謝 苗, 蔣家寧

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

直驅(qū)式巷道超前支架油缸控制方法*

謝 苗, 蔣家寧

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

考慮到傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)存在伺服閥容易因受到油液污染而無(wú)法正常工作、閥控液壓系統(tǒng)效率低、節(jié)流損失大、造成能源浪費(fèi)等問(wèn)題，研究一種基于伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的超前支架電液控制方法。伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵系統(tǒng)由于電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在滯后性，因此使用常規(guī)PID算法的控制效果較差，使用模糊PID算法對(duì)伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵系統(tǒng)進(jìn)行控制。使用Matlab/Simulink仿真軟件建立本文研究的直驅(qū)泵控巷道超前支架控制系統(tǒng)的仿真模型，并建立超前支架的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，使用常規(guī)PID與模糊PID算法進(jìn)行對(duì)比研究，研究結(jié)果表明:模糊PID算法作用下，伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的超前支架液壓缸位置變化的超調(diào)量更低，調(diào)整速度更快，能夠快速跟蹤給定信號(hào)曲線，具有較好的魯棒性。

超前支架； 液壓系統(tǒng)； 直驅(qū)泵控系統(tǒng)； 模糊控制

0 引 言

目前，巷道中臨時(shí)支護(hù)設(shè)備主要有機(jī)載支護(hù)和超前支護(hù)兩種，機(jī)載支護(hù)設(shè)備需要與掘進(jìn)機(jī)配合使用，支護(hù)效率，同時(shí)會(huì)影響掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率，而且安全性較差。超前支架裝備能夠較好地解決巷道的臨時(shí)支護(hù)問(wèn)題，其能夠自行邁步前移，實(shí)現(xiàn)掘支錨平行作業(yè)，提高巷道安全性和掘進(jìn)效率[1,2]。

液壓系統(tǒng)是超前支架裝備的重要組成部分，其工作性能直接影響超前支架的運(yùn)行效率和支護(hù)可靠性，針對(duì)超前支架液壓系統(tǒng)研究，文獻(xiàn)[3]中使用模糊PID控制算法對(duì)超前支架的支撐力自動(dòng)控制進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4～6] 以對(duì)頂板擾動(dòng)量最小為控制目標(biāo)，針對(duì)超前支架在邁步過(guò)渡過(guò)程的支撐力控制系統(tǒng)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[7]中以超前支架升降過(guò)程效率和對(duì)頂板擾動(dòng)量最小為控制目標(biāo)，針對(duì)超前支架的電液伺服位置和壓力復(fù)合控制方法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[8]中針對(duì)超前支架多缸同步控制方法進(jìn)行研究。

以上研究?jī)?nèi)容對(duì)超前支架的液壓系統(tǒng)控制方法進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和研究，但是基本使用的是傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)。

近些年來(lái)，直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)逐步發(fā)展起來(lái)，相比傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)，其具有更加靈活的可控性，因此本文研究一種基于伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的超前支架電液控制方法。

1 超前支護(hù)裝備組成與工作原理

超前支架組成如圖1所示。

圖1 超前支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)

超前支架的立柱為非對(duì)稱液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)立柱的升降，從而帶動(dòng)主、副支撐組的橫梁和縱梁升降，當(dāng)超前支架處于全支撐態(tài)時(shí)，主副支撐組共同支撐巷道頂板，當(dāng)超前支架需要邁步前移時(shí)，控制其中一組支撐組的立柱下降，帶動(dòng)支撐組的橫梁和縱梁下降，脫離巷道頂板，此時(shí)巷道頂板僅由一組支撐組支撐，通過(guò)推移油缸將下降的支撐組向前推移一個(gè)步距，之后再控制該支撐組的立柱上升，帶動(dòng)支撐組的橫梁和縱梁上升，直至與巷道頂板接觸，達(dá)到支護(hù)要求，最后控制另外一組支撐組進(jìn)行相同的邁步過(guò)程即完成超前支架的邁步前移。

2 直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超前支架的立柱為非對(duì)稱液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)立柱的升降。傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)主要由可編程控制器、泵站、傳感元件、平衡閥、溢流閥、液壓缸以及核心元件電液伺服換向閥等組成。

傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)主要存在的問(wèn)題是伺服閥容易因受到油液污染而無(wú)法正常工作，另外閥控液壓系統(tǒng)效率低，節(jié)流損失大，造成能源浪費(fèi)，油溫高，需要有冷卻裝置等。本文研究的伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的泵控液壓系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的泵控液壓系統(tǒng)組成

