掩护式液压支架承载特性ꎬ通过提高立柱初撑力、工作阻力以及平衡千斤顶工作阻力等来扩大承载区范围ꎬ从而适应外载位置、大小变化ꎮ王国法等[５]从围岩的运移规律出发ꎬ建立支架与围岩关系耦合模型ꎬ将工作围岩与支架作为一个整体力学系统考虑ꎬ进行支架结构和参数的三维动态设计ꎬ实现了液压支架结构参数与特定围岩条件的最佳匹配ꎮ杜毅博[６]、庞义辉等[７]基于支架与围岩刚度耦合、强度耦合和稳定性耦合关系ꎬ提出了基于模糊方法的支架适应性评价方法ꎬ对特定的液压支架结构及参数是否适应某一围岩条件做出评判ꎮ上述研究虽然解决了液压支架结构是否适应围岩条件以及如何改变结构以提高适应性的问题ꎬ并给出通过结构设计和参数优化提高适应性的方法ꎮ然而这些都是针对液压支架确定结构的事前优化和事后评价ꎬ效果有限ꎬ在面对动态变化的围岩条件时无法完全覆盖所需的所有支护特性范围ꎮ同时ꎬ现有液压支架控制研究主要是针对生产的过程控制ꎬ例如自动跟机[８]、工作面调直[９]等ꎬ而不是对液压支架支护状态的控制ꎮ因此ꎬ必须在结构创新的基础上ꎬ研究通过自动调节支架关键参数来提高支架适应性的控制方法ꎮ只有这样才能大幅提升支架适应能力ꎬ更好地满足井下复杂围岩控制需求ꎮ基于上述分析ꎬ笔者提出了综采工作面液压支架－围岩自适应支护控制方法ꎬ实现液压支架关键参数随围岩状态变化自动调节ꎬ使液压支架实时响应外部条件变化ꎬ满足围岩支护需求ꎮ具体工作如下:采用基于变论域模糊控制方法ꎬ建立液压支架－围岩刚度、强度及稳定性耦合自适应控制模型ꎬ开发自适应控制装置ꎬ并进行实验室测试ꎮ试验表明:控制装置可精确获取支架状态ꎬ能够根据外载变化自动调节液压支架的安全阀开启压力、初撑力及立柱、平衡千斤顶压力ꎬ保证液压支架处于合理支护状态ꎮ该方法可大幅提高液压支架的适应性ꎬ有助于保持工作面液压支架群组－围岩系统的稳定支护状态ꎮ１　变论域模糊控制建模液压支架与围岩相互耦合ꎬ相互影响ꎬ各个参数间存在着复杂的关联、制约关系ꎮ工作面液压支架支护效果的确定需要综合考虑多种因素ꎬ这些因素多数都具有随机性和模糊性ꎮ在液压支架支护状态监测研究[１０－１４]的基础上ꎬ文献[６]给出了液压支架支护状态模糊评价方法ꎬ笔者在此基础上提出基于模糊控制的液压支架姿态自适应控制策略ꎬ并基于变域论模糊控制算法对相应的控制系统进行建模ꎮ设定液压支架支护状态是全集Ｕ上的模糊集合Ｑꎬ建立映射由论域Ｕ到集合[０ꎬ１]有:μＱ:Ｕ→[０ꎬ１]ｕ→μＱ(ｕ)　ｕ∈[０ꎬ１]{其表述了在取值范围[０ꎬ１]内ꎬ元素ｕ属于模糊集合Ｑ的程度ꎬμＱ(ｕ)为元素ｕ属于模糊集合Ｑ的隶属度函数ꎬ可以通过液压支架状态隶属度函数描述和判断支架状态[１５]ꎮ对于液压支架ꎬ影响其支护状态的支架姿态及受力状态等与其主要控制对象立柱、平衡千斤顶、侧推千斤顶等缺乏直接的对应关系ꎬ因此必须将控制参数进行模糊化ꎬ通过模糊语言和规则对支架进行调控ꎮ自适应模糊控制需要建立模糊控制器[１６－２０]ꎬ主要包括模糊化器、规则库、推理机和模糊消除器等ꎮ液压支架支护状态主要由合力作用点位置、工作阻力、工作高度、顶梁俯仰角、底座横滚角５个参数表示ꎮ选取支架合力作用点ＱＸ及其变化率Ｑ􀅰Ｘ作为控制系统的输入变量ꎬ选取立柱的位移ＬＸ及平衡千斤顶的位移ＬＹ作为输出ꎬ如图１所示ꎮ图１　液压支架模糊控制输入和输出参数Ｆｉｇ􀆰１　Ｉｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ对于合力作用点位置ＱＸꎬ其取值范围为[０ꎬＬ]ꎬＬ为顶梁长度ꎮ可将其模糊子集定义为ＮＢꎬＮＭꎬＮＳꎬＺꎬＰＳꎬＰＭꎬＰＢ{}ꎬ分别表示顶梁前端区域、前中、前小、正好、后小、后中、铰接区域７个模糊状态ꎮ对于合力作用点的变化率Ｑ􀅰Ｘꎬ表示为１ｓ内的变化量ꎬ将其模糊子集定义为ＮＢꎬＮＭꎬＮＳꎬＺꎬＰＳꎬＰＭꎬＰＢ{}ꎬ将合力作用点由铰接点位置向端部位置变化定义为正ꎬ则将变化率表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大７个模糊状态ꎮ由于液压支架与围岩相互作用ꎬ为保证工作面１５１２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷安全ꎬ在对液压支架进行控制过程中必须确保液压支架的稳定ꎮ因此ꎬ液压支架的控制过程应根据其支护状态通过多个工作循环逐步完成ꎬ且每个工作循环在进行调整时控制过程需快速完成ꎮ液压支架模糊控制流程如图２所示ꎬ液压支架控制策略如下:图２　液压支架模糊控制流程Ｆｉｇ􀆰２　Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｒｔｆｏｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ１)控制立柱千斤顶与平衡千斤顶联动使支架到达设定工作高度范围ꎮ２)根据检测数据应用支护状态模糊评价方法判断支架支护状态ꎬ确定支架是否需要调整控制ꎮ３)如支架姿态过差时ꎬ应用模糊控制方法ꎬ以支架的合力作用点位置及其变化率作为输入变量ꎬ控制立柱千斤顶位移长度及平衡千斤顶位移长度作为输出变量ꎬ控制支架完成调整动作ꎬ并记录调整后支架工作状态ꎮ４)在下一工作循环ꎬ重复上述步骤ꎬ通过若干工作循环使支架支护状态达到所需要求ꎮ由于液压支架的姿态在变化时多数集中于其论域的中部ꎬ而很少到达其两端位置ꎮ对于模糊控制规则ꎬ其隶属度划分得越细致ꎬ控制输出的模糊规则也就相应地越细致ꎬ其输出也就越精确ꎮ因此ꎬ为保证输入变量位于其论域的中部时可以应用更多的判断规则ꎬ引入变论域概念ꎬ应用伸缩因子ꎬ提高控制规则的灵活性和输出的稳定性ꎮ变论域模糊控制隶属度函数模型如图３所示ꎮ图３　变论域模糊控制隶属度函数模型Ｆｉｇ􀆰３　Ｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｄｏｍａｉｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ伸缩因子Ｋ＝α(ｘ)/