基于電液比例控制的液壓支架搬運技術研究

周國力，楊國宏

（華亭煤業(yè)集團，甘肅平?jīng)?44100）

基于電液比例控制的液壓支架搬運技術研究

周國力，楊國宏

（華亭煤業(yè)集團，甘肅平?jīng)?44100）

根據(jù)煤礦井下工作面液壓支架安裝搬運的技術要求，提出了一種采用電液比例技術驅(qū)動控制的液壓支架搬運系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電液控制技術，采用電液比例變量泵控馬達閉式容積調(diào)速回路系統(tǒng)作為液壓支架搬運系統(tǒng)的動力驅(qū)動方案。運用Matlab軟件對系統(tǒng)進行了仿真。為了進一步改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，提出了基于遺傳算法的PID校正控制方案。仿真結(jié)果表明，校正后的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和控制效果。

液壓支架；容積調(diào)速；電液比例控制系統(tǒng)；Simulink模型

1 引言

作為煤礦井下綜采機械化工作面的支護設備，液壓支架在煤礦開采中具有重要價值和作用。近年來，隨著科技的發(fā)展和進步，液壓支架的結(jié)構(gòu)和重量不斷趨于復雜化和大型化，其快速運輸和轉(zhuǎn)移技術成為制約煤礦綜采效率和水平的重要因素。因此，開發(fā)高效率、大容量的液壓支架搬運技術成為當前煤礦高效生產(chǎn)的研究熱點［1］。

本文根據(jù)煤礦開采工作面液壓支架的安裝和快速撤除的技術要求［2］，開發(fā)了一種基于電液比例驅(qū)動控制的支架搬運新方案。該方案采用了比例控制與液壓驅(qū)動技術，并利用了電液比例變量泵控馬達閉式容積調(diào)速回路。為保證搬運系統(tǒng)的兩輪能保持同步且獨立運動，該方案采用了雙泵與雙馬達組成的獨立的左右驅(qū)動回路，檢測兩側(cè)的雙馬達轉(zhuǎn)速，可進行速度的同步與獨立控制。

作為液壓支架搬運系統(tǒng)的動力驅(qū)動方案，由于液壓驅(qū)動的輸出力和力矩較大，容易實現(xiàn)精確的自動化控制，故該系統(tǒng)特別適合于大慣量的液壓支架搬運控制。

本文運用Matlab仿真軟件對系統(tǒng)進行了仿真，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，為改善系統(tǒng)性能并使其獲得較寬的更加良好的頻率調(diào)節(jié)范圍，本文采用了基于遺傳算法的PID校正控制，以使校正后的系統(tǒng)具有最佳控制效果和穩(wěn)定性能。

2基于電液比例控制的液壓支架搬運驅(qū)動系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)控制方案

如圖1所示為系統(tǒng)控制方案。為適應液壓支架搬運驅(qū)動的控制要求。本文采用電液比例變量泵控液壓馬達容積閉式回路，在該調(diào)速回路中，液壓馬達的調(diào)速范圍較大，可獲得較低的工作速度，并能以恒扭矩方式進行調(diào)速。同時，為保證搬運系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保兩側(cè)獨立同步運行，本文在系統(tǒng)設計中，兩側(cè)分別采用一套變量泵與液壓馬達液壓驅(qū)動系統(tǒng)，并使之相互獨立、對稱，而且互不干擾。

圖1系統(tǒng)控制方案

2.2電液比例控制系統(tǒng)

典型的基于電液比例控制的液壓支架搬運系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由雙向液壓馬達、變量泵、測速與傳感裝置、減速與傳動機構(gòu)等構(gòu)成。變量泵為系統(tǒng)提供液壓能源供應并進行變排量調(diào)節(jié)。當液壓泵的轉(zhuǎn)速一定時，按照一定的規(guī)律可以調(diào)節(jié)其排量大小，即可以調(diào)節(jié)輸出到液壓馬達的流量大小和方向。液壓馬達的速度可經(jīng)由其上的速度傳感器進行檢測。減速與傳動機構(gòu)可實現(xiàn)系統(tǒng)低速搬運動作的傳動與執(zhí)行。另外，系統(tǒng)配有補油泵，它用作系統(tǒng)散熱、冷卻和泄漏的補充等，并可為變量機構(gòu)提供恒定的控制油壓。

圖2單側(cè)典型的電液驅(qū)動控制系統(tǒng)

基于電液比例控制的液壓支架搬運系統(tǒng)，其兩側(cè)分別帶有一套獨立的驅(qū)動控制系統(tǒng)，采用兩個獨立的液壓馬達進行驅(qū)動控制。為了在實際運行過程中保證兩側(cè)馬達的同步運轉(zhuǎn)，使其轉(zhuǎn)速相等，本系統(tǒng)的電比例驅(qū)動回路采用兩側(cè)雙泵獨立供油，實現(xiàn)了兩側(cè)馬達的獨立驅(qū)動控制。

2.3定量馬達的轉(zhuǎn)速檢測與反饋控制

圖3為變量泵控制液壓馬達的閉環(huán)控制原理圖。轉(zhuǎn)速傳感器檢測并獲得驅(qū)動裝置的速度信號，與給定的速度信號進行比較運算，通過控制器進行運算和處理后，得到控制信號，該信號控制電比例液壓閥和液壓泵的變量調(diào)節(jié)機構(gòu)，使得系統(tǒng)的速度偏差不斷減小，并最終使得兩側(cè)液壓馬達達到同步運動。該系統(tǒng)為兩側(cè)獨立運行的速度控制閉環(huán)系統(tǒng)，其控制精度較多取決于轉(zhuǎn)速傳感器的精度和電液比例閥的頻寬。

