CN114215573B - 基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法 - Google Patents

基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，涉及智能开采设备技术领域。该方法包括：液压支架的控制面板内置基础结构参数，确定支架运行过程中的变量姿态参数；建立支架姿态监测数学模型，将支架前立柱和后立柱的行程数据依次间隔输入该模型；基于密集点群间隔定义采用N‑X分法建立面向液压支架姿态监测的密集点群样图。建立支架的姿态控制数学模型，等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，建立面向液压支架姿态控制的密集点群样图。运用N‑X分法在密集点群样图中快速找寻支架当前支护姿态，运用N‑X分法在密集点群样图中快速找寻支架前后立柱的目标长度，提高了液压支架监测、控制的效率和精度。

Description

基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法
技术领域
本发明涉及智能开采设备和液压支架设备技术领域，尤其是一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法。
背景技术
智慧矿山是对煤矿生产、职业健康与安全、技术和后勤保障等进行主动感知、自动分析、快速处理，其中地、测、采、掘、机、运、通、调度、计划、设计等的信息化、智慧化有待进一步提升。液压支架是矿井安全生产的关键，支架的使用过程中，液压支架姿态监控工作存在的问题包括：截割动作发生后，支架没有快速升起支护工作面顶板导致顶板暴露时间过长，不利于顶板控制；液压支架的工作姿态，缺乏实时监测反馈的方式，尤其是顶梁前端、顶梁后端单点承载的低头、高射炮承载姿态；液压支架姿态和支架参数之间缺乏对应的关系，地面控制中心难以实现对当前支护状态的虚拟视控及远程干预。
支撑掩护式液压支架，为了实现远程的监控，对液压支架的工作姿态进行确定，现有技术中，对液压支架工作姿态的确定方法大多是通过直接监测确定，但是基于井下复杂的工作环境，监测设备太多容易发生监测失效的情况；并且多个参数的监测精度也会下降。例如中国专利(CN107356243A、CN111441810A)公开的支撑掩护式液压支架的运行姿态在线监测方法，通过在支架顶梁、连杆布置角度传感器，在立柱布置压力传感器，获取支架在支护过程表现的受力特征和支护姿态监测。
为了提高液压支架工作姿态监测以及工作姿态的智能化调节控制，需要对现有的监测及控制方法做进一步的改进。
发明内容
为了提高液压支架姿态的监测控制效率和精度，优化控制系统的运行，提升液压支架的智能化水平，本发明提供了一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，具体的技术方案如下。
一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，包括：
S1.液压支架的控制面板内置基础结构参数，确定液压支架运行过程中的变量姿态参数；
S2.建立液压支架姿态监测数学模型，将支架前立柱和后立柱的全行程数据依次间隔输入支架姿态监测数学模型；
S3.基于密集点群间隔定义采用N-X分法建立面向液压支架姿态监测的密集点群样图；
S4.建立支架的姿态控制数学模型，等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，建立面向液压支架姿态控制的密集点群样图；
S5.运用N-X分法在密集点群样图中快速找寻支架当前支护姿态，运用N-X分法在密集点群样图中快速找寻支架前立柱和后立柱的最终目标长度；
S6.支架控制面板将支架前立柱和后立柱的当前立柱长度和目标长度进行比对，依据比对差值输出比例控制信号控制比例电磁换向阀启闭，进而控制支架进行姿态调控。
优选的是，液压支架包括底座、后连杆、前连杆、掩护梁、顶梁、前立柱和后立柱；所述前立柱和后立柱配置在底座和顶梁之间，后连杆和前连杆的两端分别连接底座和掩护梁，掩护梁和顶梁铰接固定。
