任懷偉， 張帥， 張德生， 周杰， 任長(zhǎng)忠， 苗興， 劉科， 侯煒

（1. 煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2. 中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；3. 陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

0 引言

煤礦智能化開(kāi)采是實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效開(kāi)發(fā)的有效途徑[1-2]。工作面綜采裝備群自動(dòng)化連續(xù)、穩(wěn)定協(xié)同運(yùn)行是智能化開(kāi)采的基礎(chǔ)[3]。液壓支架通過(guò)與圍巖、開(kāi)采裝備等相互作用，為工作面提供安全的作業(yè)空間，是工作面綜采裝備群最重要的裝備之一[4]。液壓支架精準(zhǔn)推移與快速跟機(jī)技術(shù)直接影響綜采裝備群自動(dòng)化連續(xù)協(xié)同運(yùn)行效果，進(jìn)而影響工作面智能化開(kāi)采水平。因此，液壓支架精準(zhǔn)推移與快速跟機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)支撐，也是現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。

液壓支架推移包括拉架、推溜2種工序，針對(duì)大采高液壓支架而言，二者對(duì)應(yīng)推移油缸的伸出和收回動(dòng)作。推移油缸采用電磁換向閥控制，因此實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)推移可等效為實(shí)現(xiàn)閥控缸系統(tǒng)精準(zhǔn)位置控制。液壓支架快速跟機(jī)是指液壓支架基于采煤機(jī)位置，按照設(shè)定的自動(dòng)化程序跟隨采煤機(jī)快速動(dòng)作。該過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)工作面液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)大及因工藝程序設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致跟機(jī)動(dòng)作不到位的現(xiàn)象。在液壓支架跟機(jī)過(guò)程中，降、移、升這3種工序?yàn)檫B續(xù)動(dòng)作，且用液量大、負(fù)載高，提高其動(dòng)作速度是實(shí)現(xiàn)液壓支架快速跟機(jī)的關(guān)鍵。因此，需從跟機(jī)工藝、穩(wěn)壓供液、快速移架等方面實(shí)現(xiàn)液壓支架快速跟機(jī)。

研究人員通過(guò)研制新型閥件、優(yōu)化控制策略、完善跟機(jī)工藝、改進(jìn)液壓系統(tǒng)等方式提高液壓支架推移動(dòng)作的精度與跟機(jī)速度，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單地質(zhì)條件煤層智能化開(kāi)采創(chuàng)造了良好條件。但相關(guān)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，乳化液泵站、液壓支架等煤機(jī)裝備適應(yīng)性不強(qiáng)，導(dǎo)致裝備與采場(chǎng)耦合關(guān)系差，出現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機(jī)運(yùn)行速度慢、推移不到位、丟架等現(xiàn)象[5]。如何進(jìn)一步提高液壓支架推移動(dòng)作的精度和跟機(jī)速度，是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜地質(zhì)條件煤層智能化開(kāi)采的前提，也是當(dāng)前乃至未來(lái)重要的研究方向之一。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 液壓支架精準(zhǔn)推移技術(shù)

實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)推移的本質(zhì)在于提高煤礦環(huán)境下閥控缸系統(tǒng)的位置控制精度。閥控缸系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，部分領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)高精度位置控制，因此有必要借鑒其他領(lǐng)域成熟的閥控缸精準(zhǔn)位置控制技術(shù)。電液比例閥、高速開(kāi)關(guān)閥、電磁換向閥是常用的控制閥件，很多學(xué)者對(duì)閥件的性能加以優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制。

1.1.1 電液比例閥控缸位置控制

電液比例閥是一種輸入信號(hào)連續(xù)、按比例控制油液的閥件，按傳動(dòng)介質(zhì)分為油基和水基2種。相較于水介質(zhì)，液壓油黏度高、潤(rùn)滑好、泄漏少，易實(shí)現(xiàn)高壓大流量油液控制。針對(duì)油基電液比例閥控缸位置控制，一般通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)提高控制精度，而水基電液比例閥尚無(wú)成熟的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。

