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CN109026860B - 比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法 - Google Patents

比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法 Download PDF

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CN109026860B CN201810884623.8A CN201810884623A CN109026860B CN 109026860 B CN109026860 B CN 109026860B CN 201810884623 A CN201810884623 A CN 201810884623A CN 109026860 B CN109026860 B CN 109026860B
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Abstract

一种比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法，属于阀控液压缸压力控制技术领域。异步电机和定量泵连接；过滤器、定量泵、以及比例伺服阀依次连接；比例伺服阀与液压锁、立柱油缸依次连接；定量泵的输入端通过过滤器单独与油箱相连接，定量泵的输出端与比例伺服阀一个端口连接；比例伺服阀的2号端口和4号端口之间连接有比例溢流阀；在定量泵的作用下液压油经过过滤器输出一定流量的高压油，控制立柱油缸；改变比例伺服阀调节液压油流量大小，控制立柱油缸压力；最后，立柱油缸出油口的低压油经比例伺服阀导流回到油箱。优点：对煤矿综掘巷道临时支护的顶板初撑力精确控制，抑制系统中不确定因素对控制性能的不利影响，具有较强鲁棒性。

Description

比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法
技术领域
本发明涉及一种阀控液压缸压力控制技术领域，特别是一种比例伺服阀控液压支护平 台立柱油缸系统及压力控制方法。
背景技术
在煤矿巷道综掘过程中，液压支护平台需要对顶板实施快速有效地临时支护，从而为 煤矿巷道的安全可靠掘进成型奠定基础，并为煤矿一线掘进人员的生命安全提供保障。液 压支护平台立柱油缸压力直接影响着超前支护液压支架对顶板的支撑能力。液压支护平台 立柱油缸压力过低，容易导致顶板的早期离层，甚至顶板垮塌；过高的立柱油缸压力，会 破坏顶板的完整性，甚至引起顶板岩体破碎。然而，液压支护平台立柱油缸压力系统存在 诸多内/外部干扰，从而使系统的动/静态控制性能很难达到期望的控制要求，造成对顶板 的二次伤害，使超前支护液压支架的支护作用失效。因此，面向顶板围岩条件复杂多变的 煤矿综掘巷道，设计准确有效的液压支护平台立柱油缸压力控制方法，对煤矿巷道的高效 掘进和人员安全保障具有重要的研究意义。
目前，煤矿巷道综掘过程中，液压支护平台立柱油缸压力控制主要采用人工手动控制 方式，通过手动控制电磁阀开关实现液压油输出的通/断。当立柱油缸压力超过溢流阀设 定的高限压力值时，溢流阀自动打开，实现溢流卸压；同时，手动关闭电磁阀，使立柱油 缸压力保持在高限压力值。该控制方式操作简单、易于实现，但是，由于电磁阀只能实现液压油的二位控制，且立柱油缸的最大压力等于溢流阀设定的高限压力，导致系统存在较大的压力稳态误差，且液压油耗费量大。
针对煤矿综掘巷道临时支护液压支架系统，文献(田岩飞.支装一体化自移式掘进超 前支护液压支架的研究与应用[J].煤，2013，(7):30-31.)介绍了JZZ500-I型支装一体化自 移式掘进超前支护液压支架，因其结构简单、操作方便，适用于具有良好顶板围岩条件的 巷道支护；专利(程鹏程，李信斌，庄涛，等.半卸载迈步式液压支架:CN，CN2120181[P]. 1992.)设计了一种半卸载迈步式液压支架，可以在坚硬或松散顶板条件下使用，普适性 强；文献(许文亮.交错迈步自移式掘进超前支护装置研制[J].能源与节能，2017(6):150-151.) 给出了一种改进的交错迈步自移式掘进超前支护装置，适用于狭窄巷道掘进过程，实现掘、 支、锚同步作业；文献(谢苗，刘治翔，毛君，等.迈步式超前支护系统设计与支护特性 研究[J].机械强度，2016，184(2):302-310.)根据结构力学和材料力学理论，建立液压支 架的支护压力与顶板的扰度方程，分析顶板变形规律，为综掘巷道支护压力控制提供指导 依据。
缺乏针对液压支护平台立柱油缸压力控制方法的研究。文献(毛君，郑广辉，谢苗，等.模糊PID的超前支护装备支撑力自动控制系统[J].智能系统学报，2015， 10(5):762-768.)针对综掘巷道掘进过程中液压支护平台立柱油缸压力控制性能要求，设计 了模糊PID压力控制器；文献(梁斌，液压支架控制实验平台设计与立柱压力控制方法研 究[J]，机床与液压，2017，45(11)：131-135)搭建了液压支护平台电液控制系统，并设 计了基于改进遗传算法的模糊PID压力控制器。针对与液压支护平台立柱油缸类似的液压 系统，文献(Endelt B，Tommerup S，Danckert J.A novel feedback control system controllingthe material flow in deep drawing using distributed blank-holder force[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213(1):36-50.)提出了一种基于状态空间和时间序列的压力 控制方法；文献(Komsta J，Oijen N V，AntoszkiewiczP.Integral sliding mode compensator for load pressure control of die-cushioncylinder drive[J].Control Engineering Practice，2013， 21(5):708-718.)针对存在未知扰动和不确定参数的电液传动负载压力控制问题，提出了融 合输入输出线性化的积分滑模控制方法。然而，煤矿巷道掘进空间狭小且环境恶劣，液压 支护平台立柱油缸系统容易受到掘进和钻进装备的机械振动，以及顶板复杂应力变化的影 响，导致立柱油缸压力系统存在外部负载干扰和多种内部不确定扰动。