优选的是，液压支架的底座布置有九轴倾角传感器，确定空间姿态角；前立柱和后立柱上均布置有隔爆液位传感器，监测前立柱和后立柱的长度参数；顶梁的两个侧面布置有面阵激光测距传感器，监测顶板实时参数；所述控制面板通过输出控制信号调整前柱比例阀和后柱比例阀。
优选的是，基础结构参数包括后连杆基准定位高度L1、后连杆基准长度L2、前后连杆上铰点距离L3、前连杆上铰点与顶梁-掩护梁铰点距离L4、后立柱上铰点至顶梁-掩护梁铰点距离L5、前后立柱上铰点距离L6、前立柱垂向定位距离L9、后立柱垂向定位距离L10、前连杆下铰点垂向定位距离L0、后连杆垂向定位距离L11、前连杆长度L12、后立柱下铰点横向定位距离L14、前后立柱下铰点横向定位距离L15、前后立柱水平摆角J3。
优选的是，变量姿态参数包括后连杆与水平方向夹角为挑高角J1、后连杆与底座之间的夹角J2、后连杆与掩护梁之间的夹角J4、掩护梁与前连杆和底座连接端连线之间的夹角J5、掩护梁与竖直方向的夹角J6、贴顶角J7、前立柱的长度L8、后立柱的长度L7、后连杆和掩护梁连接端与前连杆和底座连接端之间的距离L13。
还优选的是，液压支架姿态监测数学模型为：
Figure GDA0003847476280000021
利用液压支架姿态监测数学模型，以及监测的前立柱和后立柱长度推算后连杆挑高角和顶梁贴顶角。
还优选的是，N-X分法具体包括：根据目标值确定立柱长度的搜寻误差δ，并将误差代入公式：
Figure GDA0003847476280000031
计算最优N-X值，其中Lmax为目标立柱的最大行程，Lmin为目标立柱的最小长度，N为立柱行程划分次数，x为循环搜寻次数。
进一步优选的是，支架的姿态控制数学模型为：
Figure GDA0003847476280000032
通过获取支架挑高角和贴顶角，反算支架前立柱和后立柱的目标长度进而控制立柱换向阀启闭调控立柱达到目标长度。
进一步优选的是，支架的姿态控制数学模型等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，间隔定义过程代入公式：
Figure GDA0003847476280000033
其中Jmax为目标角度的最大允许值，Jmin为目标角度的最小允许值。
本发明提供的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法的有益效果是，在液压支架的支护姿态监测及控制过程中，利用了密集点群间隔定义采用N-X分法，其确定了搜寻误差，置入控制面板内，不占用系统搜寻时间，从而提高了系统的运行效率，保证了支架监测的实时性，以及支架控制的及时性。该方法中还可以确定液压支架姿态监测的密集点群样图，以及液压支架姿态控制的密集点群样图，为支架支护姿态监测及控制提供了方便，优化了控制系统的运行，提升了液压支架的智能化水平。
附图说明
图1是基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法的流程示意图；
图2是液压支架结构示意图；
图3是液压支架长度尺寸示意图；
图4是液压支架角度尺寸示意图；
图5是液压支架的姿态控制原理示意图；
图6是液压支架的另一姿态控制原理示意图；
图7是支护姿态监测的密集点群样图；
图8是另一支护姿态监测的密集点群样图；
图9是支护姿态控制的密集点群样图；
图10是另一支护姿态控制的密集点群样图；
图中：1-底座，2-后连杆，3-前连杆，4-掩护梁，5-顶梁，6-前立柱，7-后立柱，8-立柱液位传感器，9-底座倾角传感器。
具体实施方式
结合图1至图10所示，本发明提供的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法的具体实施方式如下。
一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，利用的液压支架包括底座、后连杆、前连杆、掩护梁、顶梁、前立柱和后立柱。前立柱和后立柱配置在底座和顶梁之间，后连杆和前连杆的两端分别连接底座和掩护梁，掩护梁和顶梁铰接固定。液压支架的底座布置有维特智能BWT901CL九轴倾角传感器，确定空间姿态角。前立柱和后立柱上均布置有米朗MTC-3000型隔爆液位传感器，监测前立柱和后立柱的长度参数。顶梁的两个侧面布置有HPS-3D160面阵固态激光测距传感器，监测顶板实时参数。控制面板通过输出控制信号调整前柱比例阀和后柱比例阀。
