一種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，該方法借助由控制器、數(shù)據(jù)采集裝置、第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀、第一電磁比例閥和第二電磁比例閥組成的檢控系統(tǒng)，利用加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器根據(jù)最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表優(yōu)選出最優(yōu)動(dòng)作方案，并采用PID控制規(guī)則對(duì)液壓支架位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)全姿態(tài)控制，通過(guò)控制器控制電磁比例閥的開(kāi)關(guān)和流量大小，以此調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液壓支架升架過(guò)程的快速水平升、降架以及工作面頂板傾斜時(shí)的智能貼頂，提升了液壓支架的升、移架速度及跟機(jī)速度；該系統(tǒng)同時(shí)具備位姿檢測(cè)與控制系統(tǒng)，功能更多，性能更好，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，屬于液壓支架技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在綜采工作面為了防止煤層頂板冒落，保證工作人員的安全和生產(chǎn)的正常進(jìn)行， 必須對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，液壓支架是煤礦綜采工作面必備的支護(hù)設(shè)備。我國(guó)許多煤礦都建立 了綜采自動(dòng)化生產(chǎn)面，并配備了綜采裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。對(duì)液壓支架進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠、形象直 觀的遠(yuǎn)程監(jiān)控，不但可W及時(shí)掌握液壓支架的準(zhǔn)確運(yùn)行狀態(tài)，還可W預(yù)測(cè)液壓支架支護(hù)質(zhì) 量，而且可W根據(jù)檢查結(jié)果調(diào)整支架的運(yùn)行參數(shù)，提高工作面支護(hù)穩(wěn)定性。
[0003] 液壓支架典型的工作循環(huán)包括升柱、支撐、降柱=個(gè)階段，在支架升柱階段，我們 希望液壓支架能自動(dòng)快速水平的上升，從而迅速接觸頂板進(jìn)入支撐階段，減小支架移架期 間的沉降；支撐階段，我們希望液壓支架能自動(dòng)適應(yīng)、貼合工作面傾斜頂板，從而保證支架 與頂板接觸良好，增強(qiáng)支架對(duì)頂板的控制力，防止支架出現(xiàn)低頭、高射炮等支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象； 降柱階段我們希望支架可W快速水平的降柱，從而實(shí)現(xiàn)快速推溜、拉架，加快支架的跟機(jī)速 度。目前針對(duì)液壓支架的位姿檢測(cè)與調(diào)整，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者展開(kāi)了不同的研究。
[0004] 例如，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN103899338A公開(kāi)了一種基于空間坐標(biāo)變換的液壓支架工作 姿態(tài)確定方法，該方法通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量支架構(gòu)件變化的傾角值，從而獲得四連桿液壓支架的 工作姿態(tài)，并實(shí)時(shí)測(cè)量液壓支架的底座、連桿和頂梁相對(duì)于參數(shù)坐標(biāo)系的傾斜角度，利用上 述=個(gè)角度值W及支架本身的幾何尺寸，采用建立參考坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系的方法計(jì)算出 支架當(dāng)前各構(gòu)件的位置、角度，W及驅(qū)動(dòng)油缸的長(zhǎng)度。
[0005] 公開(kāi)號(hào)為CN103968856A的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了 一種液壓支架位姿的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。該 方法使用=軸加速度傳感器和=軸巧螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量支架頂梁的位置、傾角的變化量，通過(guò) 積分的方式獲得液壓支架任意時(shí)刻的位姿。
[0006] 中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)為CN103899344B的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種液壓支架頂梁自適應(yīng)調(diào)平 方法，該方法通過(guò)傳感器檢測(cè)頂梁傾角利用盲動(dòng)試探方式對(duì)支架頂梁狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，該專(zhuān) 利從支架初撐階段開(kāi)始控制，具有一定的局限性，且該方案采用的盲動(dòng)試探法不僅試探比 較過(guò)程耗費(fèi)大量的時(shí)間，且極易出現(xiàn)支架在調(diào)整過(guò)程中步距不合適而造成支架持續(xù)振蕩位 姿，降低了支架支護(hù)工作的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)精度較差。