发明内容
本发明的目的是要提供一种比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方 法，解决比例伺服阀控立柱油缸系统中存在的内/外部干扰和未建模不确定因素对控制性 能不利的问题。
本发明的目的是这样实现的：本发明包括：比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统 及压力控制方法。
比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统，包括：异步电机、油箱、定量泵、过滤器、 比例溢流阀、比例伺服阀、液压锁以及立柱油缸；所述异步电机和定量泵连接；过滤器、定量泵，以及比例伺服阀依次连接；比例伺服阀与液压锁、立柱油缸依次连接；所述定量 泵的输入端通过过滤器单独与油箱相连接，定量泵的输出端与比例伺服阀的1号端口连接；比例伺服阀的2号端口和4号端口之间连接有比例溢流阀；异步电机带动定量泵旋转，在 定量泵的作用下液压油经过过滤器输出一定流量的高压油，依次经过比例伺服阀、液压锁，控制立柱油缸；通过改变比例伺服阀阀芯位移量调节液压油流量大小，进而控制立柱油缸压力；最后，立柱油缸出油口的低压油经所述比例伺服阀导流回到油箱。
所述的液压锁由第一单向阀和第二单向阀组合而成，第一单向阀的正向端与比例伺服 阀的3号端口连接，第二单向阀的正向端与比例伺服阀的4号端口连接，第一单向阀和第 二单向阀的反向端相连接；在第一单向阀反向端与第二单向阀正向端之间跨接有油管，在 第二单向阀反向端与第一单向阀正向端之间跨接有油管，在第一单向阀和第二单向阀反向 端所连接的油管之间，通过油管与油箱连接。
所述的比例伺服阀的1号端口与定量泵的输出端连接，3号端口与立住油缸的一端进 油口连接，2号端口和4号端口之间跨接有比例溢流阀，同时，2号端口接油箱，4号端 口与立住油缸的另一端进油口连接。
基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，包括以下步骤：
步骤1)建立比例伺服控液压支护平台立柱油缸初撑力系统；
步骤2)结合步骤1)所得到的阀控缸初撑力系统，设定具体的建模环境条件，建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型；
步骤3)依据初撑力控制的精度要求，针对上述系统存在的不确定性，且基于步骤2) 构建的系统数学模型，基于积分自适应液压支护平台立柱油缸初撑力滑模控制方法；
步骤4)基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸初撑力控制系统的联合仿真模型，根据工况条件设计实验，验证所构建的液压支护平台立柱油缸初撑力控制系统的有效性和合理性。
所述步骤1)中建立比例伺服控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的具体步骤为：
11)比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统中，比例伺服阀节流口光滑且对称；系 统定量泵油压恒定，回油压力为零，高压油温度为常数；连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应以及管路动态特性的影响；液压缸和比例伺服阀内外泄露为层流；建模时省略液压锁以及比例方向阀；液压支架四个立柱油缸同时达到顶板；
12)记压力传感器增益Kf，反馈电压信号为Uf，压力传感器输入信号为Ff，压力传感器的数学模型为：Uf＝KfFf；
13)记伺服放大器放大系数为Kp，伺服放大器的输出电流为I，比例放大器输入电压 为Uc，伺服放大器的数学模型为：Kp＝I/Uc；
14)记伺服阀阀芯的位移量为xv，伺服阀控制电流为I，伺服阀增益为kxv，伺服阀的固有频率为ωsv，伺服阀的阻尼比为ξsv，传递函数拉普拉斯算子为s，伺服阀的数学模型为：
Figure BDA0001755323460000031
15)记比例伺服阀阀口流量为QL，即立柱油缸入口流量，比例伺服阀流量增益为kq，负载压降为pL，比例伺服阀流量-压力系数为kc，比例伺服阀的流量特性模型为： QL＝kqxv-kcpL；
16)液压缸有效面积为Ap，液压油缸活塞位移为xp，液压缸总泄露系数为Ctp，液压压缩体积为Vt，液压油有效体积弹性模量为βe，传递函数拉普拉斯算子为s，不考虑管道 流量损耗，立柱油缸流量与比例伺服阀阀口流量一致，其特性方程为： QL＝Apxps+VtpLs/4βe+CtppL；
17)负载力为FL，负载质量为M，负载的阻尼系数为Bp，负载的弹簧刚度为Ks，未 建模和不确定项为fL，根据立柱油缸的输出力与负载力平衡，可得立柱油缸运动特性方程为：FL＝AppL＝Mxps2+Bpxps+Ksxp+fL；
18)考虑到比例伺服阀相比一般液压系统，是一个快速响应系统，其输入输出特性可 等效为一个比例环节，即Kv＝xv/I，Kv为比例伺服阀增益，联立比例伺服阀和立柱油缸的流量模型，以及立柱油缸运动特性方程，可以得到立柱油缸压力系统的数学模型为
Figure BDA0001755323460000032
经拉氏反变换后得到
Figure BDA0001755323460000041
其中，m1＝MVt/4βe，m2＝BpVt/4βe+(Kc+Ctp)M，m3＝Ap 2+(Kc+Ctp)Bp+KsVt/4βe，m5＝ApKpKqKv(Mp2+Bpp+Ks)，m6＝Ap 2， m4＝(Kc+Ctp)Ks，进一步整理可得立柱油缸压力系统微分方程为
Figure BDA0001755323460000042
