摘要：護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人是適應(yīng)夾矸與片幫共存的大斷面巷道智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為實現(xiàn)“掘支并行”作業(yè)提供安全可靠的工作空間。為加強(qiáng)護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人推移行駛過程中對圍巖的安全穩(wěn)定支護(hù)，根據(jù)護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境與作業(yè)需求，建立其帶壓行駛的推移量與支護(hù)力數(shù)學(xué)模型及帶壓行駛動力學(xué)模型，設(shè)計了護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由支護(hù)液壓系統(tǒng)、行駛液壓系統(tǒng)組成：靜態(tài)支護(hù)時，支護(hù)液壓系統(tǒng)需時刻輸出大于上盾體自身重力的支護(hù)力，行駛液壓系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；帶壓行駛時，支護(hù)液壓系統(tǒng)和行駛液壓系統(tǒng)同時工作，在保證臨時支護(hù)機(jī)器人“減壓不離頂”的同時，與頂板時刻帶壓并穩(wěn)步前移。提出了基于模糊PID 的護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛精準(zhǔn)控制方法：通過集成在推移油缸上的位移傳感器與液壓回路中的壓力傳感器實時采集臨時支護(hù)機(jī)器人的壓力與位移信號，用于反映臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛途中支護(hù)力和行駛位移的變化情況，并根據(jù)支護(hù)力和推移量的誤差和誤差率，利用模糊PID 算法對支護(hù)力和推移量的控制參數(shù)進(jìn)行修正，實現(xiàn)基于模糊PID 算法的帶壓行駛可靠控制。仿真與實驗結(jié)果均表明，模糊PID 控制的效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制，在模糊PID 控制下，護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人推移行駛過程中的支護(hù)力相對誤差小于1%，行駛位移誤差小于2 mm，且支護(hù)力和推移量控制響應(yīng)速度快，保證了推移行駛過程中對圍巖的安全穩(wěn)定支護(hù)。

關(guān)鍵詞：護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人；液壓控制系統(tǒng)；帶壓行駛；支護(hù)力控制；行駛位移控制；模糊PID 控制

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

掘進(jìn)工作面臨時支護(hù)問題是長期困擾煤炭生產(chǎn)的技術(shù)難題[1]。在巷道掘進(jìn)過程中，巷道由于地應(yīng)力作用，頂板會出現(xiàn)塑性形變或松動變形[2-3]。傳統(tǒng)的臨時支護(hù)主要包括機(jī)載式和邁步式：機(jī)載式為隨掘進(jìn)機(jī)被動行駛，且行駛過程中臨時支護(hù)裝置降落，不起支護(hù)作用；邁步式為主動行駛，2 層支護(hù)結(jié)構(gòu)交替邁步移動并支護(hù)圍巖?，F(xiàn)有臨時支護(hù)裝置在作業(yè)過程極易破壞巷道完整性和穩(wěn)定性，因此，研究合理有效的臨時支護(hù)對巷道頂板圍巖穩(wěn)定具有重要意義[4-6]。

國內(nèi)外學(xué)者對帶壓移動支護(hù)技術(shù)及液壓系統(tǒng)優(yōu)化控制等進(jìn)行了大量研究。在帶壓移動支護(hù)技術(shù)研究方面，曹連民等[7-8]對大采高液壓支架帶壓移架技術(shù)進(jìn)行力學(xué)理論分析并制定了合理控制方法，提高了支架支撐可靠性。韓寶珠等[9]設(shè)計了一種基于PLC的液壓支架帶壓移架控制方案，實現(xiàn)了液壓支架的自動化控制和帶壓移架。楊科等[10]分析了支架與圍巖關(guān)系，揭示了軟煤、破碎頂板條件下大傾角工作面液壓支架失穩(wěn)機(jī)制，獲得了帶壓移架臨界值。王國法等[11]分析了液壓支架與煤壁相互作用關(guān)系的力學(xué)模型，提出了確定液壓支架工作阻力的方法。在液壓系統(tǒng)優(yōu)化控制方面，馬宏偉等[12]提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法和PID 的推移油缸位置控制方法，實現(xiàn)了推移油缸位置精準(zhǔn)控制。李延民等[13]針對實際電液伺服系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)建模不準(zhǔn)確的問題，利用AMESim 建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，采用Matlab/Simulink進(jìn)行模糊PID 控制器設(shè)計，提高了系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力。張增寶等[14]基于比例換向閥設(shè)計速度前饋模型，提出了基于模糊PID 的壓力及位移控制策略，保證對壓力、速度的跟蹤性能。薛光輝等[15]建立了支架支撐力控制數(shù)學(xué)模型，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后的PID 算法進(jìn)行控制，使支架支撐力有效跟隨壓力變化。欒麗君等[16]、盧進(jìn)南等[17]研究了綜掘巷道邁步式超前支架的電液伺服位置壓力復(fù)合控制策略及多缸同步控制策略，實現(xiàn)了對超前支架壓力和位置的復(fù)合控制。Chen Qiping 等[18]設(shè)計了電子液壓制動系統(tǒng)液壓缸內(nèi)壓力的模糊PID 控制器，改善了系統(tǒng)液壓力跟隨輸入信號的效果。Zhong Qi 等[19]針對負(fù)載口獨立控制系統(tǒng)中閥芯位移特性對系統(tǒng)壓力和流量控制的影響，設(shè)計了基于2 級模糊PID 的壓力和流量控制器，改善了壓力和流量控制效果。Jin Xin 等[20]提出了一種基于模糊PID 控制策略的移栽機(jī)械手控制方法，實現(xiàn)了液壓缸活塞位移的精準(zhǔn)、快速控制。上述液壓支架移架過程中支護(hù)力和位移控制的研究為護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛提供了方法。