[0007] 雖然目前針對(duì)液壓支架位姿的檢測(cè)方法有很多種，但是運(yùn)些方法僅僅解決了如何 獲取液壓支架位姿數(shù)據(jù)，且檢測(cè)數(shù)據(jù)較多，受環(huán)境因素影響較大，檢測(cè)精度較差;在控制方 法上，現(xiàn)有的支架位姿控制方法往往采用盲動(dòng)試探方法對(duì)支架的位姿進(jìn)行控制，控制過(guò)程 繁瑣且精度低，支架位姿調(diào)整時(shí)易于出現(xiàn)振蕩，無(wú)法快速、精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)液壓支架在升柱、支 撐、降柱階段的位姿調(diào)節(jié)，因此，有必要設(shè)計(jì)一種高效率、精度調(diào)節(jié)液壓支架位姿的控制方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方 法。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0010] -種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，所述方法包括主要由控制器、 數(shù)據(jù)采集裝置、第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀、第一電磁 比例閥和第二電磁比例閥組成的檢控系統(tǒng)，所述第一加速度傳感器設(shè)置在液壓支架的底座 上，第二加速度傳感器設(shè)置在液壓支架的后連桿上，行程傳感器設(shè)置在液壓支架的平衡千 斤頂內(nèi)部，激光測(cè)距儀設(shè)置在液壓支架的立柱上，第一電磁比例閥設(shè)置在液壓支架平衡千 斤頂液壓控制回路上，第二電磁比例閥設(shè)置在液壓支架立柱液壓控制回路上，所述第一加 速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀均與數(shù)據(jù)采集裝置連接，數(shù)據(jù)采 集裝置與控制器連接，控制器還連接第一電磁比例閥和第二電磁比例閥，所述方法包括W 下步驟，
[0011] (1)信號(hào)采集:將第一加速度傳感器測(cè)量的底座加速度、第二加速度傳感器測(cè)量的 后連桿加速度、行程傳感器測(cè)取的平衡千斤頂長(zhǎng)度、激光測(cè)距儀測(cè)取的立柱長(zhǎng)度傳輸給數(shù) 據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波處理后得到加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)，并將 加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)傳輸給控制器；
[0012] (2)數(shù)據(jù)處理:控制器根據(jù)接收到的加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出液壓支架底座 的實(shí)時(shí)傾角、后連桿與底座的夾角W及液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿，并輸出液壓支架的實(shí)時(shí)行 為位姿;然后，控制器根據(jù)液壓支架操作人員動(dòng)作指令及工作面頂板傾角，計(jì)算出液壓支架 所要達(dá)到的最終位姿，并對(duì)比液壓支架當(dāng)前行為位姿得出位移差，再根據(jù)最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表， W液壓支架動(dòng)作速度最快、用液量最省原則智能判定出液壓支架最優(yōu)動(dòng)作方案，控制器根 據(jù)位移差及設(shè)定的步進(jìn)次數(shù)，計(jì)算出液壓支架階段步進(jìn)值，并將階段步進(jìn)值設(shè)定為控制器 的階段目標(biāo)參數(shù)值；
[0013] (3)PID控制運(yùn)算:控制器將階段目標(biāo)參數(shù)值與行程傳感器和激光測(cè)距儀的實(shí)時(shí)檢 測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，獲取階段目標(biāo)參數(shù)值與實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的差值；
[0014] (4)指令輸出：控制器根據(jù)步驟(3)所述的差值，輸出第一電磁比例閥、第二電磁比 例閥的控制信號(hào)，控制信號(hào)控制第一電磁比例閥、第二電磁比例閥的運(yùn)動(dòng)方向和開(kāi)口度大 小W改變進(jìn)出平衡千斤頂及立柱的流量，從而改變平衡千斤頂及立柱的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)液壓支 架的位姿誤差反饋控制，使液壓支架逐步到達(dá)最終位姿。
[0015] 優(yōu)選的，步驟(1)中，所述濾波處理是指數(shù)據(jù)采集裝置采用中值濾波法對(duì)第一加速 度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器和激光測(cè)距儀對(duì)傳輸給數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)進(jìn) 行濾波處理，其具體過(guò)程包括:連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，然后用堆序法原理對(duì)采集的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行 排序，找出N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算剩余的N-2個(gè)數(shù)據(jù) 的算術(shù)平均值，N取為3-14。
[0016] 優(yōu)選的，步驟(2)中，控制器計(jì)算出液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿，具體包括W下過(guò)程：
[0017] (a)讀取液壓支架后連桿第二加速度傳感器輸出的Qh及底座第一加速度傳感器輸 出的Qd,變換得出液壓支架后連桿的絕對(duì)傾角0及底座的絕對(duì)傾角曰：
[0018] P = arcsinah/邑，曰= arcsinad/邑
[0019] 液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角：目日= e+a(I);