PID算法在油基電液比例閥控缸位置控制中的應(yīng)用十分廣泛。基于PID控制器的油基電液比例閥控缸位置控制系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖1所示。將系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的液壓缸活塞桿位置信號(hào)作為反饋輸入?yún)⑴c系統(tǒng)位置控制，在一定程度上提高了控制精度，但相對(duì)于精度需求而言，常規(guī)PID算法控制精度仍較低，且存在抗干擾能力差等問(wèn)題。對(duì)此，李延民等[6]提出了融合PID和模糊理論的新型控制算法并進(jìn)行仿真，通過(guò)模糊控制實(shí)時(shí)修改PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥口流量的精準(zhǔn)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位置控制，如圖2所示，其中e為誤差，t為時(shí)間，de/dt為誤差變化率，E為誤差經(jīng)模糊化后的模糊集合，EC為誤差變化率經(jīng)模糊化后的模糊集合，Δkp，Δki，Δkd分別為比例、積分、微分參數(shù)的調(diào)整量，u為控制信號(hào)。陳立娟等[7]指出閥控缸位置控制系統(tǒng)是一個(gè)具有可變流量死區(qū)和流量增益的非線性時(shí)變系統(tǒng)，需通過(guò)死區(qū)補(bǔ)償提高控制精度；同時(shí)設(shè)計(jì)了基于死區(qū)在線檢測(cè)的模糊PID自適應(yīng)位置控制器，其通過(guò)采集主閥開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)的先導(dǎo)閥電磁鐵電流來(lái)表征死區(qū)大小，并對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，以提高控制精度。王立新等[8]通過(guò)構(gòu)造死區(qū)逆模型對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了平滑補(bǔ)償函數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)方法獲得參數(shù)值，針對(duì)補(bǔ)償函數(shù)的補(bǔ)償誤差引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償誤差的估計(jì)與補(bǔ)償。

圖 1 電液比例閥控缸位置控制系統(tǒng)仿真模型Fig. 1 Simulation model of hydraulic cylinder position control system based on proportional valve

圖 2 PID+模糊控制系統(tǒng)Fig. 2 PID and fuzzy control system

采用液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)的油基電液比例閥控制精度高，可滿足液壓支架推移動(dòng)作的精度需求，但液壓油成本高，且泄漏后對(duì)環(huán)境影響大，因此液壓支架采用乳化液作為傳動(dòng)介質(zhì)，應(yīng)采用水基電液比例閥控制技術(shù)。

1.1.2 高速開(kāi)關(guān)閥控缸位置控制

高速開(kāi)關(guān)閥的閥芯行程小，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，采用高載頻的PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）形式進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞桿位置控制。優(yōu)化控制算法是提高高速開(kāi)關(guān)閥控缸位置控制精度的主要途徑之一。

劉勝凱[9]為解決PWM控制開(kāi)關(guān)閥精度低的問(wèn)題，提出了CMAC（Cerebellar Model Articulation Controller，小腦模型關(guān)節(jié)控制器）-PID復(fù)合控制算法，如圖3所示。CMAC先將目標(biāo)位置量化成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)虛擬映射、概念映射方式映射到存儲(chǔ)空間，采用有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)算法反復(fù)調(diào)整存儲(chǔ)空間各映射的權(quán)值，得到理想的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。采用訓(xùn)練好的CMAC實(shí)現(xiàn)前饋控制，PID實(shí)現(xiàn)反饋控制，將穩(wěn)態(tài)誤差控制在±0.1 mm內(nèi)。Liu Zhihao等[10]提出了基于PWM的PD控制和速度前饋-位移反饋復(fù)合算法，并采用遺傳算法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定。J.-H. Lee等[11]為解決因滯后和飽和環(huán)節(jié)的高度非線性特性導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)閥控制難問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于非線性觀測(cè)器的開(kāi)關(guān)閥控制器，通過(guò)跟蹤期望的閥芯軌跡來(lái)控制通過(guò)閥口的流量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制。

圖 3 CMAC-PID復(fù)合控制算法[9]Fig. 3 CMAC-PID compound control algorithm[9]

