CN109869177A - 一种电液伺服阀控液压移架系统及其位移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液伺服阀控液压移架系统及其位移控制方法，包括支撑立柱、液压移架油缸、电液伺服阀以及油箱；液压移架油缸安装在所述支撑立柱后方，与电液伺服阀连接，油箱通过三相异步电机连接定量泵；采用自适应滑模控制方法实现电液伺服阀控液压移架系统的精准位置控制，有效抑制系统中具有的不确定性因素对其控制性能的影响，提高综掘过程中的支护效率，为煤矿巷道智能化和无人化开采奠定实现的技术基础。

Description

一种电液伺服阀控液压移架系统及其位移控制方法

技术领域

本发明涉及液压阀控技术领域，具体涉及一种适用于煤矿巷道掘进过程中迈步式超前支护支架的电液伺服阀控液压移架系统及位移控制方法。

背景技术

在煤矿巷道掘进过程中，迈步式超前支护支架用于对掘进完成后的空顶进行临时支护。根据支护需求，其主要具有顶板支护与移架两种工作状态。其中，顶板支护任务主要是通过控制四个立柱油缸，完成与之相对应的四根支撑立柱对空顶顶板的支撑；移架任务主要是通过控制两个移架油缸，实现两组支撑立柱的交替迁移，完成整个超前支架沿巷道径向的移动。移架任务中，支撑立柱沿巷道径向位移控制的准确程度直接影响整个巷道掘进作业的效率。如果超前支护支架的位移量小于期望值，则支架不能完全实现对掘进后巷道空顶的支撑，容易产生垮塌事故；若进行二次移架操作，则会严重影响掘进支护效率。因此，实现对电液伺服阀控液压移架系统的精准位移控制是提高综掘效率的关键，对煤矿巷道安全高效开采具有重要意义。

针对类似的液压移架系统，文献(王威.大采高综采面运输巷自移式超前支架支护研究[D].2015)提出了自移式超前支架工作阻力的确定方法,并通过实验验证了其可靠性；专利(张建伟,梁志刚,王贺龙.一种用液压控制的立体车库横向移动架.2014)采用立体车库技术,提供了一种安全可靠、容易控制、噪音小的横向移动架；专利(向虎,韦文术,王伟,等.一种液压自移式移变列车液压系统. 2016)利用电液控换向阀，实现自移式移变列车的分组分区控制；文献(王峰. 液压支架精确推移控制方案研究与应用[J].工矿自动化,2017,43(5):6-9)通过控制逻辑阀，实现液压支架的精准位移。综上所述，已有的类似液压移架系统并没有给出具体的位移控制方案。

针对电液伺服阀控液压移架系统及其位移控制，专利(曲天智.一种液压支架推移油缸控制装置,2014)虽然实现了支架推移油缸的液压控制，但是系统结构复杂、运行效率低；文献(谢苗,刘治翔,谢春雪,等.巷道超前支护装备双缸同步推移控制方法[J].中国机械工程,2017,28(4):404-409)提出了等状态交叉耦合模糊控制方法，用于控制移架油缸的跟踪位移及其同步误差。实验表明，其控制效果虽然优于主从交叉耦合控制方法，但是同步误差较大，无法满足实际工况下的同步位移控制要求；文献(张星梅,葛浙东,王艳伟,等.人造板连续平压机液压油缸的位移模糊PID控制[J].木材加工机械,2017(6):15-18)采用模糊PID，实现液压油缸的位移控制。实验结果表明，其控制效果明显好于传统PID控制器, 但是系统超调较大；文献(沙郑辉,赵升吨.基于MRFAC的液压双缸同步控制系统设计与仿真[J].机床与液压.2013,41(5):90-96)提出了基于模型参考模糊自适应控制的液压油缸跟踪位移控制方法。该方法虽然鲁棒性强，但是其跟踪性能无法满足实际需求。考虑到本专利构建的电液伺服阀控液压移架系统中，存在外加扰动和未建模因素等诸多不确定性，传统的控制策略已经很难满足电液伺服阀控液压移架系统的精准位置控制需求。基于此，本专利设计了电液伺服阀控液压移架系统的自适应滑模位移控制方法。

液压移架系统的位移控制是实现液压迈步式超前支护支架智能化和无人化作业的重要环节，对提高煤矿巷道的掘进作业效率具有深远意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种电液伺服阀控液压移架系统及其位移控制方法，实现对移架系统的精准位置控制，有效抑制移架系统中诸多不确定因素对位移控制的影响，提高综掘巷道支护装备的作业效率，为煤炭巷道高效作业奠定良好的基础。