[0020] (b)當(dāng)步驟(a)計(jì)算出液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角00后，通過(guò)讀取液壓支架平 衡千斤頂和立柱的長(zhǎng)度，將平衡千斤頂和立柱的長(zhǎng)度帶入液壓支架的實(shí)時(shí)行為位姿狀態(tài)方 程(II)，可得出液壓支架的實(shí)時(shí)位姿參數(shù)，最后在顯示器上輸出液壓支架當(dāng)前位姿狀態(tài)，完 成液壓支架實(shí)時(shí)位姿狀態(tài)監(jiān)測(cè)；
[0021； y
[0022] 其中。巧 +/! -2化COS巧,Z2 = hi-h3+h4C〇se-h6C〇se+l8sine，￡為液壓支架頂梁相對(duì) 底座的傾角，96為液壓支架掩護(hù)梁與底座的相對(duì)傾角，09為液壓支架平衡千斤頂與頂梁、掩 護(hù)梁較接點(diǎn)形成的張角，011為立柱傾角；
[0023] 優(yōu)選的，步驟(2)中，所述最優(yōu)動(dòng)作方案的確定過(guò)程如下：
[0024] (X) W工作面頂板傾角II、液壓支架操作人員對(duì)液壓支架的實(shí)際控制指令及求解的 液壓支架實(shí)時(shí)位姿參數(shù)為基礎(chǔ)，基于平衡千斤頂長(zhǎng)度、立柱長(zhǎng)度與液壓支架工作高度的變 形協(xié)調(diào)方程（III)和平衡千斤頂長(zhǎng)度、立柱長(zhǎng)度與液壓支架頂梁位姿角e的變形協(xié)調(diào)方程 (IV)求解液壓支架目標(biāo)位置位姿參數(shù)；
[0025] 迎)
[0026]
[0027]
[002引
[0029]
[0030] (y)將(X)中求解的液壓支架目標(biāo)位置位姿參數(shù)，與液壓支架當(dāng)前位姿參數(shù)比較， W液壓支架位姿調(diào)整速度最快、用液量最省為原則從液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表中智能決策 出平衡千斤頂和立柱的最優(yōu)動(dòng)作方案;液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表如表一所示：
[0031 ]表一:液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表
[0032]
[0033]
[0034] 優(yōu)選的，步驟(4)中，控制器比較輸出的最終位姿的信號(hào)IqO和IzoW及液壓支架實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)Iq和Iz,根據(jù)液壓支架最優(yōu)動(dòng)作方案確定PID控制量的階段目標(biāo)額定值1%〇和 I^zO,并將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，通過(guò)比較階段目標(biāo)額定值1%0和I^zO與液壓支架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信 號(hào)Iq和Iz,得出目標(biāo)位姿參數(shù)與當(dāng)前位姿參數(shù)的差值;控制器根據(jù)差值，控制平衡千斤頂和 立柱連接的電磁比例閥的運(yùn)動(dòng)方向和開(kāi)口度大小W改變進(jìn)出立柱及平衡千斤頂?shù)牧髁?，?而改變液壓支架立柱及平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度，在改變液壓支架立柱及平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度過(guò)程 中，立柱及平衡千斤頂?shù)木唧w動(dòng)作如表二所示，
[0035] 表二:立柱及平衡千斤頂?shù)木唧w動(dòng)作表
[0036]
[0037] 優(yōu)選的，所述使用方法還包括輸入預(yù)設(shè)定參數(shù)及預(yù)設(shè)定參數(shù)處理過(guò)程，在液壓支 架下井前，通過(guò)鍵盤(pán)和顯示器進(jìn)行液壓支架初始參數(shù)設(shè)定，包括液壓支架后連桿長(zhǎng)度h和 定位尺寸高度hi,液壓支架前連桿的長(zhǎng)度13和定位尺寸高度h2,底座與連桿較接點(diǎn)距離b及 其連接線與底座的夾角目2，，立柱下柱窩定位尺寸h3和19及上柱窩定位尺寸h6和18,掩護(hù)梁與 連桿較接點(diǎn)連線的距離以^及其與掩護(hù)梁的夾角目5,掩護(hù)梁長(zhǎng)度Is及上定位尺寸hs，平衡千 斤頂下定位尺寸16、目8及上定位尺寸17和目10,掩護(hù)梁與頂梁較接點(diǎn)到頂梁最上方的距離h4。
[0038] 優(yōu)選的，所述檢控系統(tǒng)還包括輸入裝置，輸入裝置與控制器連接，所述輸入裝置選 用顯示器和鍵盤(pán)，或選用觸摸屏顯示/輸入模塊。
[0039] 優(yōu)選的，所述控制器選用MSP430F5438A單片機(jī)。
[0040] 優(yōu)選的，所述第一加速度傳感器、第二加速度傳感器均選用飛思卡爾MMA7361LC加 速度傳感器。
[0041 ] 優(yōu)選的，所述行程傳感器選用米朗MIRAN M化3-2000mm油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳 感器。
[0042] 優(yōu)選的，所述激光測(cè)距儀選用康力華KLH-01T-20hz激光測(cè)距儀。
[0043] 優(yōu)選的，所述觸摸屏顯示/輸入模塊選用迪文DMT80480T070_06WT+觸摸屏。
[0044] 優(yōu)選的，所述第一電磁比例閥選用型號(hào)為4WRZe32W9-520-7X/6EG24N犯TK4F1/M的 S位四通比例換向閥。
[0045] 優(yōu)選的，所述第二電磁比例閥選用型號(hào)為4WRZe52W9-1000-7X/6EG24N犯TK4F1/M 的S位四通比例換向閥。
[0046] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0047] 1.本發(fā)明液壓支架位姿檢測(cè)方法，有別于傳統(tǒng)的液壓支架位姿檢測(cè)方法，通過(guò)檢 測(cè)底座傾角、液壓支架后連桿加速度、驅(qū)動(dòng)件立柱和輔助位姿平衡千斤頂4個(gè)參數(shù)，即可實(shí) 現(xiàn)工作面液壓支架的實(shí)時(shí)位姿檢測(cè)，該方法利用液壓支架固有的變形協(xié)調(diào)方程求解，求解 結(jié)果精確。