高速開(kāi)關(guān)閥控缸位置控制精度高，在交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但高速開(kāi)關(guān)閥對(duì)傳動(dòng)介質(zhì)清潔度要求高，且存在使用壽命短、可靠性低、制造成本高等問(wèn)題。未來(lái)研究應(yīng)聚焦提高開(kāi)關(guān)閥的使用壽命及降低制造成本，研制適應(yīng)煤礦井下惡劣條件的大流量開(kāi)關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)液壓缸精準(zhǔn)位置控制。

1.1.3 電磁換向閥控缸位置控制

電磁換向閥是一種用于切換執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)方向的閥件，具有對(duì)油液要求低、開(kāi)閉過(guò)程魯棒性好、加工精度要求低等優(yōu)點(diǎn)，但存在輸入約束、非線性延時(shí)和切換頻率低等問(wèn)題。若感知液壓缸到達(dá)目標(biāo)位置后再操作電磁換向閥，則一定會(huì)存在超調(diào)量。學(xué)者們采用提前控制電磁換向閥、慢速接近目標(biāo)位置等方法提高電磁換向閥控缸位置控制精度。

提前控制電磁換向閥方面，楊雁等[12]通過(guò)迭代學(xué)習(xí)方法控制電磁換向閥動(dòng)作的位置，即在線獲取閥動(dòng)作時(shí)的位置提前量并進(jìn)行線性擬合，通過(guò)可變學(xué)習(xí)增益加快收斂速度和控制學(xué)習(xí)率誤差容限提高算法的魯棒性，并將研究成果應(yīng)用于注塑機(jī)開(kāi)合模機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了定位控制，但該方法需保證在液壓缸穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切換閥的工作狀態(tài)。任懷偉等[13]設(shè)計(jì)了一種數(shù)字液壓缸控制系統(tǒng)（圖4），采用控制器高頻采集液壓缸的狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算電磁換向閥的動(dòng)作位置并進(jìn)行控制，確保液壓缸的實(shí)際位置為目標(biāo)位置，同時(shí)指出提前動(dòng)作的距離與油液壓力、流量、負(fù)載、系統(tǒng)本身屬性等存在映射關(guān)系。

慢速接近目標(biāo)位置方面，學(xué)者們采用增加節(jié)流阻尼或脈頻調(diào)制的方式，將液壓缸動(dòng)作分為快速動(dòng)作和精準(zhǔn)定位2個(gè)階段，提高位置控制精度。周創(chuàng)輝等[14]設(shè)計(jì)了雙換向閥+節(jié)流阻尼的液壓缸精準(zhǔn)位置控制系統(tǒng)（圖5），采用電磁換向閥3.1和裝有節(jié)流阻尼的電磁換向閥3.2控制液壓缸，2個(gè)換向閥互鎖控制。在快速動(dòng)作階段，換向閥3.1工作，換向閥3.2閉鎖，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作；在精準(zhǔn)定位階段，換向閥3.2工作，換向閥3.1閉鎖，小流量慢速接近。楊韓峰等[15]在精準(zhǔn)定位階段采用PFM（Pulse Frequency Modulation，脈沖頻率調(diào)制）控制電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)小流量接近，達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。

圖 4 數(shù)字液壓缸控制系統(tǒng)Fig. 4 Digital cylinder control system

圖 5 雙換向閥+節(jié)流阻尼的液壓缸精準(zhǔn)位置控制系統(tǒng)[14]Fig. 5 Precise position control system of hydraulic cylinder based on double directional valve and throttle valve[14]

電磁換向閥控缸位置控制的精度相對(duì)較低，但裝置制造簡(jiǎn)單，成本低，常用于精度要求不高的場(chǎng)合。通過(guò)增加節(jié)流阻尼、PFM控制方式實(shí)現(xiàn)電磁換向閥控缸位置控制，會(huì)帶來(lái)裝置制造成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

