地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法。針對地下開采支護(hù)設(shè)備對圍巖的多約束特性及協(xié)同支護(hù)效應(yīng)，考慮支護(hù)系統(tǒng)組織性、群組穩(wěn)定性及推進(jìn)協(xié)同性對圍巖沉降及垮塌的影響，采用支架個體之間、支架與圍巖之間局部信息交互及自主決策的分布式控制策略，取消現(xiàn)有支護(hù)群組的主控機(jī)構(gòu)，建立群組內(nèi)個體獨(dú)立控制、分布決策的協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)；采用社會勢場和行為的混合控制方法建立控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)圍巖自適應(yīng)支護(hù)及大規(guī)模支護(hù)群組的自組織排隊(duì)及協(xié)同推進(jìn)。本發(fā)明解決了集中控制方式個體間缺乏信息交互、無法使多維分散的群組行為收斂于整體目標(biāo)的問題，對地下開采條件及工藝具有更強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，有效適應(yīng)自動化和無人化開采需求。
【專利說明】地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煤礦采煤工作面液壓支架群組的控制方法，具體的說就是通過液壓支架個體之間、液壓支架與采煤工作面圍巖之間局部交互產(chǎn)生預(yù)期支架群組支護(hù)行為的一種分布式控制策略。
【背景技術(shù)】
[0002]在闡述技術(shù)背景之前，首先說明下面三個詞匯的含義:
液壓支架:采煤工作面支護(hù)設(shè)備，用來支撐和控制頂板，隔離采空區(qū)；與采煤機(jī)配套使用，實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化。
[0003]工作面圍巖:采煤工作面受開挖影響范圍內(nèi)的巖層，分為頂板、煤層和底板三部分。
[0004]支護(hù)系統(tǒng):由不同功能的多個液壓支架組成的設(shè)備群組。一般包括中間支架(負(fù)責(zé)工作面中間部分的支護(hù)，根據(jù)工作面長度不同，數(shù)量從幾十架到一百多架不等)、過渡支架(負(fù)責(zé)工作面到巷道過渡部分的支護(hù)，根據(jù)具體情況，數(shù)量從2架到4架不等)和端頭支架(負(fù)責(zé)與工作面相鄰的巷道的支護(hù)，一般工作面兩端各一架，共2架)。
[0005]目前，工作面液壓支架支護(hù)系統(tǒng)全部采用的是集中式控制，在巷道中放置中央控制站，由其連接井下服務(wù)器構(gòu)成主控機(jī)構(gòu)，掌握工作面全局及所有液壓支架個體的信息；在支護(hù)系統(tǒng)中的每個液壓支架個體上安設(shè)感知圍巖變化的傳感器和控制支架個體行為的控制器，這些控制器通過PROFIBUS、CANBUS等總線型式連接至主控機(jī)構(gòu)，從而上傳感知信息和下載執(zhí)行行為指令。集中式控制通過全局通信來協(xié)同個體間的行為，整個系統(tǒng)一般只存在主控機(jī)構(gòu)和個體間的通信，而個體之間沒有或只傳遞很少的信息；所有信息處理、計(jì)算、控制、通信等決策功能均由主控機(jī)構(gòu)完成，控制關(guān)系只存在于主控機(jī)構(gòu)和個體之間，兩個個體相互沒有控制關(guān)系。集中式的優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)直觀，一般不存在局部最優(yōu)解；缺點(diǎn)是忍耐性和適應(yīng)性差，對主控機(jī)構(gòu)的要求高，不適用于動態(tài)、開放、規(guī)模大的系統(tǒng)。