[004引 2.本發(fā)明液壓支架位姿控制方法，采用PID控制規(guī)則對(duì)液壓支架位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)全 姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)液壓支架升架過(guò)程的快速水平升、降架W及工作面頂板傾斜時(shí)的智能貼頂， 提升了液壓支架的升、移架速度及跟機(jī)速度;且PID控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)模型依賴(lài)少，適應(yīng)性強(qiáng)， 具有較強(qiáng)的魯棒性。
[0049] 3.本發(fā)明液壓支架位姿檢控系統(tǒng)，安裝使用方便，可移植性強(qiáng)，亦可用于兩柱掩護(hù) 式、兩柱放頂煤等支架，借助本發(fā)明的檢控方法可W有效實(shí)現(xiàn)液壓支架的智能位姿的檢測(cè) 與控制，且作用明顯，效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0050] 圖1為本發(fā)明中檢控系統(tǒng)在液壓支架上的安裝結(jié)構(gòu)圖；
[0051] 圖2為本發(fā)明中檢控系統(tǒng)各組成部分的連接關(guān)系圖；
[0052] 圖3為實(shí)施例1中液壓支架的力學(xué)關(guān)系圖I;
[0053] 圖4為實(shí)施例1中液壓支架的力學(xué)關(guān)系圖n ;
[0054] 圖5為實(shí)施例1中液壓支架的力學(xué)關(guān)系圖III;
[0055] 圖6為本發(fā)明位姿檢測(cè)與控制方法的工作流程圖；
[0056] 其中：1、第一加速度傳感器;2、激光測(cè)距儀;3、底座;4、第二加速度傳感器;5、前連 桿;6、掩護(hù)梁;7、第一電磁比例閥；8、行程傳感器;9、平衡千斤頂；10、立柱；11、頂梁；12、第 二電磁比例閥；13、控制器;14、上位機(jī);15、顯示器;16、鍵盤(pán);17、后連桿。
[0057] Qd:底座橫向加速度(平行底座方向）；
[0058] Qh:后連桿橫向加速度(平行后連桿方向）；
[0化9] g:重力加速度。
[0060] h:液壓支架后連桿長(zhǎng)度；
[0061] 12:底座與連桿較接點(diǎn)距離；
[0062] 13:液壓支架前連桿的長(zhǎng)度；
[0063] 14:掩護(hù)梁與連桿較接點(diǎn)連線的距離；
[0064] 15:掩護(hù)梁長(zhǎng)度；
[0065] 16:平衡千斤頂下定位尺寸；
[0066] 17:平衡千斤頂上定位尺寸；
[0067] 18:立柱上柱窩定位尺寸；
[006引19:立柱下柱窩定位尺寸；
[0069] hi:液壓支架后連桿定位尺寸高度；
[0070] h2:液壓支架前連桿定位尺寸高度；
[0071] h3:立柱下柱窩定位尺寸化3和19都是下柱窩的定位尺寸，一個(gè)高度方向一個(gè)長(zhǎng)度 方向）；
[0072] h4:掩護(hù)梁與頂梁較接點(diǎn)到頂梁最上方的距離；
[0073] hs:掩護(hù)梁上定位尺寸；
[0074] h6:上柱窩定位尺寸；
[0075] H:液壓支架頂梁到底座的高度。
[0076] 00:液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角；
[0077] 01:液壓支架后連桿與前后連桿下較點(diǎn)連線夾角；
[0078] 02:底座與連桿較接點(diǎn)連接線與底座的夾角；
[0079] 03:前連桿下較點(diǎn)與后連桿上較點(diǎn)連線與后連桿夾角；
[0080] 04:前連桿下較點(diǎn)與后連桿上較點(diǎn)連線與前后連桿上較點(diǎn)連線夾角；
[0081 ] 05:前后連桿上較點(diǎn)連線與掩護(hù)梁夾角；
[0082] 06:液壓支架掩護(hù)梁與底座的相對(duì)傾角；
[0083] 07:掩護(hù)梁背角；
[0084] 08:平衡千斤頂下定位角度；
[0085] 09:液壓支架平衡千斤頂與頂梁、掩護(hù)梁較接點(diǎn)形成的張角；
[0086] 目10:平衡千斤頂上定位角度；
[0087] 011:立柱傾角；
[0088] e :液壓支架頂梁相對(duì)底座的傾角。
【具體實(shí)施方式】
[0089] 下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
[0090] 實(shí)施例1:
[0091] 如圖1、圖2所示，一種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，該方法包括主 要由控制器、數(shù)據(jù)采集裝置、第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距 儀、第一電磁比例閥和第二電磁比例閥組成的檢控系統(tǒng);其中，第一加速度傳感器安裝在液 壓支架的底座上，第二加速度傳感器安裝在液壓支架的后連桿上，行程傳感器安裝在液壓 支架的平衡千斤頂內(nèi)部，激光測(cè)距儀安裝在液壓支架的立柱上，第一電磁比例閥連接在液 壓支架平衡千斤頂液壓控制回路上，第二電磁比例閥連接在液壓支架立柱液壓控制回路 上，第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀均與數(shù)據(jù)采集裝置連 接，數(shù)據(jù)采集裝置與控制器連接，控制器控制連接第一電磁比例閥和第二電磁比例閥。
[0092] 該檢控系統(tǒng)還包括輸入裝置，輸入裝置與控制器連接，所述輸入裝置選用顯示器 和鍵盤(pán)，即顯示器和鍵盤(pán)與控制器連接。
[0093] 控制器具體型號(hào)選用MSP430巧438a單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)置有數(shù)據(jù)采集裝置。第一加 速度傳感器、第二加速度傳感器均選用飛思卡爾MM7361LC加速度傳感器。行程傳感器選用 米朗MIRAN M化3-2000mm油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器。激光測(cè)距儀選用康力華化H-OlT- 20hz激光測(cè)距儀。第一電磁比例閥、第二電磁比例閥均選用力±樂(lè)的S位四通比例換向閥， 其中，第一電磁比例閥的型號(hào)為4WRZe32W9-520-7X/6EG24N犯TK4F1/M的S位四通比例換向 閥，第二電磁比例閥的型號(hào)為4WRZe52W9-1000-7X/6EG24N犯TK4F1/M的S位四通比例換向 閥。
