基于粒子群算法的電液控制液壓支架自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法

李海鋒

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030032)

液壓支架作為煤礦綜采工作面關(guān)鍵機(jī)電裝備之一，是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要支護(hù)設(shè)備[1-2]。傳統(tǒng)的人工操作液壓支架升架、降架時(shí)，均靠人眼觀察降架、升架情況，動(dòng)作耗時(shí)通常比實(shí)際需要的要長(zhǎng)。裝有支架控制器的液壓支架[3-5]，在執(zhí)行降架、升架動(dòng)作時(shí)，通常按照控制中已設(shè)定的動(dòng)作來(lái)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，這種控制方式存在執(zhí)行動(dòng)作耗時(shí)多于實(shí)際所需時(shí)間的問(wèn)題。2015年于貴等[6]對(duì)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)行了支架機(jī)構(gòu)優(yōu)化。目前對(duì)液壓支架按照設(shè)定的動(dòng)作程序進(jìn)行動(dòng)作分析的方法及縮短支架動(dòng)作時(shí)間的技術(shù)研究較少。為了提高工作面自動(dòng)化及煤炭開(kāi)采效率[7-8]，對(duì)縮短液壓支架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行研究具有重要意義。

1 電液控制液壓支架控制回路及姿態(tài)分析

液壓支架的主要?jiǎng)幼饔薪导?、移架、升架和?/p>

移刮板輸送機(jī)[9-10]。電液控制液壓支架的動(dòng)作由乳化泵站提供高壓乳化液，通過(guò)支架電液控制系統(tǒng)控制不同功能的電磁轉(zhuǎn)向閥，進(jìn)而使液壓缸動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)支架機(jī)構(gòu)動(dòng)作，整個(gè)綜采工作面的支架共用一個(gè)泵站作為動(dòng)力源[11-12]。本文主要研究減少支架“降架—移架—升架”動(dòng)作時(shí)間的方法，涉及到的液壓缸主要有立柱、平衡千斤頂和推移千斤頂，這里稱(chēng)驅(qū)動(dòng)這3組液壓缸的電液控制回路為“降架—移架—升架”基本控制回路，如圖1所示。

1—平衡千斤頂；2—立柱；3—推移千斤頂；4—刮板輸送機(jī)； 5,6,7—電磁換向閥；8—泵站；9—支架控制器圖1 液壓支架“降架-移架-升架”動(dòng)作基本控制回路

液壓支架在降架后、升架前，即移架時(shí)的姿態(tài)稱(chēng)為支架的過(guò)渡姿態(tài)。如圖2所示，直線代表支架頂梁，曲線代表頂板曲線。

圖2 移架過(guò)渡姿態(tài)

在同一頂板條件下，滿足頂梁在移架時(shí)不會(huì)碰到頂板這個(gè)條件的過(guò)渡姿態(tài)有很多，必然存在一個(gè)過(guò)渡姿態(tài)使得“降架—移架—升架”動(dòng)作耗時(shí)最短。如下式所示：

(1)

(2)

2 粒子群算法及活動(dòng)空間

2.1 粒子群算法介紹

粒子群算法(POS)也稱(chēng)粒子群優(yōu)化算法，是一種基于模式的優(yōu)化算法，它通過(guò)追隨當(dāng)前最優(yōu)值來(lái)尋找全局最優(yōu)[13-15]。如圖3所示，在連續(xù)空間坐標(biāo)系中，粒子群算法的數(shù)學(xué)模型描述如下：

圖3 粒子群算法中各矢量之間的關(guān)系

(3)

(4)

2.2 粒子群算法流程

粒子群算法是一種并行算法，其基本步驟如下：

步驟1：初始化參數(shù)。在位置空間中隨機(jī)產(chǎn)生粒子的速度和位置。

步驟2：評(píng)價(jià)粒子。對(duì)每一個(gè)粒子評(píng)價(jià)為適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)值。

步驟3：更新最優(yōu)。比較粒子適用值與其個(gè)體的最優(yōu)值pbest，如果優(yōu)于pbest則該粒子的pbest位置就是當(dāng)前位置；比較粒子適用值與群體最優(yōu)值gbest，如果當(dāng)前值優(yōu)于gbest，則設(shè)置gbest位置為當(dāng)前粒子的位置。

步驟4：更新粒子。按照公式(3)和公式(4)更新粒子的位置和速度。

步驟5：終止條件。進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)執(zhí)行步驟2～4，直到滿足終止條件終止執(zhí)行，即滿足適用值和最大迭代代數(shù)。

粒子群算法的基本流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程

3 支架過(guò)渡姿態(tài)求解

3.1 適應(yīng)度函數(shù)

本文過(guò)渡姿態(tài)優(yōu)化求解，就是在液壓支架動(dòng)作過(guò)程中，“降架—移架—升架”的總時(shí)間最短，假定支架移架的時(shí)間不變，則目標(biāo)函數(shù)簡(jiǎn)化為降架和升架的總時(shí)間為最短，故目標(biāo)函數(shù)式為：

minT=T1+T2

(5)