其中，a0,a1,a2,b0为微分方程系数，a0＝-m2/m1， a1＝-m3/m1，a2＝-m4/m1，b0＝m5/m1，c0＝m6/m1，
Figure BDA0001755323460000043
为负载压力信号的三阶导数，
Figure BDA0001755323460000044
为负载压力信号的二阶导数，
Figure BDA0001755323460000045
为负载压力信号的一阶导数，
Figure BDA0001755323460000046
为未建模和不确定项的 一阶导数，p为微分算子；
19)将比例伺服阀控立柱油缸压力系统数学模型的微分方程转化为状态空间形式，得 到：
Figure BDA0001755323460000047
式中，X＝[x1,x2,x3]T，x1＝FL，
Figure BDA0001755323460000048
为负载输入压力信号FL的 一阶导数，
Figure BDA0001755323460000049
为负载压力信号FL的二阶导数；u＝Uc，y＝[0,0,FL]，
Figure BDA00017553234600000410
为状态矩阵，b＝[0,0,b0 T]为控制矩阵，C＝[1,0,0]为输出矩阵，以及h(t)＝[0 0 d]T，
Figure BDA00017553234600000411
表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且d是有界的。
所述步骤2)中建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型的假 设建模条件为：
a)假设比例伺服阀节流口光滑且对称；
b)假设系统定量泵油压恒定，回油压力为零；
c)假设连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应和管路动态特性的影 响；
d)假设液压缸和比例伺服阀内外泄露认为是层流，油液温度设为常数；
e)假设油缸压力控制与液压锁、比例方向阀关系不大，因此，建模时省略液压锁以及 比例方向阀；
f)假设液压支架四个立柱油缸同时达到顶板。
所述步骤3)的具体设计过程如下：
31)记立柱油缸压力给定值为Fd，定义系统误差为e＝FL-Fd；
32)设计动态切换函数为：
Figure BDA00017553234600000412
其中，λ0、λ1、k为大于零的任意常数；
33)对动态切换函数求导，得到：
Figure BDA0001755323460000051
令
Figure BDA0001755323460000052
由此，化简上式为
Figure BDA0001755323460000053
当
Figure BDA0001755323460000054
时，为保证达到滑模面S＝0，取等 速趋近律
Figure BDA0001755323460000055
由系统状态空间表达式，有
Figure BDA0001755323460000056
则得到a2x1+a1x2+a0x3+b0u+d+λ0x3+λ1x2+kx1-kdF＝-αsgn(S)，据此得到控制信号u如下：
Figure BDA0001755323460000057
其中，α为待整定参数且α＞0；
34)系统外部干扰及未建模部分d未知不确定，只能用相应的估计值
Figure RE-GDA0001778099830000054
代替d，
Figure RE-GDA0001778099830000055
为干扰及未建模部分的估计值，那么，可以得到相应的自适应控制率为：
Figure RE-GDA0001778099830000056
35)选取李雅普诺夫能量函数为
Figure RE-GDA00017780998300000518
其中，β为待整定参数，
Figure RE-GDA0001778099830000058
为d的估计误差，即
Figure RE-GDA0001778099830000059
那么，李雅普诺夫能量函数的微分为：
Figure RE-GDA00017780998300000516
由于
Figure RE-GDA00017780998300000517
且自适应控制率
Figure RE-GDA00017780998300000522
可以得到
Figure RE-GDA00017780998300000513
36)将自适应律设计为：
Figure BDA00017553234600000518
代入到李雅普诺夫能量函数的微分式可得：
Figure BDA00017553234600000519
表明上述滑模具有存在性和可达性，表明系统能够实现滑模运动。
所述步骤4)的具体方法为，基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸压力控制联合仿真系统；设定系统中各部件的具体参数和调节控制器内部参数，使得系统误差渐进稳定，并根据实际工况，设计实验验证所构立柱油缸压力控制系统的有效性和合理性。
有益效果：综掘巷道作业时，液压迈步式超前支护支架的工作过程主要包括“顶”和 “迈”两个步骤，通过合理控制四个立柱油缸的顶升位移量实现对顶板的有效支护，本发明给出一种立柱油缸比例伺服控制系统，并采用自适应滑模控制实现立柱油缸压力控制，有效抑制了外来负载冲击和高频谐波对立柱油缸液压系统的影响。本发明适用于综掘巷道顶板临时支护中，积分自适应滑模控制器在液压支护平台支护立柱油缸压力控制系统中具有较好的控制性能，能够有效克服系统中存在的诸多不确定性因素对系统的影响，鲁棒性更强，能够更好的满足煤炭规程中液压支架初撑力的控制需求，为实现迈步式超前支护液压支架智能化和机器人化奠定基础。
解决了比例伺服阀控立柱油缸系统中存在的内/外部干扰和未建模不确定因素对控制 性能不利的问题。达到了本发明的目的。