[0094] 該方法具體包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、PID控制運(yùn)算和指令輸出四個(gè)步驟，其中，
[0095] (1)信號(hào)采集:將第一加速度傳感器測(cè)量的底座加速度、第二加速度傳感器測(cè)量的 后連桿加速度、行程傳感器測(cè)取的液壓支架平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度、激光測(cè)距儀測(cè)取的立柱的 長(zhǎng)度傳輸給數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波處理得到加速度、長(zhǎng)度原 始數(shù)據(jù)，并將加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)傳輸給MSP430巧438a單片機(jī)；
[0096] 其中濾波處理是指，數(shù)據(jù)采集裝置連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，然后用堆序法原理對(duì)采集的 N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，找出N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算剩余 的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，N取為3-14。
[0097] 另外，事先在單片機(jī)內(nèi)寫(xiě)入有關(guān)最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表的程序和PID控制規(guī)則的程序，使 該單片機(jī)具有PID控制器的功能。
[0098] (2)數(shù)據(jù)處理:單片機(jī)根據(jù)接收到的加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出液壓支架底座 的實(shí)時(shí)傾角、后連桿的實(shí)時(shí)傾角、后連桿與底座的夾角W及液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿，并在顯 示器上輸出液壓支架的實(shí)時(shí)行為位姿;然后，單片機(jī)根據(jù)液壓支架操作人員動(dòng)作指令(通過(guò) 鍵盤(pán)輸入的動(dòng)作指令)及工作面頂板傾角，計(jì)算出液壓支架所要達(dá)到的最終位姿，并對(duì)比液 壓支架當(dāng)前行為位姿得出位移差，再根據(jù)最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表，W液壓支架動(dòng)作速度最快、用液 量最省原則智能判定出液壓支架最優(yōu)動(dòng)作方案，單片機(jī)根據(jù)位移差及操作人員設(shè)定的步進(jìn) 次數(shù)，計(jì)算出液壓支架階段步進(jìn)值(位移差/步進(jìn)次數(shù)），并將階段步進(jìn)值設(shè)定為單片機(jī)的階 段目標(biāo)參數(shù)值；
[0099] 其中，單片機(jī)計(jì)算液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿的具體過(guò)程如下：
[0100] (a)讀取液壓支架后連桿第二加速度傳感器輸出的Qh及底座第一加速度傳感器輸 出的Qd,變換得出液壓支架后連桿的傾角0及底座的傾角曰：
[0101] P = arcsinah/g，曰= arcsinad/g
[0102] 液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角：0〇 = e+a(I);
[0103] (b)當(dāng)步驟(a)計(jì)算出液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角00后，通過(guò)讀取液壓支架平 衡千斤頂和立柱的長(zhǎng)度，將平衡千斤頂和立柱的長(zhǎng)度帶入液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿狀態(tài)方程 (II)，可得出液壓支架的實(shí)時(shí)位姿參數(shù)(計(jì)算得出方程(II)左側(cè)的所有角度，即液壓支架的 位姿參數(shù)），最后在顯示器上顯示液壓支架當(dāng)前位姿狀態(tài)（即在顯示器上顯示出液壓支架位 姿參數(shù)的所有角度），完成液壓支架的實(shí)時(shí)位姿狀態(tài)監(jiān)測(cè)；
[0104]
[010引其中'=.皆 +./| -2化COS巧,Z2 = hi-h3+h4C0se-h6C0se+l8sine，￡為液壓支架頂梁相對(duì) 底座的傾角，96為液壓支架掩護(hù)梁與底座的相對(duì)傾角，09為液壓支架平衡千斤頂與頂梁、掩 護(hù)梁較接點(diǎn)形成的張角，0111為立柱傾角；
[0106] 所述的最優(yōu)動(dòng)作方案的確定過(guò)程如下：
[0107] (X) W工作面頂板傾角II、液壓支架操作人員對(duì)液壓支架的實(shí)際控制指令(通過(guò)鍵 盤(pán)輸入，例如升架指令)及求解的液壓支架實(shí)時(shí)位姿參數(shù)為基礎(chǔ)，基于平衡千斤頂長(zhǎng)度、立 柱長(zhǎng)度與液壓支架工作高度的變形協(xié)調(diào)方程（III)和平衡千斤頂長(zhǎng)度、立柱長(zhǎng)度與液壓支 架頂梁位姿角e的變形協(xié)調(diào)方程(IV)求解液壓支架目標(biāo)位置位姿參數(shù)；
[010 引