[0006]近年來，隨著煤炭地下開采規(guī)模、強(qiáng)度和深度的加大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，圍巖跨落、斷裂、沖擊等動態(tài)特性越加明顯，圍巖活動的不確定性對支護(hù)系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性提出了更高的要求。當(dāng)前，采用液壓支架圍巖耦合三維動態(tài)設(shè)計(jì)方法(ZL201010231729.1)提高了支架個體對圍巖動態(tài)變化的適應(yīng)性，但其行為是在主控系統(tǒng)控制下對圍巖變化的單獨(dú)響應(yīng)，個體間并不存在相互控制，因而作為一個支護(hù)系統(tǒng)，其所表現(xiàn)出的群組行為是多維的、分散的，無法收斂于支護(hù)系統(tǒng)的整體目標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為控制支護(hù)系統(tǒng)的群組行為達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，提高整體適應(yīng)性，多采用人工干預(yù)方式，對支架個體或相鄰的個體組合進(jìn)行單獨(dú)控制，這種方式需要人進(jìn)入到工作面或巷道操作。
[0007]然而，鑒于井下工作環(huán)境惡劣、安全難以保證，要求多采用自動化、無人化技術(shù)及裝備，盡可能避免人工井下作業(yè)；另外，隨著薄煤層甚至極薄煤層的開采，空間局限，工人也幾乎沒有辦法進(jìn)入工作面進(jìn)行采煤作業(yè)。因此，集中式的支護(hù)系統(tǒng)控制方式已經(jīng)無法滿足煤炭地下開采的進(jìn)一步需求，而基于局部信息自主決策的分布式控制方式?jīng)]有主控機(jī)構(gòu)，個體之間地位平等，不存在主從關(guān)系，支護(hù)群組能夠通過自組織協(xié)同作業(yè)產(chǎn)生預(yù)期的、目標(biāo)一致的群行為，對圍巖及煤炭開采過程具有更強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，能夠有效增強(qiáng)支護(hù)效果、適應(yīng)自動化和無人化開采需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明公布一種煤礦地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法，針對井下開采支護(hù)設(shè)備對圍巖的多約束特性及協(xié)同支護(hù)效應(yīng)，考慮支護(hù)系統(tǒng)組織性、群組穩(wěn)定性、推進(jìn)協(xié)同性對圍巖沉降及垮塌的影響，基于液壓支架個體之間、液壓支架與采煤工作面圍巖之間的局部信息交互建立一種分布式控制策略，從而產(chǎn)生預(yù)期的工作面液壓支架群組支護(hù)行為，實(shí)現(xiàn)梯度剛度圍巖的可控沉降自適應(yīng)支護(hù)控制，以及大規(guī)模支護(hù)設(shè)備群組的自組織推進(jìn)及協(xié)同排隊(duì)控制。
[0009]本發(fā)明方法采用如下技術(shù)方案:采用液壓支架局部信息自主決策的分布式控制策略，取消液壓支架支護(hù)群組的主控機(jī)構(gòu)，建立群組內(nèi)個體之間信息傳遞、控制和決策的自組織協(xié)同作業(yè)機(jī)制；群組自組織協(xié)同控制系統(tǒng)由圍巖自適應(yīng)控制和隊(duì)列保持推進(jìn)控制兩部分組成。
[0010](I)圍巖自適應(yīng)控制。
[0011]①圍巖自適應(yīng)控制的群目標(biāo)行為:支護(hù)設(shè)備群組形成的空間下縮量最小，以及沒有其他物質(zhì)(矸石、片幫大塊煤等)進(jìn)入到該空間。
[0012]②液壓支架個體間、群體間以及與圍巖間產(chǎn)生的虛擬作用力以支架能夠提供的三維空間大小為參數(shù)，以個體支架空間變化的趨勢(即使空間縮小的虛擬力和使空間放大的虛擬力共同作用而產(chǎn)生的虛擬合力)定義其社會地位。
[0013]③采用基于社會勢場和行為的自組織混合控制策略建立控制函數(shù)，控制策略是:支架個體之間，其空間大小總是趨于群內(nèi)個體的平均空間大小，且某個支架個體的空間不小于其前后相鄰兩支架的平均空間大小。
[0014]④設(shè)定群組自適應(yīng)控制的基本行為:規(guī)避障礙，空間匹配，保持姿態(tài)，抵抗擾動。
[0015]⑤建立自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)對基本行為的協(xié)調(diào)推理、調(diào)用和組合，完成對外部環(huán)境變化的響應(yīng)。
[0016]⑥將自適應(yīng)控制器生成的行為響應(yīng)映射為支架個體執(zhí)行機(jī)構(gòu)可執(zhí)行的命令代碼，實(shí)現(xiàn)對工作面圍巖的自適應(yīng)群組控制。