优点：本发明公开一种比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法，通 过比例伺服阀，调节支护支架立柱油缸液压油的流量，实现支护支架立柱对顶板的压力控 制，以满足巷道顶板的支护要求。本发明适用于煤矿综掘巷道临时支护中，对支护支架立 柱压力的精确控制，有效抑制系统中不确定因素对控制性能的不利影响，具有较强鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统结构图。
图2是本发明的比例伺服阀控立柱油缸压力系统的传递函数方框图。
图3是本发明的立柱油缸的积分自适应滑模控制框图。
图4是液压支护平台联合仿真模型。
图5是本发明的实施基于立柱油缸系统的液压支护平台结构图。
图中：1、立柱油缸；2、等效质量块；3、比例溢流阀；4、液压锁；51、第一单向阀； 52、第二单向阀；6、比例伺服阀；7、异步电机；8、过滤器；9、油箱；10、定量泵；11、 纵梁；12、横梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述：
本发明包括：比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统及压力控制方法。
比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统，包括：异步电机7、油箱9、定量泵10、过滤器8、比例溢流阀3、比例伺服阀6、液压锁4、单向阀5，以及立柱油缸1；所述异 步电机7和定量泵10连接；过滤器8、定量泵10，以及比例伺服阀6依次连接；比例伺 服阀6与液压锁4、立柱油缸1依次连接；所述定量泵10的输入端通过过滤器8单独与 油箱9相连接，定量泵10的输出端与比例伺服阀6的1号端口连接；比例伺服阀6的2 号端口和4号端口之间连接有比例溢流阀3；所述异步电机7带动定量泵10旋转，在定 量泵10的作用下液压油经过过滤器8输出一定流量的高压油，依次经过比例伺服阀6、 液压锁4，控制立柱油缸1；通过改变比例伺服阀6阀芯位移量调节液压油流量大小，进 而控制立柱油缸1压力；最后，立柱油缸1出油口的低压油经所述比例伺服阀6导流回到 油箱9。
所述的液压锁4由第一单向阀51和第二单向阀52组合而成，第一单向阀51的正向端与比例伺服阀6的3号端口连接，第二单向阀52的正向端与比例伺服阀6的4号端口 连接，第一单向阀51和第二单向阀52的反向端相连接；在第一单向阀51反向端与第二 单向阀52正向端之间跨接有油管，在第二单向阀52反向端与第一单向阀51正向端之间 跨接有油管，在第一单向阀51和第二单向阀52反向端所连接的油管之间，通过油管与油 箱9连接。
所述的比例伺服阀6的1号端口与定量泵的输出端连接，3号端口与立住油缸1的一端进油口连接，2号端口和4号端口之间跨接有比例溢流阀3，同时，2号端口接油箱，4 号端口与立住油缸的另一端进油口连接。
基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，包括以下步骤：
步骤1)建立比例伺服控液压支护平台立柱油缸初撑力系统；
步骤2)结合步骤1)所得到的阀控缸初撑力系统，设定具体的建模环境条件，建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型；
步骤3)依据初撑力控制的精度要求，针对上述系统存在的不确定性，且基于步骤2) 构建的系统数学模型，基于积分自适应液压支护平台立柱油缸初撑力滑模控制方法；
步骤4)基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸初撑力控制系统的联合仿真模型，根据工况条件设计实验，验证所构建的液压支护平台立柱油缸初撑力控制系统的有效性和合理性。
所述步骤1)中建立比例伺服控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的具体步骤为：
11)比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统中，比例伺服阀节流口光滑且对称；系 统定量泵油压恒定，回油压力为零，高压油温度为常数；连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应以及管路动态特性的影响；液压缸和比例伺服阀内外泄露为层流；建模时省略液压锁以及比例方向阀；液压支架四个立柱油缸同时达到顶板；
12)记压力传感器增益Kf，反馈电压信号为Uf，压力传感器输入信号为Ff，压力传感器的数学模型为：Uf＝KfFf；
13)记伺服放大器放大系数为Kp，伺服放大器的输出电流为I，比例放大器输入电压 为Uc，伺服放大器的数学模型为：Kp＝I/Uc；
14)记伺服阀阀芯的位移量为xv，伺服阀控制电流为I，伺服阀增益为kxv，伺服阀的固有频率为ωsv，伺服阀的阻尼比为ξsv，传递函数拉普拉斯算子为s，伺服阀的数学模型为：
Figure BDA0001755323460000071
15)记比例伺服阀阀口流量为QL，即立柱油缸入口流量，比例伺服阀流量增益为kq，负载压降为pL，比例伺服阀流量-压力系数为kc，比例伺服阀的流量特性模型为： QL＝kqxv-kcpL；
16)液压缸有效面积为Ap，液压油缸活塞位移为xp，液压缸总泄露系数为Ctp，液压压缩体积为Vt，液压油有效体积弹性模量为βe，传递函数拉普拉斯算子为s，不考虑管道 流量损耗，立柱油缸流量与比例伺服阀阀口流量一致，其特性方程为： QL＝Apxps+VtpLs/4βe+CtppL；
17)负载力为FL，负载质量为M，负载的阻尼系数为Bp，负载的弹簧刚度为Ks，未 建模和不确定项为fL，根据立柱油缸的输出力与负载力平衡，可得立柱油缸运动特性方程为：FL＝AppL＝Mxps2+Bpxps+Ksxp+fL；
18)考虑到比例伺服阀相比一般液压系统，是一个快速响应系统，其输入输出特性可 等效为一个比例环节，即Kv＝xv/I，Kv为比例伺服阀增益，联立比例伺服阀和立柱油缸的流量模型，以及立柱油缸运动特性方程，可以得到立柱油缸压力系统的数学模型为
Figure BDA0001755323460000081
经拉氏反变换后得到
Figure BDA0001755323460000082