[0113] (y)將(X)中求解的液壓支架目標(biāo)位置位姿參數(shù)，與液壓支架當(dāng)前位姿參數(shù)比較， W液壓支架位姿調(diào)整速度最快、用液量最省為原則從液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表中智能決策 出平衡千斤頂和立柱的最優(yōu)動(dòng)作方案;液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表如表一所示：
[0114] 表一:液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表
[0115]
[0116]
[0117] (3)PID控制運(yùn)算:單片機(jī)將階段目標(biāo)參數(shù)值與行程傳感器和激光測(cè)距儀的實(shí)時(shí)檢 測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，獲取實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)與階段目標(biāo)參數(shù)值的差值，單片機(jī)對(duì)該差值進(jìn)行PID控制運(yùn) 算；
[0118] (4)指令輸出：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)步驟(3)所述的差值，根據(jù)已確定的最優(yōu)動(dòng)作方案，輸出 第一電磁比例閥、第二電磁比例閥的控制信號(hào)，控制信號(hào)控制第一電磁比例閥、第二電磁比 例閥的運(yùn)動(dòng)方向和開(kāi)口度大小W改變進(jìn)出平衡千斤頂及立柱的流量，從而改變平衡千斤頂 及立柱的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)液壓支架的位姿誤差反饋控制，使液壓支架遵循最優(yōu)動(dòng)作方案逐步到 達(dá)最終位姿。
[0119] 具體地，單片機(jī)比較輸出的最終位姿信號(hào)IqO(平衡千斤頂）和IzO(立柱）W及液壓 支架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)Iq和Iz,根據(jù)液壓支架最優(yōu)動(dòng)作方案確定PID控制量的階段目標(biāo)額定值 1%0和1/Z0,通過(guò)比較階段目標(biāo)額定值1%日和1/ZO與液壓支架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)Iq和Iz，得出目標(biāo) 位姿參數(shù)與當(dāng)前位姿參數(shù)的差值;單片機(jī)根據(jù)差值，控制平衡千斤頂和立柱連接的電磁比 例閥的運(yùn)動(dòng)方向和開(kāi)口度大小W改變進(jìn)出立柱及平衡千斤頂?shù)牧髁?，從而改變液壓支架?柱及平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度，在改變液壓支架立柱及平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度過(guò)程中，立柱及平衡千 斤頂?shù)木唧w動(dòng)作如表二所示，
[0120] 表二:立柱及平衡千斤頂?shù)木唧w動(dòng)作表
[0121]
[0122] 本實(shí)施例的技術(shù)方案，由控制器、加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀及電磁 比例閥組成液壓支架的檢控系統(tǒng)，檢控系統(tǒng)可W很方便地安裝在液壓支架上，借助該檢控 系統(tǒng)的液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，通過(guò)采用PID控制規(guī)則對(duì)液壓支架位姿進(jìn)行實(shí)時(shí) 全姿態(tài)控制，可實(shí)現(xiàn)液壓支架升降架過(guò)程的快速水平升、降架W及工作面頂板傾斜時(shí)的智 能貼頂，同時(shí)避免了液壓支架升降架過(guò)程中立柱、平衡千斤頂反復(fù)動(dòng)作的過(guò)程，提升了液壓 支架的升、移架速度及跟機(jī)速度;且PID控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)模型依賴(lài)少，適應(yīng)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的 魯棒性。
[0123] 實(shí)施例2:
[0124] -種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，方法步驟如實(shí)施例1所述，其不 同之處在于:檢控系統(tǒng)中的輸入裝置選用觸摸屏顯示/輸入模塊，觸摸屏顯示/輸入模塊與 控制器連接，觸摸屏可W省略鍵盤(pán)，同時(shí)操作更方便、更直觀。
[0125] 如圖2所示，控制器還可W外接上位機(jī)，上位機(jī)需通過(guò)外置的數(shù)據(jù)采集裝置與第一 加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器和激光測(cè)距儀連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中上位 機(jī)為PC機(jī)，數(shù)據(jù)采集裝置為研華PCI-1711U數(shù)據(jù)采集卡，上位機(jī)與研華PCI-1711U數(shù)據(jù)采集 卡連接，研華PCI-1711U數(shù)據(jù)采集卡與第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、 激光測(cè)距儀連接，研華PCI-1711U數(shù)據(jù)采集卡將接收到數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，地面操作人員可通 過(guò)PC機(jī)在地面進(jìn)行操控。
[0126] 實(shí)施例3:
