超前支護液壓支架系統(tǒng)在綜采工作面的應(yīng)用

王曉光

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武縣 036700）

就社會經(jīng)濟活動中的能源消費模式而言，煤炭長期以來一直是主導(dǎo)能源，是中國能源安全的重要保障，并將在未來較長時期內(nèi)保持主導(dǎo)地位。2014年，中國原煤產(chǎn)量達到38.7億t，居世界首位。厚煤層開采的煤炭儲量和產(chǎn)量占全國煤炭的40%~60%[1]中國的資源和生產(chǎn)。2008年，煤炭產(chǎn)量為27.16億t，占世界煤炭總產(chǎn)量的1/3以上。這種情況意味著，在中國，厚煤層的開采世界煤礦開采技術(shù)已處于領(lǐng)先地位。綜采技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)2006年全國有77.47%的國有重點煤炭企業(yè)存在這一問題，死亡率為0.000628/‰大量煤炭被開采。由于地質(zhì)條件、開采技術(shù)和開采成本等方面的限制，主要有三個方面在厚煤層開采中，常用的采礦方法有分層開采法、頂煤開采法和回采法綜采采足高度技術(shù)。根據(jù)分析結(jié)果，本文對綜采技術(shù)的發(fā)展進行了探討。特別對在綜采工作面中應(yīng)用超前支護液壓支架系統(tǒng)進行闡述說明。

液壓支架電液控制系統(tǒng)是綜采工作面的核心之一。可以通過自動控制，實時監(jiān)測，輔助動作等功能，提高采煤工作面的生產(chǎn)效率、沉降速率和安全性等。目前大多數(shù)控制算法都是基于被控對象的模型。一個模型還可以用來調(diào)查被建模的屬性和行為，而不會有損壞的風(fēng)險或違反真實情況的技術(shù)約束。在實際使用了建模的兩個基本分支：黑盒方法和第一性原理建模[2]。

第一原理建模提供了一種通用模型，該模型在最優(yōu)情況下適用于整個輸入和狀態(tài)范圍[3]。該模型是通過對被模擬情況的分析，結(jié)合物理定律[建立的。另一方面，在對實際系統(tǒng)進行分析時，往往存在大量未知的常數(shù)和關(guān)系。因此，第一性原理建模特別適用于參數(shù)較少的簡單被控對象，以及獲取被控對象的基本信息（增益范圍、合適采樣時間的秩等）。

國外的人們從20世紀70年代中期開始研究液壓支架電液控制系統(tǒng)[4]，經(jīng)過近十年才推出該產(chǎn)品，20世紀90年代后系統(tǒng)逐漸完善。目前，德國、美國、英國、波蘭、日本、法國、俄羅斯等多個國家已經(jīng)有不同特點的成熟產(chǎn)品在推廣階段[5]。

雖然我國政府從20世紀90年代開始投入大量的技術(shù)研究，對液壓支架電液控制系統(tǒng)進行了研究[6-7]。但至今超前支護液壓支架系統(tǒng)在綜采工作面的使用任然需要探討，本文對搭建液壓支架自主電液控制系統(tǒng)進行分析和闡述，進步確定超前液壓支架的應(yīng)用可以提高降低沉降率、提高安全性和生產(chǎn)效率。

1 超前支護液壓支架電液控制系統(tǒng)simulink模型

如下頁圖1所示，在MATLAB/Simulink環(huán)境中，DTS200中各個部件的所有模型被合并到一個單獨的塊中。該塊具有與實際設(shè)備相同的輸入和輸出。因此，它包含了所有輸入和輸出。得到的DTS200裝置模型的Simulink模塊如圖2所示。該模型被設(shè)計為一個屏蔽子系統(tǒng)，用戶只需要輸入必要的初始狀態(tài)。初始狀態(tài)是各個液壓支架的初始位和初始閥門位置以及閥門參數(shù)k的相應(yīng)值。掩蔽子系統(tǒng)和子系統(tǒng)也被用于模擬電站的各個部分。閥態(tài)子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。這種層次結(jié)構(gòu)有助于保持控制結(jié)構(gòu)清晰。

圖1 DTS200的Simulink模型塊

圖2 閥門狀態(tài)子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 PID控制

通過控制實驗對Simulink模型進行了驗證，并探討了控制器在控制過程中的非線性處理能力。很多作者都研究過液壓系統(tǒng)的控制，但在大多數(shù)情況下，泵都被用作驅(qū)動器。