其中，m1＝MVt/4βe，m2＝BpVt/4βe+(Kc+Ctp)M，m3＝Ap 2+(Kc+Ctp)Bp+KsVt/4βe，m5＝ApKpKqKv(Mp2+Bpp+Ks)，m6＝Ap 2，m4＝(Kc+Ctp)Ks，进一步整理可得立柱油缸压力系统微分方程为
Figure BDA0001755323460000083
其中，a0,a1,a2,b0为微分方程系数，a0＝-m2/m1， a1＝-m3/m1，a2＝-m4/m1，b0＝m5/m1，c0＝m6/m1，
Figure BDA0001755323460000084
为负载压力信号的三阶导数，
Figure BDA0001755323460000085
为负载压力信号的二阶导数，
Figure BDA0001755323460000086
为负载压力信号的一阶导数，
Figure BDA0001755323460000087
为未建模和不确定项的 一阶导数，p为微分算子；
19)将比例伺服阀控立柱油缸压力系统数学模型的微分方程转化为状态空间形式，得 到：
Figure BDA0001755323460000088
式中，X＝[x1,x2,x3]T，x1＝FL，
Figure BDA0001755323460000089
为负载输入压力信号FL的 一阶导数，
Figure BDA00017553234600000810
为负载压力信号FL的二阶导数；u＝Uc，y＝[0,0,FL]，
Figure BDA00017553234600000811
为状态矩阵，b＝[0,0,b0 T]为控制矩阵，C＝[1,0,0]为输出矩阵，以及h(t)＝[0 0 d]T，
Figure BDA00017553234600000812
表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且d是有界的。
所述步骤2)中建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型的假 设建模条件为：
a)假设比例伺服阀节流口光滑且对称；
b)假设系统定量泵油压恒定，回油压力为零；
c)假设连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应和管路动态特性的影 响；
d)假设液压缸和比例伺服阀内外泄露认为是层流，油液温度设为常数；
e)假设油缸压力控制与液压锁、比例方向阀关系不大，因此，建模时省略液压锁以及 比例方向阀；
f)假设液压支架四个立柱油缸同时达到顶板。
所述步骤3)的具体设计过程如下：
31)记立柱油缸压力给定值为Fd，定义系统误差为e＝FL-Fd；
32)设计动态切换函数为：
Figure BDA0001755323460000091
其中，λ0、λ1、k为大于零的任意常数；
33)对动态切换函数求导，得到：
Figure BDA0001755323460000092
令
Figure BDA0001755323460000093
由此，化简上式为
Figure BDA0001755323460000094
当
Figure BDA0001755323460000095
时，为保证达到滑模面S＝0，取等 速趋近律
Figure BDA0001755323460000096
由系统状态空间表达式，有
Figure BDA0001755323460000097
则得到a2x1+a1x2+a0x3+b0u+d+λ0x3+λ1x2+kx1-kdF＝-αsgn(S)，据此得到控制信号u如下：
Figure BDA0001755323460000098
其中，α为待整定参数且α＞0；
34)系统外部干扰及未建模部分d未知不确定，只能用相应的估计值
Figure RE-GDA0001778099830000099
代替d，
Figure RE-GDA00017780998300000910
为干扰及未建模部分的估计值，那么，可以得到相应的自适应控制率为：
Figure RE-GDA00017780998300000911
35)选取李雅普诺夫能量函数为
Figure RE-GDA00017780998300000928
其中，β为待整定参数，
Figure RE-GDA00017780998300000913
为d的估计误差，即
Figure RE-GDA00017780998300000929
那么，李雅普诺夫能量函数的微分为：
Figure RE-GDA00017780998300000930
由于
Figure RE-GDA00017780998300000931
且自适应控制率
Figure RE-GDA00017780998300000932
可以得到
Figure RE-GDA00017780998300000918
36)将自适应律设计为：
Figure BDA00017553234600000919
代入到李雅普诺夫能量函数的微分式可得：
Figure BDA00017553234600000920
表明上述滑模具有存在性和可达性，表明系统能够实现滑模运动。
所述步骤4)的具体方法为，基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸压力控制联合仿真系统；设定系统中各部件的具体参数和调节控制器内部参数，使得系统误差渐进稳定，并根据实际工况，设计实验验证所构立柱油缸压力控制系统的有效性和合理性。
实施例1：图1中，巷道综掘过程中，当掘进机掘进前进距离达到最大空顶距时，掘进机停止工作，液压支护平台进行升压支护过程。液压支护平台如图5所示，通过四个独 立的比例伺服阀分别控制四组立柱油缸的压力，四组立柱油缸上端连接有纵梁11和横梁 12；启动电源，根据顶板临时支护所需要的初撑力，经控制器调节后，立柱油缸达到额定 初撑力。
本发明通过驱动异步电机，带动定量泵旋转，输出一定流量的高压油；经过滤器、换 向阀，比例伺服阀，驱动立柱油缸上升直至达到额定初撑力；支护结束后，换向阀改变液压油进出方向，立柱油缸减压下降，比例伺服阀的低压油经换向阀、冷却器，流回到油箱。
本发明采用比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸压力系统后，采用的压力控制方法如 下：