式中，T1為降架時(shí)間，T2為升架時(shí)間，具體求解如式(1)和式(2)。

求解方法設(shè)計(jì)是本論文最重要的一部分，解決最優(yōu)過(guò)渡姿態(tài)問(wèn)題，即在液壓支架工作活動(dòng)區(qū)域內(nèi)求得某一特定姿態(tài)，使支架的“降架—移架—升架”動(dòng)作時(shí)間最短。通過(guò)支架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立一個(gè)二維解空間，粒子群算法中每個(gè)粒子都是一個(gè)潛在的解，在二維解區(qū)間內(nèi)，每一個(gè)粒子的位置問(wèn)題、速度向量、歷史最優(yōu)位置向量以及全局最優(yōu)位置向量均用δ,φ表示，則每個(gè)粒子的適應(yīng)度值為它們所處位置的T′(δ′,φ′)值。

3.2 實(shí)現(xiàn)步驟

步驟1：設(shè)置粒子種群的種群規(guī)模為n=20，隨機(jī)設(shè)置粒子的位置和速度。

步驟2：求第i個(gè)粒子的適應(yīng)度T′(δ′,φ′)。

步驟3：對(duì)于第i個(gè)粒子，若適應(yīng)度T′(δ′,φ′)優(yōu)于該粒子的最優(yōu)值pbest，則令pbest=T′(δ′,φ′)。

步驟4： 對(duì)于所有粒子，若某個(gè)粒子的適應(yīng)度優(yōu)于全局最優(yōu)gbest，則令gbest=T′(δ′,φ′)。

步驟5：根據(jù)公式(3)和公式(4)更新每個(gè)粒子的位置和速度。

步驟6：進(jìn)入迭代尋優(yōu)，重復(fù)步驟2～5，若達(dá)到最大迭代步驟或全局最優(yōu)解差距小于設(shè)定值，終止執(zhí)行。

4 仿真分析及驗(yàn)證

以ZY17300/32/70液壓支架為例，該支架采用雙伸縮立柱。在“降架—移架—升架”過(guò)程中，立柱中缸動(dòng)作優(yōu)先于活柱。支架外缸內(nèi)徑400mm，中缸外徑380mm，平衡千斤頂缸徑230mm，桿徑160mm。立柱下腔進(jìn)液流量為350L/min，中柱活塞腔進(jìn)液流量、平衡千斤頂下腔進(jìn)液流量和平衡千斤頂上腔進(jìn)液流量均為125L/min。代入速度計(jì)算公式(3)，可以得到降柱速度為0.05m/s，升柱速度為0.023m/s，平衡千斤頂伸出速度為0.05m/s，平衡千斤頂縮回速度為0.097m/s。

液壓支架在實(shí)際工作中，受頂板下沉等多種因素影響，采煤工作面每推進(jìn)一刀的支架姿態(tài)并不相同。根據(jù)液壓支架實(shí)際的工作狀態(tài)取10組數(shù)據(jù)，立柱長(zhǎng)度lLeg和平衡缸的長(zhǎng)度lBlc如表1所示。

表1 10組截割狀態(tài)的立柱長(zhǎng)度和平衡千斤頂長(zhǎng)度

運(yùn)用本文所述的粒子群算法，以表1為輸入條件，進(jìn)行10次求解，結(jié)果如表2至表6所示，表2為支架處于過(guò)渡姿態(tài)時(shí)期望的平衡千斤頂和立柱長(zhǎng)度，表3至表6按照降架、升架過(guò)程中立柱和平衡千斤頂?shù)膭?dòng)作順序排列，表3為立柱降柱，表4為降架時(shí)平衡千斤頂動(dòng)作情況，表5為升架時(shí)平衡千斤頂動(dòng)作情況，表6為立柱升柱。

同等型號(hào)的液壓支架和工況，根據(jù)傳統(tǒng)的控制方法，支架執(zhí)行“降架—移架—升架”動(dòng)作時(shí)不調(diào)整平衡千斤頂，僅降立柱，首先脫離頂板60mm，移架并升架。液壓支架動(dòng)作的兩種方法耗時(shí)如表7所示。

表2 10次移架時(shí)過(guò)渡姿態(tài)

表3 10次立柱降柱長(zhǎng)度變化和消耗時(shí)間

表4 10次降架平衡千斤頂長(zhǎng)度變化和消耗時(shí)間

表5 10次升架平衡千斤頂長(zhǎng)度變化和消耗時(shí)間

表6 10次立柱升柱長(zhǎng)度變化和消耗時(shí)間

表7 不同方法支架動(dòng)作耗時(shí)對(duì)比 s

表7中Ttr代表傳統(tǒng)方法液壓缸動(dòng)作時(shí)間。

從表7中可以看出耗時(shí)范圍在7～12s內(nèi)，平均耗時(shí)為8.23s。T為本論文采用的方法降架和升架總時(shí)間，平均耗時(shí)6.91s。Tsh為與傳統(tǒng)方法相比“降架—移架—升架”動(dòng)作縮短的時(shí)間。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于粒子群算法的電液控制液壓支架過(guò)渡姿態(tài)最優(yōu)求解算法，以降架和升架動(dòng)作總時(shí)

間為目標(biāo)函數(shù)，求解具有最短“降架—移架—升架”時(shí)間的最優(yōu)過(guò)渡姿態(tài)，進(jìn)而求得立柱和平衡千斤頂?shù)膭?dòng)作順序和伸縮量，通過(guò)該方法得到的“降架—移架—升架”動(dòng)作時(shí)間相對(duì)于傳統(tǒng)方法，總時(shí)間由平均8.23s左右縮短為平均6.91s左右，提升效率超過(guò)了20%。