1.1.4 液壓支架推移油缸精準(zhǔn)位置控制

煤礦領(lǐng)域亟需實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制的液壓缸有液壓支架的推移油缸和尾梁液壓缸、采煤機(jī)的調(diào)高液壓缸等。液壓支架采用乳化液作為傳動(dòng)介質(zhì)，油液內(nèi)存在較多氣泡，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中易對(duì)閥體產(chǎn)生沖蝕，影響電液比例閥、高速開(kāi)關(guān)閥的控制精度及可靠性，因此推移油缸常采用電磁換向閥控制。學(xué)者們通過(guò)研制大流量水基電液比例閥、設(shè)計(jì)新型邏輯閥等方式實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)推移。

研制大流量水基電液比例閥方面，工作面液壓系統(tǒng)的壓力可達(dá)31.5 MPa，流量達(dá)500 L/min以上，采用乳化液作為傳動(dòng)介質(zhì)，可采用水基電液比例閥控制，而現(xiàn)有三位四通比例閥的工作壓力為17 MPa以下，流量不超過(guò)100 L/min。為此，廖瑤瑤等[16]研制了一種新型二位三通比例閥，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母及L型驅(qū)動(dòng)桿，先導(dǎo)閥和主閥采用座式結(jié)構(gòu)，適用于高壓大流量系統(tǒng)，但尚無(wú)成熟產(chǎn)品。張?jiān)雒偷萚17]研制了新型音圈電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的二位二通比例閥，利用音圈電動(dòng)機(jī)體積小、頻響和控制精度高、輸出力和輸出位移大等優(yōu)勢(shì)，增大比例閥的流量調(diào)節(jié)范圍，提高控制精度，但在零開(kāi)口時(shí)存在較小的內(nèi)泄漏。

設(shè)計(jì)新型邏輯閥方面，李首濱等[18]研制了兩級(jí)聯(lián)動(dòng)調(diào)速閥，實(shí)現(xiàn)了拉架和推溜單一動(dòng)作時(shí)快速動(dòng)作，快到位時(shí)切換成節(jié)流閥精準(zhǔn)控制。王峰[19]研發(fā)了推移控制邏輯閥（圖6），通過(guò)是否噴霧區(qū)分快速推移與精準(zhǔn)控制階段。當(dāng)電液換向閥（噴霧功能）未動(dòng)作時(shí)，工作口A，B保持正常大孔口連通工作，與未配置邏輯閥時(shí)的功能回路作用相同，實(shí)現(xiàn)快速推移；當(dāng)換向閥執(zhí)行噴霧動(dòng)作時(shí)，高壓油液由邏輯控制口C進(jìn)入邏輯閥，推動(dòng)進(jìn)液閥桿上移，克服預(yù)設(shè)彈簧力，使工作口A，B切換到小孔口工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)接近目的。

圖 6 推移控制邏輯閥工作原理[19]Fig. 6 Operating principle of push control logic valve[19]

大流量水基電液比例閥研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，存在對(duì)油污等級(jí)敏感、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，無(wú)法直接應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中。通過(guò)增加邏輯閥的方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制存在如下問(wèn)題：① 使閥控缸系統(tǒng)更加復(fù)雜，大幅增加成本；② 延長(zhǎng)跟機(jī)時(shí)間，未考慮液壓支架跟機(jī)速度遠(yuǎn)小于割煤速度的現(xiàn)狀，不符合實(shí)際情況。后續(xù)研究應(yīng)聚焦2個(gè)方面：① 研制適合井下環(huán)境的大流量高壓水基電液比例閥，并借鑒油基電液比例閥的控制算法，提高水基電液比例閥的控制精度；② 通過(guò)智能優(yōu)化控制算法預(yù)估每次動(dòng)作的提前量，確保實(shí)際停止位置為目標(biāo)位置。

1.2 液壓支架快速跟機(jī)技術(shù)