步骤1)建立比例伺服控液压支护平台立柱油缸初撑力系统；
步骤2)深入分析比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸压力系统特性，建立该系统的 数学模型。
首先，根据液压支护平台立柱油缸压力系统结构与特性，给出以下六点假设：
(1)假设比例伺服阀节流口光滑且对称；
(2)假设系统定量泵油压恒定，回油压力为零；
(3)假设连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应和管路动态特性的 影响；
(4)假设液压缸和比例伺服阀内外泄露认为是层流，油液温度设为常数；
(5)假设油缸压力控制与液压锁、比例方向阀关系不大，因此，建模时省略液压锁以及比例方向阀；
(6)假设液压支架四个立柱油缸同时达到顶板。
其次，分别建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸压力系统各组成环节的数学模型， 数学模型的传递函数如图2所示。
2.1)记压力传感器增益Kf，反馈电压信号为Uf，压力传感器输入信号为Ff，压力传感器的数学模型为：Uf＝KfFf；
2.2)记伺服放大器放大系数为Kp，伺服放大器的输出电流为I，比例放大器输入电压为Uc，伺服放大器的数学模型为：Kp＝I/Uc；
2.3)记伺服阀阀芯的位移量为xv，伺服阀控制电流为I，伺服阀增益为kxv，伺服阀的固有频率为ωsv，伺服阀的阻尼比为ξsv，传递函数拉普拉斯算子为s，伺服阀的数学模 型为：
Figure BDA0001755323460000101
2.4)记比例伺服阀阀口流量为QL，即立柱油缸入口流量，比例伺服阀流量增益为kq， 负载压降为pL，比例伺服阀流量-压力系数为kc，比例伺服阀的流量特性模型为： QL＝kqxv-kcpL；
2.5)液压缸有效面积为Ap，液压油缸活塞位移为xp，液压缸总泄露系数为Ctp，液压压缩体积为Vt，液压油有效体积弹性模量为βe，传递函数拉普拉斯算子为s，不考虑管道 流量损耗，立柱油缸流量与比例伺服阀阀口流量一致，其特性方程为： QL＝Apxps+VtpLs/4βe+CtppL；
2.6)负载力为FL，负载质量为M，负载的阻尼系数为Bp，负载的弹簧刚度为Ks， 未建模和不确定项为fL，根据立柱油缸的输出力与负载力平衡，可得立柱油缸运动特性方 程为：FL＝AppL＝Mxps2+Bpxps+Ksxp+fL；
2.7)考虑到比例伺服阀相比一般液压系统，是一个快速响应系统，其输入输出特性 可等效为一个比例环节，即Kv＝xv/I，Kv为比例伺服阀增益，联立比例伺服阀和立柱油缸的流量模型，以及立柱油缸运动特性方程，可以得到立柱油缸压力系统的数学模型为
Figure BDA0001755323460000111
经拉氏反变换后得到
Figure BDA0001755323460000112
其中，m1＝MVt/4βe，m2＝BpVt/4βe+(Kc+Ctp)M，m3＝Ap 2+(Kc+Ctp)Bp+KsVt/4βe，m5＝ApKpKqKv(Mp2+Bpp+Ks)，m6＝Ap 2， m4＝(Kc+Ctp)Ks，进一步整理可得立柱油缸压力系统微分方程为
Figure BDA0001755323460000113
其中，a0,a1,a2,b0为微分方程系数，a0＝-m2/m1， a1＝-m3/m1，a2＝-m4/m1，b0＝m5/m1，c0＝m6/m1，
Figure BDA0001755323460000114
为负载压力信号的三阶导数，
Figure BDA0001755323460000115
为负载压力信号的二阶导数，
Figure BDA0001755323460000116
为负载压力信号的一阶导数，
Figure BDA0001755323460000117
为未建模和不确定项的 一阶导数，p为微分算子；
2.8)将比例伺服阀控立柱油缸压力系统数学模型的微分方程转化为状态空间形式，得 到：
Figure BDA0001755323460000118
式中，X＝[x1,x2,x3]T，x1＝FL，
Figure BDA0001755323460000119
为负载输入压力信号FL的 一阶导数，
Figure BDA00017553234600001110
为负载压力信号FL的二阶导数；u＝Uc，y＝[0,0,FL]，
Figure BDA00017553234600001111
为状态矩阵，b＝[0,0,b0 T]为控制矩阵，C＝[1,0,0]为输出矩阵，以及h(t)＝[0 0 d]T，
Figure BDA0001755323460000121
表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且d是有界的。
步骤3)依据初撑力控制的精度要求，针对上述系统存在的不确定性，基于构建的系 统数学模型，设计基于积分自适应液压支护平台立柱油缸初撑力滑模控制器。具体方法如 下：
记立柱油缸压力给定值为Fd，定义系统误差为e＝FL-Fd；
设计动态切换函数为：
Figure RE-GDA00017780998300001221
其中，λ0、λ1、k为大于零的任意常数；上式求导可得：
Figure RE-GDA00017780998300001222
令
Figure RE-GDA00017780998300001223
由此，化 简上式为
Figure RE-GDA00017780998300001224
当
Figure RE-GDA0001778099830000125
时，为保证达到滑模面S＝0，取等速趋 近律
Figure RE-GDA00017780998300001225
由系统状态空间表达式，有
Figure RE-GDA00017780998300001226
则得到 a2x1+a1x2+a0x3+b0u+d+λ0x3+λ1x2+kx1-kFd＝-αsgn(S)，据此得到控制信号u如下：
Figure RE-GDA00017780998300001227
其中，α为待整定参数且 α＞0；