一种电液伺服阀控液压移架系统，包括支撑立柱、液压移架油缸(1)、电液伺服阀(6)以及油箱(9)；

所述液压移架油缸(1)安装在所述支撑立柱后方，所述电液伺服阀(6)与所述液压移架油缸(1)连接；所述电液伺服阀(6)与所述油箱(9)之间连接有定量泵(10)；所述定量泵(10)连接有三相异步电机(7)。

在所述定量泵(10)的输出端与所述油箱(9)之间连接有比例溢流阀(11)。

在所述定量泵(10)与所述油箱(9)之间连接有过滤器(8)。

一种电液伺服阀控液压移架系统的位移控制方法，包括步骤：

步骤1：建立电液伺服阀控液压移架系统数学模型；

11)记伺服放大器的放大系数为k_p，伺服放大器的输入电压为U_c，伺服放大器的输出电流为I_c，伺服放大器的数学模型为：

I_c＝k_pU_c (1)

12)记电液伺服阀的阀口流量，即液压移架油缸的入口流量为q_L，电液伺服阀的流量增益为k_q，电液伺服阀的压力-流量系数为k_c，电液伺服阀阀芯位移为x_v，负载压力为p_L，电液伺服阀的流量方程为：

q_L＝k_qx_v-k_cp_L (2)

13)记液压移架油缸的活塞面积为A_p，活塞位移为x_p，活塞位移的一阶导数，即活塞速度为液压移架油缸内/外总泄漏系数为C_t，液压油弹性模量为β_e，负载压力对时间的变化量为液压移架油缸两腔的总体积为V_t，液压移架油缸流量特性方程为：

14)记负载的质量为M_t，负载的黏性阻尼系数为B_p，负载的弹性粘度为k_s， k_s＝0，不确定以及未建模项为f_L，活塞位移的二阶导数，即活塞加速度为根据液压移架油缸的输出力与负载力相平衡的特点，得到液压移架油缸的力平衡特性方程为：

15)记伺服阀增益为k_v，电液伺服阀流量特性等效为一个比例环节，即：

x_v＝k_vI_c (5)

16)根据电液伺服阀和液压移架油缸的流量特性，以及液压移架油缸的力平衡特性，得到液压移架系统的数学模型为：

其中，为活塞位移的三阶导数，为未建模和不确定项的一阶导数；将上式简化描述为

其中，m₁＝M_tV_t/4β_e，m₂＝B_pV_t/4β_e+(k_c+C_t)M_t，m₃＝A_p ²+(k_c+C_t)B_p，m₄＝A_pk_pk_qk_v， m₅＝-V_t/4β_e，m₆＝-(C_t+k_c)；进一步整理得到液压移架系统模型为：

其中，a₀、a₁、b₀、c₀、c₁为微分方程系数，满足a₀＝-m₂/m₁，a₁＝-m₃/m₁， b₀＝m₄/m₁，c₀＝m₅/m₁，c₁＝m₆/m₁；

17)根据步骤16)中液压移架系统的数学模型的微分方程，得到液压移架系统的数学模型的状态方程表达式为：

其中，为位移速度，为位移加速度；B＝[0 0 b₀]^T，C＝[1 0 0]，u＝U_c，d(t)＝[0 0 Δ]^T，表示扰动以及未建模因素引起的不确定项；

步骤2：设计电液伺服阀控液压移架系统的自适应滑模位移控制方法：

记液压移架系统支撑立柱的期望位移信号为x_d，则系统位移误差为：

e＝x_p-x_d (9)

设计动态切换函数为：

其中λ₀和λ₁为大于零的常数；

选取指数趋近律设计系统状态到达滑模面的过程，具体为：

其中ε、k为大于零的常数；

联立式(8)-(11)，得到：

-εsgn(s)-ks＝λ₀x₂+λ₁x₃+(a₀x₃+a₁x₂+b₀u+Δ) (12)

由此，可得控制率u为：

最终得到控制率为：：

其中，为扰动以及未建模因素引起不确定项的估计值。

还包括步骤4：基于AMESim和Matlab联合仿真平台，搭建所述电液伺服阀控液压移架系统的位移控制联合仿真平台；通过联合仿真实验，验证所述电液伺服阀控液压移架系统位移控制方法。

有益效果：本发明适用于电液伺服阀控液压移架系统的精准位置控制，可以有效抑制系统中具有的不确定性因素对其控制性能的影响，提高综掘过程中的支护效率，为煤矿巷道智能化和无人化开采奠定实现的技术基础。