液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)在工程應(yīng)用時(shí)極大程度地減少了工作面人數(shù)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)工作面智能化、少人化開(kāi)采提供了良好的基礎(chǔ)。但就現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，自動(dòng)跟機(jī)相較于人工控制速度慢，且推移不到位、丟架等情況時(shí)有發(fā)生，原因在于：① 跟機(jī)工藝不合理，未考慮工序并列運(yùn)行的情況，且動(dòng)作時(shí)間設(shè)置不合理，導(dǎo)致跟機(jī)速度慢；② 供液系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)多支架動(dòng)作時(shí)，工作面壓力急劇下降，不可避免地存在支架動(dòng)作速度慢、推移不到位的情況；③ 移架工序設(shè)計(jì)不合理，以降柱動(dòng)作時(shí)間確定降柱距離，容易導(dǎo)致降柱距離過(guò)大時(shí)延長(zhǎng)移架時(shí)間，而降柱距離過(guò)小時(shí)拉架不到位。因此，應(yīng)從優(yōu)化跟機(jī)工藝、穩(wěn)壓供液、快速移架等方面提高跟機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)液壓支架快速跟機(jī)。

1.2.1 優(yōu)化跟機(jī)工藝

為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單地質(zhì)條件工作面智能化、少人化開(kāi)采，我國(guó)率先在薄及中厚煤層實(shí)現(xiàn)了液壓支架自動(dòng)跟機(jī)+工作面可視化運(yùn)行的開(kāi)采模式，如陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司一號(hào)煤礦、陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)檸條塔煤礦）等。檸條塔煤礦S1202工作面液壓支架跟機(jī)工藝如圖7所示。學(xué)者們從工序順序優(yōu)化和工序動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)2個(gè)方面提高跟機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)快速跟機(jī)。

工序順序優(yōu)化方面，高衛(wèi)勇等[20]以廣泛應(yīng)用的全截深雙向割煤為例，將跟機(jī)工藝分為機(jī)頭、中部和機(jī)尾3個(gè)區(qū)間，并分區(qū)間給出基于采煤機(jī)位置前后若干液壓支架工序的動(dòng)作時(shí)間及先后順序，在基于時(shí)序控制的自動(dòng)跟機(jī)工藝方面進(jìn)行了初步探索。雷照源等[21]考慮圍巖環(huán)境對(duì)跟機(jī)工藝的影響，提出了液壓支架自適應(yīng)控制方法，如遇到工作面底板松軟時(shí)，移架和抬底工序并列運(yùn)行，從而減少移架時(shí)間。劉清等[22]為解決因采煤機(jī)速度快而造成的自動(dòng)移架與推溜動(dòng)作區(qū)域重合、割三角煤前需推直刮板輸送機(jī)等存在沖突工序的問(wèn)題，重新匹配了各工序的優(yōu)先級(jí)及運(yùn)行邏輯。

工序動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)方面，李昊等[23]采用數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法給出每個(gè)工序合理的動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)更新。王虹等[24]開(kāi)發(fā)了基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，將移架時(shí)間與工作面傾角作為輸入，移架距離作為輸出，獲得移架時(shí)間與距離的關(guān)系。牛劍峰等[25]將傳感器感知技術(shù)引入工序動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)中，將傳感器感知的設(shè)備狀態(tài)作為自動(dòng)跟機(jī)的控制邏輯，將先前固化的跟機(jī)流程變?yōu)橐原h(huán)境、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)為判斷條件的動(dòng)態(tài)流程。

通過(guò)優(yōu)化工序順序、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工序動(dòng)作時(shí)間等方法，提高了自動(dòng)跟機(jī)工藝對(duì)采場(chǎng)環(huán)境、裝備狀態(tài)的適應(yīng)性，有效縮短了液壓支架跟機(jī)時(shí)間，提高了裝備自動(dòng)化率，加快了跟機(jī)速度。檸條塔煤礦S1202工作面采煤機(jī)、液壓支架自動(dòng)化率達(dá)90%以上，常態(tài)化割煤速度達(dá)8 m/min，如圖8所示。

圖 7 檸條塔煤礦S1202工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)工藝Fig. 7 Automatic follow-up process of hydraulic support in S1202 working face of Ningtiaota Coal Mine

圖 8 檸條塔煤礦S1202工作面某日跟機(jī)自動(dòng)化率Fig. 8 Automation rate of follow-up in S1202 working face of Ningtiaota Coal Mine on a certain day