當(dāng)伺服電機(jī)控制定量泵正轉(zhuǎn)時(shí)，可令液壓缸伸出，當(dāng)伺服電機(jī)控制定量泵反轉(zhuǎn)時(shí)，可令液壓缸縮回，鎖閥能夠?qū)︽i定液壓缸，防止液壓缸內(nèi)部油液回流。

伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的泵控液壓系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)、抗污染能力好、體積小巧，易于實(shí)現(xiàn)換向、調(diào)速，控制方便靈活，沒(méi)有節(jié)流損失，能源利用效率高等特點(diǎn)。

3 直驅(qū)泵控液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1 伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型

忽略電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的舜變過(guò)程，可將交流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)表示為如圖3所示。

圖3 交流伺服電機(jī)傳遞函數(shù)框圖

圖3中，Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；T1為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；ωp為電機(jī)角速度，rad/s；D為電機(jī)的摩擦阻尼，N·m/(rad/s)；JT為電機(jī)的轉(zhuǎn)子以及負(fù)載折算到電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；uc為伺服控制器的輸入電壓，V；U1為電機(jī)定子相電壓，V；f1為電源頻率，Hz；ku為電壓頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，Hz/V。

3.2 泵控液壓缸數(shù)學(xué)模型

1)定量泵流量方程表示

qp=Dpωp-Cip(p1-p2)-Cepp1

(1)

式中Dp為定量泵排量，m3/rad；ωp為定量泵轉(zhuǎn)速，rad/s；Cip,Cep分別為定量泵內(nèi)外泄漏系數(shù)，m3/P·s；p1,p2分別為高、低壓腔的壓力，Pa。

將式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換后得到

Qp(s)=Dpωp(s)-Ctpp1(s)

(2)

式中Ctp為定量泵總泄漏系數(shù)，m3/P·s。

2)液壓缸流量連續(xù)性方程表示

(3)

式中 Cic,Cec分別為液壓缸內(nèi)外泄漏系數(shù)，m3/P·s；Ap為液壓缸活塞桿的有效作用面積，m2；xp為液壓缸中位位移，m；V0為液壓缸高壓腔的容積，m3；βe為有效體積彈性模量。

將式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換后得到

(4)

式中Ctc為液壓缸總泄漏系數(shù)，m3/(P·s)。

3)液壓缸與負(fù)載力平衡方程表示

(5)

式中 Fg為液壓缸的輸出力，N；mt為負(fù)載和活塞桿的質(zhì)量，kg；Bp為負(fù)載粘性阻尼系數(shù)，N/(m/s)；k為負(fù)載剛度，N/m；FL為負(fù)載力，F(xiàn)。

將式(5)進(jìn)行拉普拉斯變換后得到

Fg(s)=ApP1(s)

=mts2XP(s)+BpsXP(s)+kXP(s)+FL(s)

(6)

根據(jù)式(2)、式(4)、式(6)可得泵控液壓缸的傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。

圖4 泵控液壓缸的傳遞函數(shù)框圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

綜上所述，結(jié)合交流伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型和泵控液壓缸的數(shù)學(xué)模型可得伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖5所示。

圖5 伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

4 直驅(qū)泵控系統(tǒng)控制方法研究

伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵系統(tǒng)由于電機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在滯后性，使用常規(guī)PID算法的控制效果較差，因此,本文使用模糊PID算法對(duì)伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵系統(tǒng)進(jìn)行控制。

模糊PID算法是結(jié)合常規(guī)PID算法和模糊控制算法的一種智能控制算法，利用由領(lǐng)域?qū)＜液图夹g(shù)人員制定的模糊推理規(guī)則，根據(jù)控制對(duì)象實(shí)時(shí)反饋的偏差和偏差變化率在線調(diào)節(jié)PID的比例、積分和微分參數(shù)。模糊PID控制系統(tǒng)原理如圖6所示[9,10]。

圖6 模糊PID控制系統(tǒng)原理

令模糊PID控制器的輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，其輸出為比例、積分和微分參數(shù)的增量Δkp,Δki,Δkd。令輸入和輸出變量的模糊自己為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，同時(shí)，并使用精度較高的三角形隸屬度函數(shù)。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和專家經(jīng)驗(yàn)建立Δkp,Δki,Δkd， 模糊控制規(guī)則，見(jiàn)表1～表3所示。

輸入變量為偏差e和偏差變化率ec的基本論域?yàn)椋篹：[-10，10]，ec：[-5，5]，輸出變量Δkp,Δki,kd的基本論域?yàn)椋害p：[-3，3]，Δki：[-3，3]，Δkd：[-0.6，0.6]；為了便于計(jì)算將輸入和輸出變量的論域轉(zhuǎn)換為e∈[-5，5]，ec∈[-5,5]，Δkp∈[-1,1]，Δki∈[-1,1]，Δkd∈[-1,1]。各個(gè)參數(shù)的量化因子為