附图说明

图1是本发明的电液伺服阀控液压移架系统俯视图。

图2是本发明的电液伺服阀控液压移架系统结构图。

图3是本发明的电液伺服阀控液压移架系统的自适应滑模位移控制框图。

图4是本发明的电液伺服阀控液压移架系统联合仿真模型。

图中：1-移架油缸；2-主支撑组横梁；3-副支撑组横梁；4-副支撑组纵梁； 5-主支撑组纵梁；6-电液伺服阀；7-三相异步电机；8-过滤器；9-油箱；10-定量泵；11-比例溢流阀；12-等效质量块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

在煤矿巷道掘进过程中，迈步式超前支护支架用于对掘进完成后的空顶进行临时支护。根据支护需求，其主要具有顶板支护与移架两种工作状态。电液伺服阀控液压移架系统俯视图如图1所示，其中，顶板支护任务主要是通过控制四个立柱油缸，完成与之相对应的四根支撑立柱对空顶顶板的支撑；移架任务主要是通过控制两个液压移架油缸1，实现两组支撑立柱的交替迁移，完成整个超前支架沿巷道径向的移动。

本发明所涉及的电液伺服阀控液压移架系统结构如图2所示，电液伺服阀控液压移架系统包括三相异步电机7、油箱9、电液伺服阀6、过滤器8、比例溢流阀11、液压移架油缸1以及定量泵10；所述液压移架油缸1前方连接等效质量块12，这里所述等效质量块12用于替代所述液压移架油缸1的负载包括活塞以及一套支撑组折算到活塞上的等效负载，也即支撑立柱及其相应的移架结构。所述三相异步电机7与定量泵10相连接；所述过滤器8、定量泵10、电液伺服阀 6、液压移架油缸1依次向上顺次连接；所述定量泵10的输入端通过过滤器8 与油箱9连接，其输出端与电液伺服阀的1号端口连接；所述定量泵10的输出端与油箱9之间连接比例溢流阀11；所述电液伺服阀6与液压移架油缸1双向连接；所述三相异步电机7带动定量泵10旋转，定量泵10输出端泵出的液压油分别流向比例溢流阀11和电液伺服阀6，通过改变电液伺服阀6阀芯位置调节液压油的输出流量，进而控制液压移架油缸1的输出位移。同时，电液伺服阀6 的2号端口与油箱连接，将乳化液送到回油箱，形成一个油路的闭环回路；3号和4号端口分别与液压移架油缸1的输入/输出端口连接。

本发明采用电液伺服阀控液压移架系统后，采用的位移控制方法如下：

步骤1.引入阀控技术，构建电液伺服阀控液压移架系统；

步骤2.分析电液伺服阀控液压移架系统各组成构件特性，建立电液伺服阀控液压移架系统数学模型；

首先，根据实际特性和建模需求，给出以下四点假设：

a.假设电液伺服阀为理想阀；

b.假设液压油无粘性，不可压缩且其密度不可改变；

c.假设液压油压力恒定且回油压力为零。

d.忽略整个液压系统中的管路损失；

其次，建立电液伺服阀控液压移架系统的数学模型。

21)记伺服放大器的放大系数为k_p，伺服放大器的输入电压为U_c，伺服放大器的输出电流为I_c，伺服放大器的数学模型为：

I_c＝k_pU_c (1)

22)记电液伺服阀的阀口流量，即液压移架油缸的入口流量为q_L，电液伺服阀的流量增益为k_q，电液伺服阀的压力-流量系数为k_c，电液伺服阀阀芯位移为x_v，负载压力为p_L，电液伺服阀的流量方程为：

q_L＝k_qx_v-k_cp_L (2)

23)记液压移架油缸的活塞面积为A_p，活塞位移为x_p，活塞位移的一阶导数，即活塞速度为液压移架油缸内/外总泄漏系数为C_t，液压油弹性模量为β_e，负载压力对时间的变化量为液压移架油缸两腔的总体积为V_t，液压移架油缸流量特性方程为：

24)记负载的质量为M_t，负载的黏性阻尼系数为B_p，负载的弹性粘度为k_s，不确定以及未建模项为f_L，活塞位移的二阶导数，即活塞加速度为考虑到液压动力元件中负载为惯性负载，则有k_s＝0，根据液压移架油缸的输出力与负载力相平衡的特点，可得液压移架油缸的力平衡特性方程为：