[0127] -種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，方法步驟如實(shí)施例1所述，其不 同之處在于:該系統(tǒng)的使用方法還包括輸入預(yù)設(shè)定參數(shù)及預(yù)設(shè)定參數(shù)處理過(guò)程，在液壓支 架下井前，通過(guò)鍵盤(pán)和顯示器進(jìn)行液壓支架初始參數(shù)設(shè)定（W后連桿與底座較接為基準(zhǔn) 點(diǎn)），包括液壓支架后連桿長(zhǎng)度h和定位尺寸高度hi,液壓支架前連桿的長(zhǎng)度13和定位尺寸 高度h2,底座與連桿較接點(diǎn)距離b及其連接線與底座的夾角02,立柱下柱窩定位尺寸h3和19 及上柱窩定位尺寸h6和18,掩護(hù)梁與連桿較接點(diǎn)連線的距離及其與掩護(hù)梁的夾角目5,掩 護(hù)梁長(zhǎng)度Is及上定位尺寸hs，平衡千斤頂下定位尺寸l6、08及上定位尺寸17和010,掩護(hù)梁與 頂梁較接點(diǎn)到頂梁最上方的距離h4。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，所述方法包括主要由控制器、數(shù) 據(jù)采集裝置、第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀、第一電磁比 例閥和第二電磁比例閥組成的檢控系統(tǒng)，所述第一加速度傳感器設(shè)置在液壓支架的底座 上，第二加速度傳感器設(shè)置在液壓支架的后連桿上，行程傳感器設(shè)置在液壓支架的平衡千 斤頂內(nèi)部，激光測(cè)距儀設(shè)置在液壓支架的立柱上，第一電磁比例閥設(shè)置在液壓支架平衡千 斤頂液壓控制回路上，第二電磁比例閥設(shè)置在液壓支架立柱液壓控制回路上，所述第一加 速度傳感器、第二加速度傳感器、行程傳感器、激光測(cè)距儀均與數(shù)據(jù)采集裝置連接，數(shù)據(jù)采 集裝置與控制器連接，控制器還連接第一電磁比例閥和第二電磁比例閥，所述方法包括以 下步驟， (1) 信號(hào)采集:將第一加速度傳感器測(cè)量的底座加速度、第二加速度傳感器測(cè)量的后連 桿加速度、行程傳感器測(cè)取的平衡千斤頂長(zhǎng)度、激光測(cè)距儀測(cè)取的立柱長(zhǎng)度傳輸給數(shù)據(jù)采 集裝置，數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行濾波處理后得到加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)，并將加速 度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)傳輸給控制器； (2) 數(shù)據(jù)處理:控制器根據(jù)接收到的加速度、長(zhǎng)度原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出液壓支架底座的實(shí) 時(shí)傾角、后連桿與底座的夾角以及液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿，并輸出液壓支架的實(shí)時(shí)行為位 姿;然后，控制器根據(jù)液壓支架操作人員動(dòng)作指令及工作面頂板傾角，計(jì)算出液壓支架所要 達(dá)到的最終位姿，并對(duì)比液壓支架當(dāng)前行為位姿得出位移差，再根據(jù)最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表，以液 壓支架動(dòng)作速度最快、用液量最省原則智能判定出液壓支架最優(yōu)動(dòng)作方案，控制器根據(jù)位 移差及設(shè)定的步進(jìn)次數(shù)，計(jì)算出液壓支架階段步進(jìn)值，并將階段步進(jìn)值設(shè)定為控制器的階 段目標(biāo)參數(shù)值； (3) PID控制運(yùn)算:控制器將階段目標(biāo)參數(shù)值與行程傳感器和激光測(cè)距儀的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù) 據(jù)對(duì)比，獲取階段目標(biāo)參數(shù)值與實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的差值； (4) 指令輸出：控制器根據(jù)步驟(3)所述的差值，輸出第一電磁比例閥、第二電磁比例閥 的控制信號(hào)，控制信號(hào)控制第一電磁比例閥、第二電磁比例閥的運(yùn)動(dòng)方向和開(kāi)口度大小以 改變進(jìn)出平衡千斤頂及立柱的流量，從而改變平衡千斤頂及立柱的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)液壓支架的 位姿誤差反饋控制，使液壓支架逐步到達(dá)最終位姿。2. 如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，步驟 (1) 中，所述濾波處理是指數(shù)據(jù)采集裝置采用中值濾波法對(duì)第一加速度傳感器、第二加速度 傳感器、行程傳感器和激光測(cè)距儀對(duì)傳輸給數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，其具體過(guò) 程包括:連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，然后用堆序法原理對(duì)采集的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，找出N個(gè)數(shù)據(jù)中 的最大值和最小值，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算剩余的N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，N取為 3 _14〇3. 如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，步驟 (2) 中，控制器計(jì)算出液壓支架實(shí)時(shí)行為位姿，具體包括以下過(guò)程： (a) 讀取液壓支架后連桿第二加速度傳感器輸出的ah及底座第一加速度傳感器輸出的 ad，變換得出液壓支架后連桿的絕對(duì)傾角β及底座的絕對(duì)傾角α: 0. arcsin ah/g，a = arcsin ad/g 液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角：θ〇 = β+α (I)； (b) 當(dāng)步驟(a)計(jì)算出液壓支架后連桿相對(duì)底座的傾角θ〇后，通過(guò)讀取液壓支架平衡千 斤頂和立柱的長(zhǎng)度，將平衡千斤頂和立柱的長(zhǎng)度帶入液壓支架的實(shí)時(shí)行為位姿狀態(tài)方程 (II)，可得出液壓支架的實(shí)時(shí)位姿參數(shù)，最后在顯示器上輸出液壓支架當(dāng)前位姿狀態(tài)，完成 液壓支架實(shí)時(shí)位姿狀態(tài)監(jiān)測(cè)；其中.Z2 =Z12 +/丨-2Z丨/2C〇S0，Z2 = hi-h3+h4C〇se-h6C〇se+lssine，ε為液壓支架頂梁相對(duì)底座 的傾角，θ6為液壓支架掩護(hù)梁與底座的相對(duì)傾角，09為液壓支架平衡千斤頂與頂梁、掩護(hù)梁 鉸接點(diǎn)形成的張角，θη為立柱傾角。