護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人是適應(yīng)夾矸與片幫共存的大斷面巷道智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為實現(xiàn)“掘支并行”作業(yè)提供安全可靠的工作空間。目前，國內(nèi)外對臨時支護(hù)行進(jìn)途中巷道頂板進(jìn)行有效臨時支護(hù)的研究主要集中于綜采工作面液壓支架，為研究護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛提供了一定的方法依據(jù)，但護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人與液壓支架的運行工況、圍巖耦合力學(xué)特性等方面均有差異，需進(jìn)一步研究護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人“帶壓行駛，減壓不離頂”的控制方法，保證護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人在滿足圍巖穩(wěn)定的前提下，特別是在安全、可靠、穩(wěn)定行駛時，精準(zhǔn)控制其行駛位移和支護(hù)力，以實現(xiàn)護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人在行駛過程中的安全支護(hù)。本文根據(jù)帶壓行駛途中的工況特性，建立帶壓行駛動力學(xué)模型和液壓控制系統(tǒng)；依據(jù)不同工況下護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人電液伺服控制原理，以支撐油缸輸出力與推移油缸推移量的誤差和誤差率為模糊條件，提出基于模糊PID的護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛精準(zhǔn)控制方法；搭建了臨時支護(hù)機(jī)器人“帶壓行駛，減壓不離頂”控制實驗臺進(jìn)行實驗。

1 護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛工況分析

1.1 護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)主要由截割機(jī)器人、護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、電液控平臺及運輸系統(tǒng)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)等組成[21]，如圖1 所示。護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人主要由臨時支護(hù)機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ組成，2 個機(jī)器人之間通過4 個推移油缸連接，整機(jī)行駛依靠推移油缸的推、拉完成，如圖2 所示。2 個機(jī)器人均由上下盾體組成，通過支撐油缸實現(xiàn)對巷道頂板的支護(hù)。

1.2 護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛工況分析

護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人通過準(zhǔn)確控制支撐油缸推、拉，克服機(jī)身行走的摩擦力及圍巖力。護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛工況切換如圖3 所示。

1） 靜態(tài)支護(hù)工況：機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ分別給予頂板靜態(tài)支護(hù)力F1J 和F2J，F(xiàn)1J 為機(jī)器人Ⅰ靜態(tài)支護(hù)工況下支撐油缸輸出合力，F(xiàn)2J 為機(jī)器人Ⅱ靜態(tài)支護(hù)工況下支撐油缸輸出合力，此時推移油缸處于待機(jī)狀態(tài)。

2） 帶壓推移工況（機(jī)器人Ⅱ推機(jī)器人Ⅰ）：機(jī)器人Ⅱ支撐油缸升壓輸出合力F2D，機(jī)器人Ⅰ支撐油缸減壓輸出合力F1X，推移油缸伸出，推動機(jī)器人Ⅰ向前行走1 個截距L。