圖3變量泵控制液壓馬達的閉環(huán)控制原理圖

3基于Matlab/Simulink的仿真研究

由于系統(tǒng)兩側(cè)回路對稱，本文僅對單側(cè)變量泵控制定量馬達的閉環(huán)控制系統(tǒng)建立仿真模型并進行仿真研究。

3.1基于PID控制的電液比例控制系統(tǒng)模型

系統(tǒng)基于Matlab／Simulink的仿真模型如圖4所示。

圖4基于Matlab/Simulink的仿真模型

模型主要由PID控制器模塊、限幅模塊、基于電液比例控制的變量泵模塊、變量泵控液壓馬達模塊及轉(zhuǎn)速檢測反饋模塊等組成。

通過調(diào)整PID控制器的參數(shù)設置可以改變和優(yōu)化系統(tǒng)的響應特性，并獲得系統(tǒng)良好的動態(tài)特性。本文通過混合遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)，獲得系統(tǒng)在給定目標函數(shù)下的最優(yōu)性能。

3.2基于遺傳優(yōu)化算法PID控制的電液比例驅(qū)動控制系統(tǒng)模型

利用遺傳算法優(yōu)良的搜索能力獲得控制器的最優(yōu)解，并得到PID控制器參數(shù)的最優(yōu)解，然后通過該解控制整個系統(tǒng)模型的輸出。

如圖5所示，建立基于遺傳算法PID控制的Matlab／Simulink優(yōu)化模型。模型的輸入為單位階躍信號，優(yōu)化指標為ITAE指標，即為最小誤差時間積分。

設定仿真時間為10s，PID控制器三參數(shù)全局優(yōu)化范圍設定為:

圖5基于遺傳算法PID控制的優(yōu)化模型

通過遺傳算法優(yōu)化得到的PID的最優(yōu)值為:

3.3系統(tǒng)特性的對比分析

為了研究優(yōu)化前后系統(tǒng)的響應情況，通過優(yōu)化前后階躍響應曲線進行對比分析。

如圖6所示，根據(jù)階躍響應的對比仿真結(jié)果可知，基于遺傳優(yōu)化算法的PID控制器的電液驅(qū)動系統(tǒng)響應速度快，系統(tǒng)的上升時間為0.5s級別，而基于普通PID控制器的系統(tǒng)響應時間約為2s。同時，基于遺傳優(yōu)化算法的PID控制器的電液驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時間和上升時間獲得了極大的改善，系統(tǒng)的超調(diào)量很小，穩(wěn)態(tài)精度很高，而普通PID控制器階躍響應的超調(diào)量很大，約達到30%，系統(tǒng)的穩(wěn)定性能較差。因此，通過基于遺傳優(yōu)化算法的PID控制器可以有效提高控制系統(tǒng)的響應特性和穩(wěn)定性。

圖6遺傳優(yōu)化算法PID控制與普通PID控制階躍響應的對比仿真結(jié)果

當采用PID調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)在起始的一段時間內(nèi)，實際的輸出轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速之間的偏差仍較大，波動較為劇烈。對于重型支架搬運系統(tǒng)而言，搬運的初始振動通常無法避免，穩(wěn)態(tài)情況時能夠滿足同步且達到偏差控制性能指標即能說明PID控制方法有效。

圖7同步控制的誤差曲線

4結(jié)束語

本文提出了一種液壓支架電液比例牽引傳動與調(diào)速控制方案，分析研究了系統(tǒng)的回路組成和工作原理。通過建立系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)的工作與調(diào)速特性進行了研究，主要研究了系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準確性等控制系統(tǒng)常見的控制特性。仿真研究結(jié)果表明，基于電液比例控制的液壓支架搬運控制系統(tǒng)具有較快的響應速度、自然且良好的穩(wěn)定性，可滿足系統(tǒng)牽引控制的要求。本文的研究為該方案的工程應用奠定了良好基礎，也為液壓支架搬運控制技術的研究開辟了新方向。

［1］張全有.國內(nèi)外液壓支架搬運技術發(fā)展狀況及其應用展望［J］.煤礦技術，2002，（8）.

［2］洪曉華，陳 軍.礦井運輸提升［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2005.（13）.

［3］防煥英.我國煤礦輔助運輸?shù)默F(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤礦機電，1998，（5）.

［4］陳偉健，齊秀麗.礦山運輸與提升［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2007.（2）.

［5］楊韜仁.我國煤礦輔助運輸?shù)默F(xiàn)狀和無軌膠輪技術的應用［J］.煤炭科學技術，2006，（3）.

Research on hydraulic support handling technology based on electro-hydraulic proportional control system

ZHOU Guo-li，YANG Guo-hong
（Huating Coal Industry Group，Pingliang 744100，China）

According to the requirements of the working face of the coal mine hydraulic support installation and dismantle mechanization process，a novel kind of hydraulic support handling technology based on electro-hydraulic proportional control system is proposed.The hydraulic drive system with proportional control technology uses the closed volume control circuit system of the electro-hydraulic proportional variable displacement pump control motor as the driving scheme of the hydraulic support transportation vehicle system.The Matlab software is used for the system simulation.In order to improve the stability and fast performance of the system，a genetic algorithm based PID correction control is presented and the simulation results show that the system has good stability and better control performance after correction.

hydraulic support；volumetric speed control；electro-hydraulic proportional control system；Simulink model

TD434

A

周國力（1972-），男，甘肅華亭人，工程師，主要從事煤礦機電等方面的設計研究工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0025—04