4.如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，步驟 (2)中，所述最優(yōu)動(dòng)作方案的確定過(guò)程如下： (X)以工作面頂板傾角η、液壓支架操作人員對(duì)液壓支架的實(shí)際控制指令及求解的液壓 支架實(shí)時(shí)位姿參數(shù)為基礎(chǔ)，基于平衡千斤頂長(zhǎng)度、立柱長(zhǎng)度與液壓支架工作高度的變形協(xié) 調(diào)方程(III)和平衡千斤頂長(zhǎng)度、立柱長(zhǎng)度與液壓支架頂梁位姿角ε的變形協(xié)調(diào)方程(IV)求 解液壓支架目標(biāo)位置位姿參數(shù)； 其中，(y)將(X)中求解的液壓支架目標(biāo)位置位姿參數(shù)，與液壓支架當(dāng)前位姿參數(shù)比較，以液 壓支架位姿調(diào)整速度最快、用液量最少為原則從液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表中智能決策出平 衡千斤頂和立柱的最優(yōu)動(dòng)作方案;液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表如表一所不： 表一:液壓支架最優(yōu)動(dòng)作規(guī)則表5.如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，步驟 (4)中，控制器比較輸出的最終位姿的信號(hào)lqQ和Izq以及液壓支架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)UP1 Z，根據(jù) 液壓支架最優(yōu)動(dòng)作方案確定PID控制量的階段目標(biāo)額定值l'qQ和l'zQ，并將數(shù)據(jù)傳遞給控制 器，通過(guò)比較階段目標(biāo)額定值l' qQ和l'zQ與液壓支架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)Iq和lz，得出目標(biāo)位姿參 數(shù)與當(dāng)前位姿參數(shù)的差值;控制器根據(jù)差值，控制平衡千斤頂和立柱連接的電磁比例閥的 運(yùn)動(dòng)方向和開(kāi)口度大小以改變進(jìn)出立柱及平衡千斤頂?shù)牧髁?，從而改變液壓支架立柱及?衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度，在改變液壓支架立柱及平衡千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度過(guò)程中，立柱及平衡千斤頂?shù)?具體動(dòng)作如表二所示， 表二:立柱及平衡千斤頂?shù)木唧w動(dòng)作表6. 如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，所述使 用方法還包括輸入預(yù)設(shè)定參數(shù)及預(yù)設(shè)定參數(shù)處理過(guò)程，在液壓支架下井前，通過(guò)鍵盤(pán)和顯 示器進(jìn)行液壓支架初始參數(shù)設(shè)定，包括液壓支架后連桿長(zhǎng)度h和定位尺寸高度lu，液壓支架 前連桿的長(zhǎng)度I 3和定位尺寸高度^，底座與連桿鉸接點(diǎn)距離I2及其連接線與底座的夾角θ2， 立柱下柱窩定位尺寸h 3和I9及上柱窩定位尺寸h6和18,掩護(hù)梁與連桿鉸接點(diǎn)連線的距離I 4以 及其與掩護(hù)梁的夾角θ5,掩護(hù)梁長(zhǎng)度I5及上定位尺寸h5，平衡千斤頂下定位尺寸1 6、θ8及上定 位尺寸h和θ1()，掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)到頂梁最上方的距離h 4。7. 如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，所述檢 控系統(tǒng)還包括輸入裝置，輸入裝置與控制器連接，所述輸入裝置選用顯示器和鍵盤(pán)，或選用 觸摸屏顯示/輸入模塊。8. 如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，所述控 制器選用MSP430F5438A單片機(jī)。9. 如權(quán)利要求1所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，所述行 程傳感器選用米朗MIRAN MTL3-2000mm油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器。10. 如權(quán)利要求7所述用于二柱式液壓支架位姿檢測(cè)與控制的方法，其特征在于，所述 激光測(cè)距儀選用康力華KLH-01T-20hz激光測(cè)距儀；所述觸摸屏顯示/輸入模塊選用迪文 DMT80480T070_06WT+觸摸屏；所述第一電磁比例閥選用型號(hào)為4WRZe32W9-520-7X/ 6EG24N9ETK4FI /M的三位四通比例換向閥；所述第二電磁比例閥選用型號(hào)為4WRZe52W9-1000-7X/6EG24N9ETK4F1 /M的三位四通比例換向閥。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK106014466SQ201610519643
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月2日
【發(fā)明人】曾慶良, 孟昭勝, 萬(wàn)麗榮, 孔帥, 王成龍, 楊揚(yáng), 逯振國(guó), 劉鵬, 姜考
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)