系统外部干扰及未建模部分d未知不确定，只能用相应的估计值
Figure RE-GDA0001778099830000129
代替d，
Figure RE-GDA00017780998300001210
为干扰及未建模部分的估计值，那么，可以得到相应的自适应控制率为：
Figure RE-GDA00017780998300001211
选取李雅普诺夫能量函数为
Figure RE-GDA00017780998300001212
，其中，β为待整定参数，
Figure RE-GDA00017780998300001213
为d的估计误差，即
Figure RE-GDA00017780998300001228
那么，李雅普诺夫能量函数的微分为：
Figure RE-GDA00017780998300001229
由于
Figure RE-GDA00017780998300001230
且 自适应控制率
Figure RE-GDA00017780998300001231
可以得到
Figure RE-GDA00017780998300001218
将自适应律设计为：
Figure BDA00017553234600001221
代入到李雅普诺夫能量函数的微分式可得：
Figure BDA00017553234600001222
表明上述滑模具有存在性和可达性，表明系统能够实现滑模运动。
步骤4)基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸初撑力控制系统的联合仿 真模型，准确设置系统部件的各个参数，合理调节控制器内部参数；根据工况条件设计实 验，验证所构建的液压支护平台立柱油缸初撑力控制系统的有效性和合理性。基于积分自 适应液压支护平台立柱油缸初撑力滑模控制系统框图，如图3所示。基于Matlab和AMESim搭建的液压支护平台立柱油缸联合仿真模型，给出系统各部件具体参数和调整控制器内部参数，具体详见表1。
表1阀控立柱油缸位移控制系统部分参数
Figure BDA0001755323460000131

Claims (4)

1.一种基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，包括采用比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统，系统包括：异步电机、油箱、定量泵、过滤器、比例溢流阀、比例伺服阀、液压锁以及立柱油缸；所述异步电机和定量泵连接；过滤器、定量泵，以及比例伺服阀依次连接；比例伺服阀与液压锁、立柱油缸依次连接；所述定量泵的输入端通过过滤器单独与油箱相连接，定量泵的输出端与比例伺服阀的1号端口连接；比例伺服阀的2号端口和4号端口之间连接有比例溢流阀；所述异步电机带动定量泵旋转，在定量泵的作用下液压油经过过滤器输出一定流量的高压油，依次经过比例伺服阀、液压锁，控制立柱油缸；通过改变比例伺服阀阀芯位移量调节液压油流量大小，进而控制立柱油缸压力；最后，立柱油缸出油口的低压油经所述比例伺服阀导流回到油箱；
其特征是：基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，包括以下步骤：
步骤1)建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统；
步骤2)结合步骤1)所得到的初撑力系统，设定具体的建模环境条件，建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型；
步骤3)依据初撑力控制的精度要求，针对上述初撑力系统存在的不确定性，且基于步骤2)构建的系统数学模型，基于积分自适应液压支护平台立柱油缸初撑力滑模控制方法；
步骤4)基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸初撑力系统的联合仿真模型，根据工况条件设计实验，验证所构建的液压支护平台立柱油缸初撑力系统的有效性和合理性；
所述步骤1)中建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的具体步骤为：
11)比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统中，比例伺服阀节流口光滑且对称；系统定量泵油压恒定，回油压力为零，高压油温度为常数；连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应以及管路动态特性的影响；液压缸和比例伺服阀内外泄露为层流；建模时省略液压锁以及比例方向阀；液压支架四个立柱油缸同时达到顶板；
12)记压力传感器增益Kf，反馈电压信号为Uf，压力传感器输入信号为Ff，压力传感器的数学模型为：Uf＝KfFf；
13)记伺服放大器放大系数为Kp，伺服放大器的输出电流为I，比例放大器输入电压为Uc，伺服放大器的数学模型为：Kp＝I/Uc；
14)记伺服阀阀芯的位移量为xv，伺服阀控制电流为I，伺服阀增益为kxv，伺服阀的固有频率为ωsv，伺服阀的阻尼比为ξsv，传递函数拉普拉斯算子为s，伺服阀的数学模型为：
Figure FDA0002476755330000011
15)记比例伺服阀阀口流量为QL，即立柱油缸入口流量，比例伺服阀流量增益为kq，负载压降为pL，比例伺服阀流量-压力系数为kc，比例伺服阀的流量特性模型为：QL＝kqxv-kcpL；
16)液压缸有效面积为Ap，液压油缸活塞位移为xp，液压缸总泄露系数为Ctp，液压压缩体积为Vt，液压油有效体积弹性模量为βe，传递函数拉普拉斯算子为s，不考虑管道流量损耗，立柱油缸流量与比例伺服阀阀口流量一致，其特性方程为：QL＝Apxps+VtpLs/4βe+CtppL；
17)负载力为FL，负载质量为M，负载的阻尼系数为Bp，负载的弹簧刚度为Ks，未建模和不确定项为fL，根据立柱油缸的输出力与负载力平衡，可得立柱油缸运动特性方程为：FL＝AppL＝Mxps2+Bpxps+Ksxp+fL；