[0017](2)隊(duì)列保持推進(jìn)控制。
[0018]①隊(duì)列保持推進(jìn)控制的群目標(biāo)行為:支護(hù)設(shè)備群組推進(jìn)過程中保持一條直線且方向始終與工作面垂直。
[0019]②液壓支架個體間、群體間以及與環(huán)境間產(chǎn)生的虛擬作用力以支架的幾何位置為參數(shù)，以個體支架位置變化的趨勢(即使支架靠近目標(biāo)位置的虛擬力和使其遠(yuǎn)離目標(biāo)位置的虛擬力共同作用而產(chǎn)生的虛擬合力)定義其社會地位。
[0020]③采用基于社會勢場和行為的自組織混合控制策略建立控制函數(shù)，控制策略是:支架個體的位置總是趨于群的基準(zhǔn)位置，且其偏離正確位置不小于其前后相鄰兩支架的平均偏離值。
[0021]④設(shè)定群組自適應(yīng)控制的基本行為:避免碰撞，速度匹配，中心聚集，趨向目標(biāo)。[0022]⑤建立行為協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)對基本行為的協(xié)調(diào)推理、調(diào)用和組合，完成對外部環(huán)境變化的響應(yīng)。
[0023]⑥將行為協(xié)調(diào)器生成的行為響應(yīng)映射為支架個體執(zhí)行機(jī)構(gòu)可執(zhí)行的命令代碼，實(shí)現(xiàn)支架群組的隊(duì)列保持推進(jìn)控制。
[0024]液壓支護(hù)系統(tǒng)需同時實(shí)現(xiàn)圍巖自適應(yīng)控制和隊(duì)列保持推進(jìn)控制，才能正確和有效的完成支護(hù)任務(wù)。兩者統(tǒng)一于液壓支護(hù)系統(tǒng)群組自組織協(xié)同控制系統(tǒng)中，從同一個感知信息庫中提取工作面圍巖及支架狀態(tài)信息，分別針對不同的群組控制目標(biāo)向同一支架執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號；在這里，圍巖自適應(yīng)控制信號的優(yōu)先級高于隊(duì)列保持推進(jìn)控制信號；當(dāng)有兩種信號同時發(fā)出時，支架執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)先執(zhí)行圍巖自適應(yīng)控制信號。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效益:(1)將工作面的液壓支架支護(hù)群組由集中控制(類似于一個人同時做多件事情)升級為基于局部信息自主決策的分布式控制(多個人分別做一件事并相互傳遞信息)，有效提升了控制的針對性和有效性，大大增強(qiáng)了支護(hù)系統(tǒng)的適應(yīng)性、靈活性。(2)采用基于社會勢場和行為的自組織混合控制策略，結(jié)合全局的知識和局部行為控制，將液壓支護(hù)系統(tǒng)群組自組織協(xié)同控制分解為圍巖自適應(yīng)控制和隊(duì)列保持推進(jìn)控制兩個線性不相關(guān)的控制線程；同步實(shí)現(xiàn)群體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制；形成了清晰的控制路徑，有效增強(qiáng)了控制的準(zhǔn)確性和全面性。(3)支架本體即可完成局部的獨(dú)立控制，無需工人進(jìn)入工作面或巷道對支架個體進(jìn)行單獨(dú)操作，在增強(qiáng)系統(tǒng)控制能力的同時保證了生產(chǎn)安全。
[0026]下面以兩柱掩護(hù)式液壓支架支護(hù)群組的控制為例對本發(fā)明所闡述的方法和技術(shù)做進(jìn)一步的說明，以使公眾對
【發(fā)明內(nèi)容】
有更為詳細(xì)和充分的了解，而并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。前述部分依據(jù)充分公開了本發(fā)明可以實(shí)施的保護(hù)范圍。因此，凡依照本發(fā)明公開內(nèi)容進(jìn)行的任何本領(lǐng)域公知的等同替換，均屬對本發(fā)明的侵犯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明方法所闡述的控制方法邏輯圖示。
[0028]圖2為采用本發(fā)明方法控制的液壓支架與圍巖作用時形成的支護(hù)空間圖示。
[0029]圖3為采用本發(fā)明方法控制的大采高液壓支架支護(hù)群組隊(duì)列保持與推進(jìn)圖示。