该方法的步骤具体的包括：
S1.液压支架的控制面板内置基础结构参数，确定液压支架运行过程中的变量姿态参数。
基础结构参数包括后连杆基准定位高度L1、后连杆基准长度L2、前后连杆上铰点距离L3、前连杆上铰点与顶梁-掩护梁铰点距离L4、后立柱上铰点至顶梁-掩护梁铰点距离L5、前后立柱上铰点距离L6、前立柱垂向定位距离L9、后立柱垂向定位距离L10、前连杆下铰点垂向定位距离L0、后连杆垂向定位距离L11、前连杆长度L12、后立柱下铰点横向定位距离L14、前后立柱下铰点横向定位距离L15、前后立柱水平摆角J3。
变量姿态参数包括后连杆与水平方向夹角为挑高角J1、后连杆与底座之间的夹角J2、后连杆与掩护梁之间的夹角J4、掩护梁与前连杆和底座连接端连线之间的夹角J5、掩护梁与竖直方向的夹角J6、贴顶角J7、前立柱的长度L8、后立柱的长度L7、后连杆和掩护梁连接端与前连杆和底座连接端之间的距离L13。
S2.建立液压支架姿态监测数学模型，将支架前立柱和后立柱的全行程数据依次间隔输入支架姿态监测数学模型。
液压支架姿态监测数学模型为：
Figure GDA0003847476280000051
利用液压支架姿态监测数学模型，以及监测的前立柱和后立柱长度推算后连杆挑高角和顶梁贴顶角。
S3.基于密集点群间隔定义采用N-X分法建立面向液压支架姿态监测的密集点群样图，如图7和图8所示。N-X分法具体包括：根据目标值确定立柱长度的搜寻误差δ，并将误差代入公式：
Figure GDA0003847476280000052
计算最优N-X值，其中Lmax为目标立柱的最大行程，Lmin为目标立柱的最小长度，N为立柱行程划分次数，x为循环搜寻次数。本部分工作在支架工作之初即已根据用户需求完成，并内置入支架控制面板，不占用系统搜寻时间。
在液压支架姿态监测功能运行过程中，液压支架控制面板读取前后立柱输出的液位数据，并运用上述的N-X分法即可在液压支架姿态监测的密集点群样图中快速找寻支架当前支护姿态，最大搜寻次数为x(N-1)。
S4.建立支架的姿态控制数学模型，等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，建立面向液压支架姿态控制的密集点群样图，如图9和图10所示。
支架的姿态控制数学模型为：
Figure GDA0003847476280000061
通过获取支架挑高角和贴顶角，反算支架前立柱和后立柱的目标长度进而控制立柱换向阀启闭调控立柱达到目标长度。
S5.运用N-X分法在密集点群样图中快速找寻支架当前支护姿态，运用N-X分法在密集点群样图中快速找寻支架前立柱和后立柱的最终目标长度。
支架的姿态控制数学模型等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，间隔定义过程代入公式：
Figure GDA0003847476280000062
其中Jmax为目标角度的最大允许值，Jmin为目标角度的最小允许值。
S6.支架控制面板将支架前立柱和后立柱的当前立柱长度和目标长度进行比对，依据比对差值输出比例控制信号控制比例电磁换向阀启闭，进而控制支架进行姿态调控。
液压支架姿态监测功能运行时，首先执行液压支架姿态监测环节，随后基于上位机传输的顶板倾角信息，计算出液压支架最终目标挑高角J1′和目标贴顶角J7′，此时运用N-X分法即可在图2中快速找寻支架前后立柱的最终目标长度(最大搜寻次数为x(N-1))。
该方法在液压支架的支护姿态监测及控制过程中，利用了密集点群间隔定义采用N-X分法，其确定了搜寻误差，置入控制面板内，不占用系统搜寻时间，从而提高了系统的运行效率，保证了支架监测的实时性，以及支架控制的及时性。该方法中还可以确定液压支架姿态监测的密集点群样图，以及液压支架姿态控制的密集点群样图，为支架支护姿态监测及控制提供了方便，优化了控制系统的运行，提升了液压支架的智能化水平。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，包括：
S1.液压支架的控制面板内置基础结构参数，确定液压支架运行过程中的变量姿态参数；