18)考虑到比例伺服阀相比一般液压系统，是一个快速响应系统，其输入输出特性可等效为一个比例环节，即Kv＝xv/I，Kv为比例伺服阀增益，联立比例伺服阀和立柱油缸的流量模型，以及立柱油缸运动特性方程，可以得到立柱油缸压力系统的数学模型为
Figure FDA0002476755330000021
，经拉氏反变换后得到
Figure FDA0002476755330000022
其中，m1＝MVt/4βe，m2＝BpVt/4βe+(Kc+Ctp)M，m3＝Ap 2+(Kc+Ctp)Bp+KsVt/4βe，m5＝ApKpKqKv(Mp2+Bpp+Ks)，m6＝Ap 2，m4＝(Kc+Ctp)Ks，进一步整理可得立柱油缸压力系统微分方程为
Figure FDA0002476755330000023
其中，a0,a1,a2,b0为微分方程系数，a0＝-m2/m1，a1＝-m3/m1，a2＝-m4/m1，b0＝m5/m1，c0＝m6/m1，
Figure FDA0002476755330000024
为负载压力信号的三阶导数，
Figure FDA0002476755330000025
为负载压力信号的二阶导数，
Figure FDA0002476755330000026
为负载压力信号的一阶导数，
Figure FDA0002476755330000027
为未建模和不确定项的一阶导数，p为微分算子；
19)将比例伺服阀控立柱油缸压力系统数学模型的微分方程转化为状态空间形式，得到：
Figure FDA0002476755330000028
式中，X＝[x1,x2,x3]T，x1＝FL，
Figure FDA0002476755330000029
为负载输入压力信号FL的一阶导数，
Figure FDA00024767553300000210
为负载压力信号FL的二阶导数；u＝Uc，y＝[0,0,FL]，
Figure FDA00024767553300000211
为状态矩阵，b＝[0,0,b0]T为控制矩阵，C＝[1,0,0]为输出矩阵，以及h(t)＝[0 0 d]T，
Figure FDA00024767553300000212
表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且d是有界的。
2.根据权利要求1所述的基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，其特征是：所述步骤2)中，建立比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸初撑力系统的数学模型的假设建模条件为：
a)假设比例伺服阀节流口光滑且对称；
b)假设系统定量泵油压恒定，回油压力为零；
c)假设连接管路较短，忽略液压管路内压力损失、流体质量效应和管路动态特性的影响；
d)假设液压缸和比例伺服阀内外泄露认为是层流，油液温度设为常数；
e)假设油缸压力控制与液压锁、比例方向阀关系不大，因此，建模时省略液压锁以及比例方向阀；
f)假设液压支架四个立柱油缸同时达到顶板。
3.根据权利要求1所述的基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，其特征是：所述步骤3)的具体设计过程如下：
31)记立柱油缸压力给定值为Fd，定义系统误差为e＝FL-Fd；
32)设计动态切换函数为：
Figure FDA0002476755330000031
其中，λ0、λ1、k为大于零的任意常数；
33)对动态切换函数求导，得到：
Figure FDA0002476755330000032
令
Figure FDA0002476755330000033
由此，化简上式为
Figure FDA0002476755330000034
当
Figure FDA0002476755330000035
时，为保证达到滑模面S＝0，取等速趋近律
Figure FDA0002476755330000036
由系统状态空间表达式，有
Figure FDA0002476755330000037
则得到a2x1+a1x2+a0x3+b0u+d+λ0x3+λ1x2+kx1-kFd＝-αsgn(S)，据此得到控制信号u如下：
Figure FDA0002476755330000038
其中，α为待整定参数且α＞0；
34)系统外部干扰及未建模部分d未知不确定，只能用相应的估计值
Figure FDA0002476755330000039
代替d，
Figure FDA00024767553300000310
为干扰及未建模部分的估计值，那么，得到相应的自适应控制率为：
Figure FDA00024767553300000311
35)选取李雅普诺夫能量函数为
Figure FDA00024767553300000312
其中，β为待整定参数，
Figure FDA00024767553300000313
为d的估计误差，即
Figure FDA00024767553300000314
那么，李雅普诺夫能量函数的微分为：
Figure FDA00024767553300000315
由于
Figure FDA00024767553300000316
且自适应控制率
Figure FDA0002476755330000041
得到
Figure FDA0002476755330000042
36)将自适应律设计为：
Figure FDA0002476755330000043
代入到李雅普诺夫能量函数的微分式可得：
Figure FDA0002476755330000044
表明上述滑模具有存在性和可达性，表明系统能够实现滑模运动。
4.根据权利要求1所述的基于比例伺服阀控液压支护平台立柱油缸系统的压力控制方法，所述步骤4)的具体方法为，基于Matlab和AMESim搭建液压支护平台立柱油缸压力控制联合仿真系统；设定系统中各部件的具体参数和调节控制器内部参数，使得系统误差渐进稳定，并根据实际工况，设计实验验证所构立柱油缸压力控制系统的有效性和合理性。
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