第10卷第5期 智能系统学报 Vol.10 No.5 2015年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2015 D0I:10.11992/is.201406047 网s络出版地址：htp:/www.cmki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20150827.1018.006.html 模糊PD的超前支护装备支撑力自动控制系统 毛君，郑广辉，谢苗，潘德文 (辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000) 摘要：针对综掘巷道在开采过程中对临时支护设备支撑力控制系统的性能要求，采用了理论分析与实验研究相结 合及对比研究的方法，分析了超前支护装备支撑力自动控制的原理，构造了由电液伺服阀和液压缸组成的控制对象 的数学模型：设计了支撑力自动控制的模糊PD控制器，进行了仿真对比研究，证明了模糊PD控制要优于常规PD 控制：在超前支护装备模拟实验平台上进行了实验研究。结果表明本文基于模糊PD支撑力自动控制系统能够对 超前支护装备的支撑力进行很好地控制，具有较好的响应特性和稳定性。 关键词：超前支护：支撑力：模糊PD:对比仿真：实验研究 中图分类号：TP273.4文献标志码：A文章编号：1673-4785(2015)05-0762-07 中文引用格式：毛君，郑广辉，谢苗，等.模糊PD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. 英文引用格式：MAO Jun,.ZHENG Guanghui,XIE Miao,etal.Fuzy-PID based automatic support force control system of advance supporting equipment[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(5):762-768. Fuzzy-PID based automatic support force control system of advance supporting equipment MAO Jun,ZHENG Guanghui,XIE Miao,PAN Deweng (School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China) Abstract:According to the performance requirements for an automatic support force control system of temporary support equipment in the mining process in roadway,this paper uses a comparative research method,and combines theoretical analysis and experimental study methods.It analyzes the principle of automatic support force control sys- tems in advance supporting equipment.The mathematical model of control object,an electro hydraulic servo valve and a hydraulic cylinder,was constructed,and a fuzzy-PID controller for automatic control of supporting force was designed.Through comparitive simulation,it was found that the fuzzy-PID control is better than the conventional PID control.An experiment was conducted on the simulation platform of the advance supporting equipment.From the experiment results,it can be seen that the fuzzy-PID based automatic control system of supporting force can work very well,and it has good response characteristic and stability. Keywords:advance supporting;support force;fuzzy-PID;comparison simulation;experimental research 液压迈步式超前支护装备（以下简称“超前支量。近些年以来，模糊PD控制一直以其响应速 护装备”)主要应用于综掘巷道的临时支护，能够有度快、调节时间短、超调量和稳态误差小，适应能力 效保障巷道安全、高效、快速掘进山。随着开采的 极强的优点广泛应用于工业控制中[]。2004年，蒋 进行，围岩很容易发生大变形，甚至出现破裂、碎裂 伟[)首次提出了在电液伺服系统中应用模糊PD 和整体失稳等严重现象[2)。这就要求超前支护装 控制算法。2011年，史文萍)首次在液压支架控制 备的支撑力具有充分的柔度以适应围岩应力动态变 中引入模糊PD控制算法，构成了性能稳定的系 化，且能够有效减小迈步交替支撑时对顶板的扰动 统，为液压支架的控制系统的设计提供了一条新的 思路。本文结合前人的研究成果，首次将模糊PD 收稿日期：2014-06-23.网络出版日期：2015-08-27. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51304107). 控制算法应用于超前支护设备的支撑力控制中，对 通信作者：郑广辉.E-mail:zgh910409@163.com第 １０ 卷第 ５ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０ №．５ ２０１５ 年 １０ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｃｔ． ２０１５ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１４０６０４７ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１５０８２７．１０１８．００６．ｈｔｍｌ 模糊 ＰＩＤ 的超前支护装备支撑力自动控制系统 毛君，郑广辉，谢苗，潘德文 （辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 １２３０００） 摘 要：针对综掘巷道在开采过程中对临时支护设备支撑力控制系统的性能要求，采用了理论分析与实验研究相结 合及对比研究的方法，分析了超前支护装备支撑力自动控制的原理，构造了由电液伺服阀和液压缸组成的控制对象 的数学模型；设计了支撑力自动控制的模糊 ＰＩＤ 控制器，进行了仿真对比研究，证明了模糊 ＰＩＤ 控制要优于常规 ＰＩＤ 控制；在超前支护装备模拟实验平台上进行了实验研究。 结果表明本文基于模糊 ＰＩＤ 支撑力自动控制系统能够对 超前支护装备的支撑力进行很好地控制，具有较好的响应特性和稳定性。 关键词：超前支护；支撑力；模糊 ＰＩＤ；对比仿真；实验研究 中图分类号：ＴＰ２７３．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１５）０５⁃０７６２⁃０７ 中文引用格式：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． 英文引用格式：ＭＡＯ Ｊｕｎ， ＺＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇｈｕｉ， ＸＩＥ Ｍｉａｏ，ｅｔ ａｌ． Ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ ｂａｓｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５，１０（５）： ７６２⁃７６８． Ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ ｂａｓｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＭＡＯ Ｊｕｎ， ＺＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇｈｕｉ， ＸＩＥ Ｍｉａｏ， ＰＡＮ Ｄｅｗｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｆｕｘｉｎ １２３０００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｒｏａｄｗａｙ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｓ ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓ⁃ ｔｅｍｓ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｂｊｅｃｔ， ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ， ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ， ａｎｄ ａ ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ ｂａｓｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｖｅｒｙ ｗｅｌｌ， ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｄｖａｎｃｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ； ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ； ｆｕｚｚｙ⁃ＰＩＤ； ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ 收稿日期：２０１４⁃０６⁃２３． 网络出版日期：２０１５⁃０８⁃２７． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３０４１０７）． 通信作者：郑广辉． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｇｈ９１０４０９＠ １６３．ｃｏｍ． 液压迈步式超前支护装备（以下简称“超前支 护装备”）主要应用于综掘巷道的临时支护，能够有 效保障巷道安全、高效、快速掘进［１］ 。 随着开采的 进行，围岩很容易发生大变形，甚至出现破裂、碎裂 和整体失稳等严重现象［２⁃３］ 。 这就要求超前支护装 备的支撑力具有充分的柔度以适应围岩应力动态变 化，且能够有效减小迈步交替支撑时对顶板的扰动 量［４］ 。 近些年以来，模糊 ＰＩＤ 控制一直以其响应速 度快、调节时间短、超调量和稳态误差小，适应能力 极强的优点广泛应用于工业控制中［５］ 。 ２００４ 年，蒋 伟［６］首次提出了在电液伺服系统中应用模糊 ＰＩＤ 控制算法。 ２０１１ 年，史文萍［７］首次在液压支架控制 中引入模糊 ＰＩＤ 控制算法，构成了性能稳定的系 统，为液压支架的控制系统的设计提供了一条新的 思路。 本文结合前人的研究成果，首次将模糊 ＰＩＤ 控制算法应用于超前支护设备的支撑力控制中，对