液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)在工程應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：① 液壓支架無(wú)法根據(jù)采煤機(jī)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整跟機(jī)工藝，目前采用的單架依次順序式自動(dòng)跟機(jī)工藝支護(hù)效果好，但跟機(jī)速度慢，限制了采煤機(jī)牽引速度的提高；② 受傳感器感知技術(shù)、通信技術(shù)、邊緣端數(shù)據(jù)處理能力等制約，基于設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)跟機(jī)工藝仍處于理論研究階段，尚無(wú)工程實(shí)例。

1.2.2 穩(wěn)壓供液技術(shù)

工作面液壓系統(tǒng)的供液動(dòng)力直接影響液壓支架執(zhí)行動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力、速度、穩(wěn)定性等。當(dāng)工作面過(guò)長(zhǎng)時(shí)，主進(jìn)液管壓降大，主回液阻力大，遠(yuǎn)離泵站端的液壓支架動(dòng)作會(huì)因壓力不足而出現(xiàn)丟架現(xiàn)象。工作面常采用網(wǎng)絡(luò)式供液系統(tǒng)（圖9），以降低壓力損失，保障工作面供液壓力的穩(wěn)定性，從而提高工作面整體液壓支架的移架速度。

圖 9 工作面網(wǎng)絡(luò)式供液系統(tǒng)Fig. 9 Networked liquid supply system in working face

學(xué)者們通過(guò)控制乳化液泵站壓力的恒定實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓供液。Liu Chang等[26]指出泵站供液模塊是純滯后二階大慣性環(huán)節(jié)，常規(guī)PID控制器無(wú)法滿足恒壓供液的需求，提出采用模糊免疫PID控制器實(shí)現(xiàn)泵站恒壓供液。模糊免疫PID控制器原理如圖10所示。免疫調(diào)節(jié)模塊接收泵站壓力u（即控制信號(hào)）和壓力變化率du/dt，輸出比例參數(shù)kp；模糊推理模塊接收控制誤差e和誤差變化率de/dt，輸出積分參數(shù)ki、微分參數(shù)kd，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定，提高系統(tǒng)抗干擾能力和魯棒性。Tan Chao 等[27]對(duì)泵站與液壓支架動(dòng)作進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，采用埃爾曼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)出口壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的啟?？刂?。付翔等[28]提出多泵變頻供液方法，在液壓支架動(dòng)作工序前增加供液工藝，使所供流量滿足后續(xù)動(dòng)作要求，并采用動(dòng)作與供液工序交疊控制的邏輯，減少液壓支架動(dòng)作的等待時(shí)間。

圖 10 模糊免疫PID控制器工作原理Fig. 10 Operating principle of fuzzy immune PID controller

通過(guò)上述方式可實(shí)現(xiàn)泵站壓力、工作面供液系統(tǒng)壓力恒定控制，但未考慮多支架協(xié)同動(dòng)作時(shí)，供給每臺(tái)液壓支架的壓力、流量均會(huì)受到影響，從而影響液壓支架動(dòng)作速度及效果。

1.2.3 快速移架技術(shù)

一般認(rèn)為，可以通過(guò)減少推移時(shí)間或升降柱時(shí)間來(lái)提高移架速度，實(shí)現(xiàn)快速移架。在減少推移時(shí)間方面，目前主流的方法是將大采高液壓支架的推移油缸倒置略傾斜安裝，在保證移架力大于推溜力的前提下，提供一定的向上抬底力，避免出現(xiàn)扎底情況，減少推移時(shí)間。在減少升降柱時(shí)間方面，分析影響升降柱速度的因素并通過(guò)改進(jìn)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)提高動(dòng)作速度是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

黃蕾等[29]采用AMESim軟件建立了液壓支架仿真模型，研究泵站流量、降柱距離、供液管徑等因素對(duì)移架速度的影響，結(jié)果表明：增加流量可提高升柱速度，對(duì)降柱影響不大；減小降柱距離、加大供液管徑可明顯提高降升柱速度。王巍等[30]將無(wú)桿腔的油口改為雙口，增加的油口通過(guò)單向閥與主回液管相連，使得回液阻力減小，降柱速度明顯加快，升柱時(shí)間變化不大。張良等[31]通過(guò)快速交替閥實(shí)現(xiàn)快速降柱，活塞腔回液經(jīng)液控單向閥后直接通過(guò)交替閥進(jìn)入主回管路，此時(shí)主閥短路，交替閥通流面積明顯大于主閥回液通道面積，可大幅提高降柱速度。