25)记伺服阀增益为k_v，由于电液伺服阀响应速度快、灵敏度高，其特性可以等效为一个比例环节，即：

x_v＝k_vI_c (5)

26)根据电液伺服阀和液压移架油缸的流量特性，以及液压移架油缸的力平衡特性，可以得到液压移架系统的数学模型为：

其中，为活塞位移的三阶导数，为未建模和不确定项的一阶导数；将上式简化描述为

其中，m₁＝M_tV_t/4β_e，m₂＝B_pV_t/4β_e+(k_c+C_t)M_t，m₃＝A_p ²+(k_c+C_t)B_p，m₄＝A_pk_pk_qk_v，m₅＝-V_t/4β_e，m₆＝-(C_t+k_c)。进一步整理得到液压移架系统模型为：

其中，a₀、a₁、b₀、c₀、c₁为微分方程系数，满足a₀＝-m₂/m₁，a₁＝-m₃/m₁， b₀＝m₄/m₁，c₀＝m₅/m₁，c₁＝m₆/m₁；

27)根据步骤26)中系统数学模型的微分方程，得到系统模型的状态方程表达式为：

其中，X＝[x₁,x₂,x₃]^T，x₁＝x_p，为位移速度，为位移加速度；B＝[0 0 b₀]^T，C＝[1 0 0]，u＝U_c，d(t)＝[0 0 Δ]^T，表示扰动以及未建模因素引起的不确定项；

步骤3.考虑到阀控液压移架系统中存在诸多不确定因素，基于步骤2建立的系统数学模型，设计电液伺服阀控液压移架系统的自适应滑模位移控制方法；具体过程如下：

记液压移架系统支撑立柱的期望位移信号为x_d，则系统位移误差为：

e＝x_p-x_d (9)

设计动态切换函数为：

其中λ₀和λ₁为大于零的常数；

为有效削弱系统状态到达滑模面时引起的抖振现象，选取指数趋近律

设计系统状态到达滑模面的过程，其中ε、k为大于零的常数；

联立式(8)-(11)，可以得到：

-εsgn(s)-ks＝λ₀x₂+λ₁x₃+(a₀x₃+a₁x₂+b₀u+Δ) (12)

由此，可得控制率u为：

由于扰动以及未建模因素引起的不确定项Δ未知，用其估计值来代替，为扰动以及未建模因素引起不确定项的估计值，则控制率为：

选取李雅普诺夫函数为：

其中Γ为待整定参数，为不确定项的估计误差，即进一步地，对式(15)两边求微分，得到：

将式(13)代入式(16)得到：

设计自适应律为：

将式(18)代入式(17)，有：

式(19)表明上述滑模具有存在性和可达性，验证了系统能够实现滑模运动。

步骤4.针对图2所示电液伺服阀控液压移架系统结构，基于AMESim和 Matlab联合仿真平台，搭建电液伺服阀控液压移架系统的位移控制联合仿真平台；通过联合仿真实验，验证所提电液伺服阀控液压移架系统位移控制方法的合理性和有效性；

实施例

在煤矿巷道掘进过程中，顶板支护任务主要是通过控制四个立柱油缸，完成与之相对应的四根支撑立柱对空顶顶板的支撑；移架任务主要是通过控制两个移架油缸，实现两组支撑立柱的交替迁移，完成整个超前支架沿巷道径向的移动；巷道作业过程中，顶板支护和移架两种状态交替轮流工作，共同来完成迈步式超前支护支架的整个工作过程。图1是电液伺服阀控液压移架系统俯视图。

电液伺服阀控液压移架系统结构如图2，移架作业过程中，三相异步电机带动定量泵旋转，定量泵输出端泵出的液压油分别流向比例溢流阀和电液伺服阀，通过改变电液伺服阀阀芯位置调节液压油的输出流量，进而控制液压移架油缸的输出位移。

阀控液压移架系统中存在着扰动以及未建模等诸多不确定因素，据此设计电液伺服阀控液压移架系统的自适应滑模位移控制方法，其控制框图如图3所示。基于AMESim和Matlab联合仿真平台，搭建电液伺服阀控液压移架系统的位移控制联合仿真平台，电液伺服阀控液压移架系统联合仿真模型如图所示。电液伺服阀控液压移架联合仿真系统中各构件参数以及控制器参数，详见表1所示。

表1阀控液压移架系统参数

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (5)