S2.建立液压支架姿态监测数学模型，将支架前立柱和后立柱的全行程数据依次间隔输入支架姿态监测数学模型；
S3.基于密集点群间隔定义采用N-X分法建立面向液压支架姿态监测的密集点群样图；
S4.建立支架的姿态控制数学模型，等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，建立面向液压支架姿态控制的密集点群样图；
S5.运用N-X分法在密集点群样图中快速找寻支架当前支护姿态，运用N-X分法在密集点群样图中快速找寻支架前立柱和后立柱的最终目标长度；
S6.支架控制面板将支架前立柱和后立柱的当前立柱长度和目标长度进行比对，依据比对差值输出比例控制信号控制比例电磁换向阀启闭，进而控制支架进行姿态调控；
所述N-X分法具体包括：根据目标值确定立柱长度的搜寻误差δ，并将误差代入公式：
Figure FDA0004017806140000011
计算最优N-X值，其中Lmax为目标立柱的最大行程，Lmin为目标立柱的最小长度，N为立柱行程划分次数，x为循环搜寻次数。
2.根据权利要求1所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述液压支架包括底座、后连杆、前连杆、掩护梁、顶梁、前立柱和后立柱；所述前立柱和后立柱配置在底座和顶梁之间，后连杆和前连杆的两端分别连接底座和掩护梁，掩护梁和顶梁铰接固定。
3.根据权利要求2所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述液压支架的底座布置有九轴倾角传感器，确定空间姿态角；前立柱和后立柱上均布置有隔爆液位传感器，监测前立柱和后立柱的长度参数；顶梁的两个侧面布置有面阵激光测距传感器，监测顶板实时参数；所述控制面板通过输出控制信号调整前柱比例阀和后柱比例阀。
4.根据权利要求1所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述基础结构参数包括后连杆基准定位高度L1、后连杆基准长度L2、前后连杆上铰点距离L3、前连杆上铰点与顶梁-掩护梁铰点距离L4、后立柱上铰点至顶梁-掩护梁铰点距离L5、前后立柱上铰点距离L6、前立柱垂向定位距离L9、后立柱垂向定位距离L10、前连杆下铰点垂向定位距离L0、后连杆垂向定位距离L11、前连杆长度L12、后立柱下铰点横向定位距离L14、前后立柱下铰点横向定位距离L15、前后立柱水平摆角J3。
5.根据权利要求1所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述变量姿态参数包括后连杆与水平方向夹角为挑高角J1、后连杆与底座之间的夹角J2、后连杆与掩护梁之间的夹角J4、掩护梁与前连杆和底座连接端连线之间的夹角J5、掩护梁与竖直方向的夹角J6、贴顶角J7、前立柱的长度L8、后立柱的长度L7、后连杆和掩护梁连接端与前连杆和底座连接端之间的距离L13。
6.根据权利要求1所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述液压支架姿态监测数学模型为：
Figure FDA0004017806140000021
利用液压支架姿态监测数学模型，以及监测的前立柱和后立柱长度推算后连杆挑高角和顶梁贴顶角。
7.根据权利要求1所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述支架的姿态控制数学模型为：
Figure FDA0004017806140000022
通过获取支架挑高角和贴顶角，反算支架前立柱和后立柱的目标长度进而控制立柱换向阀启闭调控立柱达到目标长度。
8.根据权利要求7所述的一种基于密集点群的支撑式液压支架支护姿态监测及控制方法，其特征在于，所述支架的姿态控制数学模型等间隔输入支架合理支护摆角范围内挑高角和贴顶角的全姿态数据，间隔定义过程代入公式：
Figure FDA0004017806140000031
其中Jmax为目标角度的最大允许值，Jmin为目标角度的最小允许值。
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