第5期 毛君，等：模糊PD的超前支护装备支撑力自动控制系统 ·767. 有效支撑，并且保证顶板受力基本保持稳定。样机 动影响较大，支撑力与预期值最大误差为117.3N; 上安装有位移、压力、油压等传感器和电控装置。 在其他时间段支撑力与预期值呈波动平衡态，最小 3)测量基准框架不受实验加载力和框架设备 误差13.5N。 变形影响，为实现系统的不同测量面提供相对地面 2)由于迈步支撑组立柱执行“卸载一迈步一加 的水平和垂直测量基准点。 载”的过程，支撑力的较大波动的出现在立柱刚刚 4.2过波状态下支撑力自动控制实验 开始脱离顶板和即将完全支撑顶板2个阶段，即图 实验过程中，由模拟顶板进行模拟顶板工况加 中0~1.5s和26~28s2个时间段，在这2个阶段中 载，超前支护样机完成一个完整的迈步过程，由计算 立柱受顶板负载影响较大，与预期值最大误差为 机截取过渡态动作28s为测试时间，然后利用数据 102.7N;在其他时间段，支撑力与预期值呈波动平 采集设备，实时采集安装在超前支护样机两组立柱 衡态，最小误差为11.3N。 上的压力传感器的数值，以此来监测支撑力的变化 所以，从实验结果来看，基于模糊PD的支撑 状况。 力自动控制系统可以很好地对超前支护装备支撑力 通过实验得到超前支护实验样机处在过渡态时 进行自动控制，被控系统的动态响应速度和超调量 各组立柱支撑力的数据，将数据处理绘制成图 得到了较好的控制，系统的动静态性能、抗干扰能力 9-10。 及对参数的时变鲁棒性均得到较大的提高。 5结束语 -预期输出值 一实际输出值 1)分析了超前支护装备支撑力的自动控制原 理并设计了一种智能模糊PD控制器。通过利用 MATLAB/Simulink仿真分析可知，模糊PID控制较 常规PD控制具有更加优越的性能，超调量小，响 应时间快。 036912151821242730 Us 2)通过在超前支护装备模拟实验平台上进行 图9因定支撑组立柱支撑力变化曲线 的模拟实验研究，证明本文基于模糊PD的支撑力 Fig.9 Fixed support column support force curve 控制系统可以很好地应用在超前支护装备上，响应 速度快，稳定，抗干扰能力强，能够对超前支护装备 --预期输出值 的支撑力进行良好地自动控制。 实际输出值 参考文献： [1]齐占波，王字，王土伟.煤矿巷道掘进成套设备及施工 工艺研究[J].煤炭技术，2010,29(9)：60-62. QI Zhanbo,WANG Yu,WANG Shiwei.Research on coal- 6912151821242730 mining laneway excavating whole sets and constructing tech- s niques[J].Coal Technology,2010,29(9):60-62. 图10迈步组立柱支撑力变化曲线 [2]JACOBI O.Testing the suitability of face roof Supports- Fig.10 Move column support force curve Duty of the research institute for mine supports and rock me- 从2组立柱支撑力的实验数据可以看出，在为 chanics[J].Bergbau and Energie,1974,110 (5 ) 期28s的过渡过程中，2组立柱的支撑力均围绕预 159-164. 期值小范围波动，波动频率高（即支撑力自动调整 [3]叶明亮.采场顶板破断规律及其应力状态的研究[J].贵 时间快)，变化趋势能够紧密跟随支撑力预期值的 州工业大学学报，1998,27(3)：13-22 变化，其中： YE Mingliang.Study of the rupture pattern and stress of the roof rock in aworkplace[.Journal of Guizhou University of 1)固定支撑组立柱的支撑力出现较大波动发 Technology,1998,27(3):13-22. 生在5~7s时间段内，因为在此时间段内，迈步组立 [4]鹿志发.浅埋深煤层顶板力学结构与支架适应性研究 柱逐渐完全脱离顶板，超前支护装备由双组支撑变 [D].北京：煤炭科学研究总院，2007：16-22. 为单组支撑，固定支撑组立柱受顶板负载及其他振 LU Zhifa.Study on strata mechanical structure and support有效支撑，并且保证顶板受力基本保持稳定。 样机 上安装有位移、压力、油压等传感器和电控装置。 ３）测量基准框架不受实验加载力和框架设备 变形影响，为实现系统的不同测量面提供相对地面 的水平和垂直测量基准点。 ４．２ 过渡状态下支撑力自动控制实验 实验过程中，由模拟顶板进行模拟顶板工况加 载，超前支护样机完成一个完整的迈步过程，由计算 机截取过渡态动作 ２８ ｓ 为测试时间，然后利用数据 采集设备，实时采集安装在超前支护样机两组立柱 上的压力传感器的数值，以此来监测支撑力的变化 状况。 通过实验得到超前支护实验样机处在过渡态时 各组立 柱 支 撑 力 的 数 据， 将 数 据 处 理 绘 制 成 图 ９～１０。 图 ９ 固定支撑组立柱支撑力变化曲线 Ｆｉｇ．９ Ｆｉｘｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｃｏｌｕｍｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｃｕｒｖｅ 图 １０ 迈步组立柱支撑力变化曲线 Ｆｉｇ．１０ Ｍｏｖｅ ｃｏｌｕｍｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｃｕｒｖｅ 从 ２ 组立柱支撑力的实验数据可以看出，在为 期 ２８ ｓ 的过渡过程中，２ 组立柱的支撑力均围绕预 期值小范围波动，波动频率高（即支撑力自动调整 时间快），变化趋势能够紧密跟随支撑力预期值的 变化，其中： １）固定支撑组立柱的支撑力出现较大波动发 生在 ５～７ ｓ 时间段内，因为在此时间段内，迈步组立 柱逐渐完全脱离顶板，超前支护装备由双组支撑变 为单组支撑，固定支撑组立柱受顶板负载及其他振 动影响较大，支撑力与预期值最大误差为 １１７．３ Ｎ； 在其他时间段支撑力与预期值呈波动平衡态，最小 误差 １３．５ Ｎ。 ２）由于迈步支撑组立柱执行“卸载—迈步—加 载”的过程，支撑力的较大波动的出现在立柱刚刚 开始脱离顶板和即将完全支撑顶板 ２ 个阶段，即图 中 ０～１．５ ｓ 和 ２６～２８ ｓ ２ 个时间段，在这 ２ 个阶段中 立柱受顶板负载影响较大，与预期值最大误差为 １０２．７ Ｎ ；在其他时间段，支撑力与预期值呈波动平 衡态，最小误差为 １１．３ Ｎ。 所以，从实验结果来看，基于模糊 ＰＩＤ 的支撑 力自动控制系统可以很好地对超前支护装备支撑力 进行自动控制，被控系统的动态响应速度和超调量 得到了较好的控制，系统的动静态性能、抗干扰能力 及对参数的时变鲁棒性均得到较大的提高。 ５ 结束语 １）分析了超前支护装备支撑力的自动控制原 理并设计了一种智能模糊 ＰＩＤ 控制器。 通过利用 ＭＡＴＬＡＢ ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真分析可知，模糊 ＰＩＤ 控制较 常规 ＰＩＤ 控制具有更加优越的性能，超调量小，响 应时间快。 ２）通过在超前支护装备模拟实验平台上进行 的模拟实验研究，证明本文基于模糊 ＰＩＤ 的支撑力 控制系统可以很好地应用在超前支护装备上，响应 速度快，稳定，抗干扰能力强，能够对超前支护装备 的支撑力进行良好地自动控制。 参考文献： ［１］齐占波， 王宇， 王士伟． 煤矿巷道掘进成套设备及施工 工艺研究［Ｊ］． 煤炭技术， ２０１０， ２９（９）： ６０⁃６２． ＱＩ Ｚｈａｎｂｏ， ＷＡＮＧ Ｙｕ， ＷＡＮＧ Ｓｈｉｗｅｉ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏａｌ⁃ ｍｉｎｉｎｇ ｌａｎｅｗａｙ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｗｈｏｌｅ ｓｅｔｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈ⁃ ｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］． Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１０， ２９（９）： ６０⁃６２． ［２］ ＪＡＣＯＢＩ Ｏ． Ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｆａｃｅ ｒｏｏｆ Ｓｕｐｐｏｒｔｓ— Ｄｕｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ｍｉｎｅ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍｅ⁃ ｃｈａｎｉｃｓ ［ Ｊ ］． Ｂｅｒｇｂａｕ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｉｅ， １９７４， １１０ （ ５ ）： １５９⁃１６４． ［３］叶明亮． 采场顶板破断规律及其应力状态的研究［Ｊ］． 贵 州工业大学学报， １９９８， ２７（３）： １３⁃２２． ＹＥ Ｍｉｎｇｌｉａｎｇ． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｐｔｕｒｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｒｏｃｋ ｉｎ ａｗｏｒｋｐｌａｃｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １９９８， ２７（３）： １３⁃２２． ［４］鹿志发． 浅埋深煤层顶板力学结构与支架适应性研究 ［Ｄ］． 北京： 煤炭科学研究总院， ２００７： １６⁃２２． ＬＵ Ｚｈｉｆａ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｒａｔａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ 第 ５ 期 毛君，等：模糊 ＰＩＤ 的超前支护装备支撑力自动控制系统 ·７６７·