3） 帶壓拉移工況（機(jī)器人Ⅰ拉機(jī)器人Ⅱ）：機(jī)器人Ⅰ支撐油缸升壓輸出合力F1D，機(jī)器人Ⅱ支撐油缸減壓輸出合力F2X，推移油缸縮回，拉拽機(jī)器人Ⅱ向前行走1 個截距L。

F1J，F(xiàn)2J 為保證圍巖穩(wěn)定的最佳支護(hù)力；F1X，F(xiàn)2X為保證圍巖穩(wěn)定的最小支護(hù)力；F1D，F(xiàn)2D 為帶壓行駛途中保證機(jī)身靜止不動的支撐油缸輸出合力。機(jī)器人Ⅰ、Ⅱ支撐油缸輸出合力因上盾體接頂面積與機(jī)身重力不同而有所差異。

機(jī)器人Ⅰ完成拉移機(jī)器人Ⅱ后，機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ再次回歸靜態(tài)支護(hù)工況，3 種工況交替變換，實現(xiàn)臨時支護(hù)機(jī)器人穩(wěn)步前移，且保持機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ支撐油缸的輸出合力大于對頂板的最小支護(hù)力，保證對頂板的穩(wěn)定可靠支護(hù)。

2 護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)

2.1 帶壓行駛力學(xué)模型

護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人主要參數(shù)見表1。

根據(jù)護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人工作原理，建立其帶壓行駛過程中機(jī)器人Ⅱ推機(jī)器人Ⅰ、機(jī)器人Ⅰ拉機(jī)器人Ⅱ 時的受力模型， 如圖4 所示。機(jī)器人I，Ⅱ的支撐油缸輸出合力分別用F1，F(xiàn)2 表示。

由于智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的行走完全依靠護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人完成，所以推移油缸輸出總推力FT1 和總拉力FL2 不僅需要克服機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ自重產(chǎn)生的摩擦力，還需克服鉆錨平臺重力G3、電液控平臺重力G4 和運輸系統(tǒng)重力G5 所產(chǎn)生的的摩擦力。設(shè)圍巖的摩擦因數(shù)為μ，臨時支護(hù)機(jī)器人與頂板接頂比壓為P，臨時支護(hù)機(jī)器人行進(jìn)方向為正方向，建立帶壓行駛動力學(xué)模型。

機(jī)器人Ⅱ推移機(jī)器人Ⅰ時，根據(jù)牛頓定律得到力平衡公式：

FT1-（ f11+ f12）=[（G11+G12 +G5）/ g] d2 （L1 - L2）／dt2（1）

式中：f11 和f12 為機(jī)器人Ⅰ上、下盾體摩擦力，f11 + f12 =（F1 +G12 +G5）μ； g 為重力加速度； L1 為機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ間的距離；L2 為推移油缸初始長度。

機(jī)器人Ⅱ作為支撐點，輸出合力F2 為

F2 = PS 1 +G21 （2）

為保證臨時支護(hù)機(jī)器人行走時支撐點能夠提供足夠摩擦力，機(jī)器人Ⅰ，Ⅱ摩擦力關(guān)系為

f11 + f12 = （ f21 + f22）K （3）

式中：f21 和f22 為機(jī)器人Ⅱ上、下盾體摩擦力，f21 + f22 =（F2 +G22 +G3 +G4）μ；K 為摩擦力增益。

機(jī)器人Ⅱ推機(jī)器人Ⅰ時的動力學(xué)模型為

FT1 -（F2 +G22 +G3 +G4）μK =[（G11 +G12 +G5）/ g] d2 （L1 - L2）／dt2（4）

同理可得機(jī)器人Ⅰ拉機(jī)器人Ⅱ時的動力學(xué)模型：

FL2 -（F1 +G12 +G5） K =[（G21 +G22 +G3 +G4）/ g] d2 （L1 - L2）／dt2（5）

為便于仿真，本文結(jié)合陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司地質(zhì)條件與護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，最大接頂比壓取0.16，摩擦因數(shù)取0.3，根據(jù)式（2）求得護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人的支護(hù)力小于4×106 N。