1.一种电液伺服阀控液压移架系统，其特征在于：包括支撑立柱、液压移架油缸(1)、电液伺服阀(6)以及油箱(9)；

所述液压移架油缸(1)安装在所述支撑立柱后方，所述电液伺服阀(6)与所述液压移架油缸(1)连接；所述电液伺服阀(6)与所述油箱(9)之间连接有定量泵(10)；所述定量泵(10)连接有三相异步电机(7)。

2.根据权利要求1所述的电液伺服阀控液压移架系统，其特征在于：在所述定量泵(10)的输出端与所述油箱(9)之间连接有比例溢流阀(11)。

3.根据权利要求1所述的电液伺服阀控液压移架系统，其特征在于：在所述定量泵(10)与所述油箱(9)之间连接有过滤器(8)。

4.一种采用权利要求1至3任一权利要求所述的电液伺服阀控液压移架系统的位移控制方法，其特征在于：包括步骤：

步骤1：建立电液伺服阀控液压移架系统数学模型；

11)记伺服放大器的放大系数为k_p，伺服放大器的输入电压为U_c，伺服放大器的输出电流为I_c，伺服放大器的数学模型为：

I_c＝k_pU_c (1)

12)记电液伺服阀的阀口流量，即液压移架油缸的入口流量为q_L，电液伺服阀的流量增益为k_q，电液伺服阀的压力-流量系数为k_c，电液伺服阀阀芯位移为x_v，负载压力为p_L，电液伺服阀的流量方程为：

q_L＝k_qx_v-k_cp_L (2)

13)记液压移架油缸的活塞面积为A_p，活塞位移为x_p，活塞位移的一阶导数，即活塞速度为液压移架油缸内/外总泄漏系数为C_t，液压油弹性模量为β_e，负载压力对时间的变化量为液压移架油缸两腔的总体积为V_t，液压移架油缸流量特性方程为：

14)记负载的质量为M_t，负载的黏性阻尼系数为B_p，负载的弹性粘度为k_s，k_s＝0，不确定以及未建模项为f_L，活塞位移的二阶导数，即活塞加速度为根据液压移架油缸的输出力与负载力相平衡的特点，得到液压移架油缸的力平衡特性方程为：

15)记伺服阀增益为k_v，电液伺服阀流量特性等效为一个比例环节，即：

x_v＝k_vI_c (5)

16)根据电液伺服阀和液压移架油缸的流量特性，以及液压移架油缸的力平衡特性，得到液压移架系统的数学模型为：

其中，为活塞位移的三阶导数，为未建模和不确定项的一阶导数；将上式简化描述为

其中，m₁＝M_tV_t/4β_e，m₂＝B_pV_t/4β_e+(k_c+C_t)M_t，m₃＝A_p ²+(k_c+C_t)B_p，m₄＝A_pk_pk_qk_v，m₅＝-V_t/4β_e，m₆＝-(C_t+k_c)；进一步整理得到液压移架系统模型为：

其中，a₀、a₁、b₀、c₀、c₁为微分方程系数，满足a₀＝-m₂/m₁，a₁＝-m₃/m₁，b₀＝m₄/m₁，c₀＝m₅/m₁，c₁＝m₆/m₁；

17)根据步骤16)中液压移架系统的数学模型的微分方程，得到液压移架系统的数学模型的状态方程表达式为：

其中，X＝[x₁,x₂,x₃]^T，x₁＝x_p，为位移速度，为位移加速度；B＝[0 0 b₀]^T，C＝[1 0 0]，u＝U_c，d(t)＝[0 0 Δ]^T，表示扰动以及未建模因素引起的不确定项；

步骤2：设计电液伺服阀控液压移架系统的自适应滑模位移控制方法：

记液压移架系统支撑立柱的期望位移信号为x_d，则系统位移误差为：

e＝x_p-x_d (9)

设计动态切换函数为：

其中λ₀和λ₁为大于零的常数；

选取指数趋近律设计系统状态到达滑模面的过程，具体为：

其中ε、k为大于零的常数；

联立式(8)-(11)，得到：

-εsgn(s)-ks＝λ₀x₂+λ₁x₃+(a₀x₃+a₁x₂+b₀u+Δ) (12)

由此，可得控制率u为：

最终得到控制率为：：

其中，为扰动以及未建模因素引起不确定项的估计值。

5.根据权利要求4所述的位移控制方法，其特征在于：还包括步骤4：基于AMESim和Matlab联合仿真平台，搭建所述电液伺服阀控液压移架系统的位移控制联合仿真平台；通过联合仿真实验，验证所述电液伺服阀控液压移架系统位移控制方法。