表1 Δkp模糊控制規(guī)則

ECNBNMNSOPSPMPBNBPBPBPMPMPSOONMPBPBPMPSPSONSNSPMPMPMPSONSNSEOPMPMPSONSNMNMPSPSPSONSNSNMNMPMPSONSNMNMNMNBPBOONMNMNMNBNB

表2 Δki模糊控制規(guī)則

ECNBNMNSOPSPMPBNBNBNBNMNMNSOONMNBNBNMNSNSOONSNBNMNSNSOPSPSEONMNMNSOPSPMPMPSNSNSOPSPSPMPBPMOOPSPSPMPBPBPBOOPSPMPMPBPB

表3 Δkd模糊控制規(guī)則

ECNBNMNSOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSONSONSNMNMNSNSOEOONSNSNSNSNSOPSOOOOOOOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB

(7)

式中 ke和kec為誤差和誤差變化量的量化因子；kup,kui,kud為比例因子；n和m分布為誤差和誤差變化率的論域最大值；emax和ecmax為誤差和誤差變化率的基本論域最大值；l和umax分別為PID調(diào)節(jié)參數(shù)模糊論域和基本論域的最大值。

綜上，PID控制器的輸入?yún)?shù)為

(8)

式中 Kp,Ki,Kd為常規(guī)PID控制器的輸入?yún)?shù)；kp0,ki0,kd0為PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)初值；Δkp,Δki,Δkd為模糊控制器根據(jù)系統(tǒng)的偏差e和偏差變化率ec以及制定模糊規(guī)則的輸出值[11～17]。

5 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

使用Matlab/Simulink仿真軟件建立本文研究的直驅(qū)泵控巷道超前支架控制系統(tǒng)的仿真模型，并建立超前支架的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，使用常規(guī)PID與模糊PID算法進(jìn)行對(duì)比研究，巷道超前支架的系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

表4 巷道超前支架的系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置電機(jī)折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)0．03液壓缸有效作用面積/m22．71×10-3系統(tǒng)最大壓力/MPa10泵排量/(mL/r)32．8缸徑/mm63頂梁彈簧剛度/(N·m-1)5×106液壓缸質(zhì)量/kg60液壓油體積模量/MPa700液壓缸最大行程/mm150油液絕對(duì)粘度/(Pa·s)0．05負(fù)載質(zhì)量/kg250泄漏系數(shù)/(m2/Pa·s)7×10-11

仿真模型針對(duì)給定階躍信號(hào)和正弦信號(hào)的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果曲線

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷碾A躍響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

6 結(jié) 論

使用模糊PID算法作為控制器，通過(guò)使用Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明:模糊PID算法作用下，伺服電機(jī)直驅(qū)液壓泵的超前支架液壓缸位置變化的超調(diào)量更低，調(diào)整速度更快，能夠快速跟蹤給定信號(hào)曲線，具有較好的魯棒性。

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蔣家寧，通訊作者，碩士研究生，E—mail:jjnpaper@163.com。

Research on control method of advanced support cylinder based on direct drive electro hydraulic system*

XIE Miao, JIANG Jia-ning

(College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000,China)

Considering the traditional valve control hydraulic system of servo valve is easy to be polluted by oil and cannot work normally,efficiency of valve controlled hydraulic system is low,throttling loss is large,resulting in energy waste problem.Servo motor direct drive hydraulic pump system due to the motor starting and turning process lags,so use the routine PID control effect is poor,fuzzy PID control algorithm is used to control servo motor direct drive hydraulic pump system.Using Matlab / Simulink simulation software,direct drive pump control fore support of roadway control system simulation model is established,and the establishment of advanced experimental support,using conventional PID and fuzzy PID algorithm are compared.The results of the study show that fuzzy PID algorithm,servo motor direct drive hydraulic pump of in advance hydraulic cylinder position changes of overshoot is lower,adjusting speed is faster and capable of fast tracking curve of given signal,and has good robustness.

advanced support; hydraulic system; control system of direct drive pump; fuzzy control

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0042—04

2016—03—14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304107); 遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2012118);遼寧省煤礦液壓技術(shù)與裝備工程研究中心開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(CMHT—201206);遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(LT2013009)

TH 113

A

1000—9787(2017)02—0042—04

謝 苗(1980-)，女，博士，副教授，博士生導(dǎo)師,主要從事機(jī)械系統(tǒng)理論及設(shè)計(jì)。