采用增大乳化液泵站工作壓力、增加多臺(tái)泵提高工作流量的方式來(lái)加快移架速度存在以下難題：① 遠(yuǎn)距離高壓流體輸送技術(shù)中的壓降大和高壓產(chǎn)生的爆管問(wèn)題短期內(nèi)難以解決；② 增大工作壓力、流量會(huì)相應(yīng)地增加油液管路通徑，造成管路布置困難。

2 解決難題的技術(shù)途徑

針對(duì)液壓支架精準(zhǔn)推移和快速跟機(jī)技術(shù)存在的問(wèn)題，給出解決供液系統(tǒng)壓力波動(dòng)大、推移動(dòng)作控制精度低、跟機(jī)效果差、跟機(jī)速度慢等難題的有效技術(shù)途徑。

（1） 工作面供液系統(tǒng)恒壓控制。在每臺(tái)液壓支架進(jìn)液端增加壓力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（蓄能器），以減小供液系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，補(bǔ)償壓力損失，保證系統(tǒng)穩(wěn)定供液，達(dá)到液壓支架動(dòng)作時(shí)油液壓力、流量變化不大的目的。

在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中，可認(rèn)為工作面供液系統(tǒng)阻尼、負(fù)載等環(huán)境參數(shù)變化不大。當(dāng)液壓支架動(dòng)作過(guò)程中外部環(huán)境參數(shù)（壓力、流量、系統(tǒng)阻尼、負(fù)載等）變化較小時(shí)，認(rèn)為每次液壓支架動(dòng)作的速度、位移超調(diào)不變或在工業(yè)誤差允許范圍內(nèi)小幅變化，為實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)推移和快速跟機(jī)提供基礎(chǔ)條件。

（2） 提高液壓支架推移控制精度。采用一種帶位置反饋的電磁換向閥控缸位置控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器感知油液壓力、流量、活塞桿位移等狀態(tài)參數(shù)，采用智能優(yōu)化控制算法預(yù)估到達(dá)目標(biāo)位置的提前量，超前控制換向閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)動(dòng)作控制。

因液壓支架動(dòng)作時(shí)外部環(huán)境變化不大，若確保每次換向閥切換時(shí)液壓缸均處于勻速運(yùn)動(dòng)階段，在一定環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行多次試驗(yàn)并將結(jié)果用于樣本學(xué)習(xí)，可得到該環(huán)境條件下的提前量。經(jīng)過(guò)多次迭代學(xué)習(xí)，可提高預(yù)估提前量的精準(zhǔn)度，超前控制換向閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制。同時(shí)，也可保證在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)完成液壓支架動(dòng)作，減少推移不到位、丟架等現(xiàn)象，為后續(xù)自動(dòng)跟機(jī)工藝設(shè)計(jì)提供便利。

（3） 保障液壓支架自動(dòng)跟機(jī)效果?；跁r(shí)序的自動(dòng)跟機(jī)控制無(wú)法適應(yīng)圍巖、供液系統(tǒng)等各種環(huán)境參數(shù)的變化，因此采用基于設(shè)備感知+時(shí)序控制的跟機(jī)策略，以傳感器感知的設(shè)備狀態(tài)為判斷條件，優(yōu)先控制液壓支架動(dòng)作，并在工作中根據(jù)環(huán)境參數(shù)、人工操作數(shù)據(jù)優(yōu)化跟機(jī)移架的工藝節(jié)拍。