本文所考慮的實驗結(jié)構(gòu)：p1泵產(chǎn)生t1槽的流量恒定。罐t1和t2之間的閥門V1被打開到一個恒定的位置。閥門V 4（從罐t1泄漏）和V 2（罐t2和t3的互連）關(guān)閉。控制的目標(biāo)是利用閥門V5作為執(zhí)行器來驅(qū)動t2水箱的水位。需要注意的是，閥V5的特性是非線性的，包含一個大的滯后。系統(tǒng)的靜態(tài)特性如圖3所示。

圖3 被控系統(tǒng)的靜態(tài)特性

圖3可以看出，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)或微開狀態(tài)位置導(dǎo)致液位飽和達到最大值。當(dāng)油箱t1中的水位達到約600 mm時，啟動安全電路，停止泵p1以防止油箱溢出。當(dāng)水位下降時，重新啟動抽水。另一方面，閥門打開到50%以上會導(dǎo)致油箱的排空。只有大約25%~50%的范圍才能達到所需的穩(wěn)定狀態(tài)。但在這個范圍內(nèi)可以觀察到一個很大的滯后，包絡(luò)線非常陡峭。

首先采用經(jīng)典PID控制器對被控對象進行控制。將控制器參數(shù)調(diào)整到最小準(zhǔn)則，并利用MATLAB函數(shù)fminsearch實現(xiàn)該任務(wù)。該函數(shù)使用Nelder-Mead單純形法尋找準(zhǔn)則最小值。控制過程如圖4所示。即使閥門位置（控制信號）平滑變化，輸出也不是那么平滑。這與克服閥的遲滯現(xiàn)象是一致的。

圖4 DTS200最優(yōu)PID控制

3 線性模型預(yù)測控制

將隨機信號應(yīng)用到系統(tǒng)輸入中，建立了系統(tǒng)的線性模型，并將線性化模型的參數(shù)應(yīng)用到MPC控制器中。Simulink控制方案如圖5所示。

圖5 MPC原理圖

使用來自STuMPCoL庫的控制器來執(zhí)行控制任務(wù)。采用20個樣本的控制和預(yù)測水平的二次準(zhǔn)則計算控制信號，并采用水平后退策略。MPC較好地處理了滯后的交叉，但另一方面控制信號在穩(wěn)態(tài)附近振蕩。

4 仿真結(jié)果

本文給出了液壓系統(tǒng)的Simulink模型。本文考慮了Amira DTS200液壓支架系統(tǒng)，但所采用的技術(shù)可以很容易地推廣到廣泛的液壓系統(tǒng)。盡管理想模型的簡單性，實時系統(tǒng)包含了一些非線性，這些非線性包含了系統(tǒng)的復(fù)雜性。閥門的滯回在控制系統(tǒng)的行為中起著特別大的作用。

設(shè)計了PID和MPC控制器對系統(tǒng)進行控制，驗證了模型對控制器設(shè)計的可用性。采用全局搜索優(yōu)化的線性MPC方法得到了最優(yōu)控制性能。控制過程的進一步改進可以通過非線性控制器的微調(diào)和其他全局優(yōu)化方法來實現(xiàn)。

5 綜采區(qū)液壓支架系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果

液壓支架系統(tǒng)主要應(yīng)用于超前支護。綜采工作面在作業(yè)過程中，液壓支架可以實時超前支護，實時的起到了支護作用，可以有效的降低綜采工作面的沉降率。如圖6所示，前40 d中，當(dāng)不采用液壓支架超前支護綜采工作面的沉降率如圖6-1所示值為38 mm/d,而使用液壓支架超前支護的綜采工作面沉降率如圖6-2所示小于10 mm/d，且沉降區(qū)更早達到地質(zhì)穩(wěn)定。

圖6 頂板，側(cè)壁和底部的降率

6 結(jié)論

在綜采工作面超前支護液壓系統(tǒng)采用本文的控制系統(tǒng)，不僅提高了安全性，且大大的降低了綜采工作面的沉降速率，最大可降低30%，電-液壓控制系統(tǒng)成功地為煤礦的安全、高效開采奠定了基礎(chǔ)，改進了煤礦的安全、高效開采顯著提高了國內(nèi)綜采工作面自動化水平。