[0030]圖中:1_煤壁；2_米煤機(jī)；3_刮板輸送機(jī)；4-底板；5_垮落頂板；6_大米聞液壓支架支護(hù)群組。
【具體實(shí)施方式】
[0031](I)依據(jù)圖1所示的群組自組織協(xié)同控制系統(tǒng)，控制和維護(hù)圖2所示的液壓支架與圍巖作用時形成的支護(hù)空間；對于圍巖自適應(yīng)控制，其群目標(biāo)行為是:大采高液壓支架支護(hù)群組6形成的空間下縮量最小，以及沒有其他物質(zhì)(矸石、片幫大塊煤等)進(jìn)入到該支護(hù)空間。圍巖(由煤壁1、底板4和垮落頂板5構(gòu)成)在液壓支架支護(hù)作用下形成封閉空間，從而使采煤機(jī)2和刮板輸送機(jī)3能夠有運(yùn)動空間完成采煤和運(yùn)煤作業(yè)。圍巖對大采高液壓支架個體的作用為外部影響，提供使其支護(hù)空間縮小的趨勢作用力；大采高液壓支架個體之間保持最小間隙，因而相互吸引提供使支架空間放大的趨勢作用力。
[0032]采用基于社會勢場和行為的自組織混合控制策略建立大采高支架個體勢函數(shù)(控制函數(shù)):
【權(quán)利要求】
1.地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法，其特征在于:采用液壓支架局部信息自主決策的分布式控制策略，取消液壓支架支護(hù)群組的主控機(jī)構(gòu)，建立群組內(nèi)個體獨(dú)立控制、分布決策的自組織協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)；群組自組織協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)由圍巖自適應(yīng)控制和隊(duì)列保持推進(jìn)控制兩部分組成，采用社會勢場和行為的自組織混合控制方法建立控制函數(shù)，提出基本行為類型，通過自適應(yīng)控制器和行為協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)支架個體在群組中的地位控制與具體行為控制，進(jìn)而構(gòu)成并實(shí)現(xiàn)特定的群行為。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法，其特征在于:沒有主控機(jī)構(gòu)，每個液壓支架上安裝分布式控制裝置，個體之間地位平等，不存在主從關(guān)系；支護(hù)群組通過個體自組織協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)期的、目標(biāo)一致的群行為。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法，其特征在于:圍巖自適應(yīng)控制以支架能夠提供的三維空間大小為參數(shù)，以支護(hù)設(shè)備群組形成的空間下縮量最小及沒有其他物質(zhì)(矸石、片幫大塊煤等)進(jìn)入到該空間為控制目標(biāo)；通過支架個體空間變化的趨勢建立控制函數(shù)；給出以保持姿態(tài)、抵抗隨機(jī)擾動為特征的基本行為。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法，其特征在于:隊(duì)列保持推進(jìn)控制以支架個體的幾何位置為參數(shù)，以支護(hù)設(shè)備群組推進(jìn)過程中保持一條直線且方向始終與煤壁垂直為控制目標(biāo)；通過支架個體位置變化的趨勢建立控制函數(shù)；給出以中心聚集、趨向目標(biāo)為特征的基本行為。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下開采液壓支護(hù)系統(tǒng)的群組自組織協(xié)同控制方法，其特征在于:基于控制函數(shù)及傳感器感知的外部狀態(tài)建立自適應(yīng)控制器和行為協(xié)調(diào)器，由它們發(fā)出支架個體執(zhí)行機(jī)構(gòu)可執(zhí)行的命令代碼，控制支架完成相應(yīng)的空間運(yùn)動。
【文檔編號】E21D23/26GK103527235SQ201310512257
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】王國法, 任懷偉, 張德生, 趙國瑞, 李明忠, 文治國, 侯剛, 馬英 申請人:天地科技股份有限公司