基于安裝在立柱下腔和推移油缸無(wú)桿腔的壓力傳感器、推移油缸行程傳感器感知的液壓支架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)控制液壓支架動(dòng)作。采用立柱壓力判斷降柱、升柱工序的結(jié)束時(shí)刻，結(jié)合推移油缸壓力和位置判斷移架、推溜工序的結(jié)束時(shí)刻。通過(guò)上述方式，降低液壓支架動(dòng)作不到位等情況出現(xiàn)的概率，減少工作面人數(shù)，實(shí)現(xiàn)少人化開(kāi)采。同時(shí)，可以減少各工序的等待時(shí)間，提高液壓支架的自動(dòng)跟機(jī)速度。

（4） 提高工作面整體跟機(jī)速度。目前工作面自動(dòng)跟機(jī)常采用單架依次順序式移架，支護(hù)效果好，但移架速度慢；分組間隔交錯(cuò)式支護(hù)效果略差，但移架速度快，適用于煤層地質(zhì)條件好、采煤機(jī)割煤速度快的情況?？刹扇』诓擅簷C(jī)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整的移架方式，在支護(hù)效果與移架速度間找到平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速跟機(jī)。

先根據(jù)工作面地質(zhì)條件，確定可以采用的移架方式，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得不同移架方式對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)割煤速度范圍。自動(dòng)跟機(jī)程序根據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)速度，按照預(yù)設(shè)的移架方式自動(dòng)跟機(jī)，增強(qiáng)工作面裝備間的協(xié)調(diào)性和對(duì)采場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)液壓支架快速跟機(jī)和工作面快速推進(jìn)。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（1） 集中-分布式敏捷高效供液。在現(xiàn)有乳化液泵站集中供液的基礎(chǔ)上，研究分布式液壓支架獨(dú)立自供液壓力、流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架動(dòng)作的高效敏捷供液，保障液壓支架動(dòng)作穩(wěn)定性和快速性。

（2） 液壓支架控制器邊緣計(jì)算能力提高。為實(shí)現(xiàn)基于液壓支架精準(zhǔn)推移與快速跟機(jī)的智能化開(kāi)采，邊緣端需要處理的數(shù)據(jù)量顯著增加。傳感器數(shù)據(jù)高頻采集、智能優(yōu)化控制算法快速處理、控制信號(hào)高速傳輸都要求液壓支架端具有優(yōu)秀的邊緣數(shù)據(jù)采集和處理能力，因此液壓支架控制器邊緣計(jì)算能力的日益提高是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

（3） 跟機(jī)控制策略對(duì)采場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性增強(qiáng)。與現(xiàn)有固化單一的跟機(jī)控制策略不同，未來(lái)跟機(jī)策略對(duì)采場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性將明顯增強(qiáng)，液壓支架動(dòng)作不到位、過(guò)飽和動(dòng)作情況將大幅減少，工作面人數(shù)顯著減少，為提高簡(jiǎn)單地質(zhì)條件煤層的智能化水平、實(shí)現(xiàn)少人化開(kāi)采提供技術(shù)保障。同時(shí)，對(duì)較復(fù)雜地質(zhì)條件煤層實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采具有積極意義。

（4） 采場(chǎng)-裝備動(dòng)態(tài)耦合與跟隨控制。當(dāng)前，智能化工作面普遍存在“提智不提效”的現(xiàn)象，這是由于現(xiàn)有的智能化開(kāi)采技術(shù)從單一問(wèn)題出發(fā)，未考慮其與采場(chǎng)環(huán)境、工作面裝備群的動(dòng)態(tài)耦合。未來(lái)需增強(qiáng)乳化液泵站、液壓支架、采煤機(jī)等工作面裝備與采場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性與協(xié)調(diào)性，提高工作面智能化開(kāi)采水平，做到“提智亦提效”。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓支架精準(zhǔn)推移和快速跟機(jī)作為實(shí)現(xiàn)工作面智能化開(kāi)采的前提，學(xué)者們已對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩成果。但智能化開(kāi)采對(duì)裝備運(yùn)行的精度、速度要求越來(lái)越高，未來(lái)應(yīng)著重從裝備間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合、增強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性等方面，切實(shí)提高工作面智能化水平，保障工作面穩(wěn)定、協(xié)同、連續(xù)推進(jìn)，大幅提高工作面運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效。