2.2 帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

基于護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛過程中支護(hù)力與推移量的控制要求，確定液壓控制方式為閉環(huán)控制。護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓系統(tǒng)主要由支護(hù)液壓系統(tǒng)、行駛液壓系統(tǒng)組成，如圖5 所示。靜態(tài)支護(hù)時，為保證臨時支護(hù)機(jī)器人時刻不脫離頂板，支護(hù)液壓系統(tǒng)需時刻輸出大于上盾體自身重力的支護(hù)力，行駛液壓系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。帶壓行駛時，支護(hù)液壓系統(tǒng)根據(jù)工況要求輸出目標(biāo)支護(hù)力，行駛液壓系統(tǒng)工作，驅(qū)使推移油缸伸出、縮回，支護(hù)液壓系統(tǒng)和行駛液壓系統(tǒng)同時工作，在保證臨時支護(hù)機(jī)器人“減壓不離頂”的同時，與頂板時刻帶壓并穩(wěn)步前移。

護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）對液壓閥組件進(jìn)行控制，通過壓力傳感器與位移傳感器實時檢測支護(hù)油缸支護(hù)力和推移油缸推移量，與支護(hù)力和推移量設(shè)定值進(jìn)行差值運算后，經(jīng)放大器輸入電液伺服閥，由伺服閥來實現(xiàn)支護(hù)力和推移量的控制。

3 護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛控制方法

根據(jù)護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛工況特征，以支撐油缸輸出力與推移油缸推移量的誤差和誤差率為模糊條件，構(gòu)建基于模糊PID 的帶壓行駛控制方法。該控制方法通過集成在推移油缸上的位移傳感器與液壓回路中的壓力傳感器實時采集臨時支護(hù)機(jī)器人的壓力與位移信號，用于反映臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛途中支護(hù)力和行駛位移的變化情況，并根據(jù)支護(hù)力和推移量的誤差和誤差率，利用模糊PID 算法對支護(hù)力和推移量的控制參數(shù)進(jìn)行修正，實現(xiàn)基于模糊PID 算法的帶壓行駛可靠控制。

Δe Δe′Δe Δe′以支撐油缸輸出合力的誤差e、誤差變化率和推移油缸推移量的誤差e'、誤差變化率作為輸入量，將與之對應(yīng)的PID 參數(shù)Kp，Ki，Kd 作為輸出量，將e（e'） ， （ ） ， Kp， Ki， Kd 的論域劃分為7 個模糊子集： NB（負(fù)大） ， NM（負(fù)中） ， NS（負(fù)?。?，ZO（零） ， PS（正小） ， PM（正中） ， PB（正大） 。根據(jù)PID 參數(shù)的控制經(jīng)驗和實際情況，綜合得出PID 模糊控制規(guī)則，見表2。

對輸入量進(jìn)行模糊化、模糊推理、解模糊等，得到3 個輸出變量的大小，實現(xiàn)PID 參數(shù)在線調(diào)整。

式中： Kp0， Ki0， Kd0 為未修正的PID 參數(shù)； ΔKp， ΔKi，ΔKd 為修正值。

模糊PID 控制器在處理不同e（e'）及Δe（Δe′ ）構(gòu)成不同的組合后，使Kp，Ki，Kd 達(dá)到最優(yōu)，從而實現(xiàn)支護(hù)力與推移量在不同工況下的自適應(yīng)控制。

式中： u（t）為實時輸出控制參數(shù)； e（t）為實時誤差；t 為時間。

護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人的支護(hù)液壓控制系統(tǒng)和行駛液壓控制系統(tǒng)在帶壓行駛過程中相對獨立，因此需要分別建立支護(hù)力和推移量模糊控制策略。帶壓行駛模糊PID 控制原理如圖6 所示。支護(hù)液壓控制系統(tǒng)工作時，根據(jù)帶壓行駛支護(hù)力要求設(shè)定各個支撐油缸支護(hù)力Fi1—Fi8，將壓力傳感器檢測值轉(zhuǎn)換為支護(hù)力實際輸出值，支護(hù)力設(shè)定值與實際輸出值的誤差及其誤差變化率Δe作為模糊PID 控制的輸入變量。行駛液壓控制系統(tǒng)工作時，根據(jù)帶壓行駛推移量要求設(shè)定推移油缸推移量Xi1—Xi4，位移傳感器檢測值與推移量設(shè)定值的誤差e'及其誤差變化率Δe′作為模糊PID 控制的輸入變量。臨時支護(hù)機(jī)器人在運行過程中，通過實時監(jiān)測支護(hù)力偏差量、推移量偏差量并實時修正控制參數(shù)，以適應(yīng)不同時刻的控制要求，實現(xiàn)帶壓行駛過程中支護(hù)力和推移量的可靠控制。

4 帶壓行駛控制仿真

4.1 仿真模型

為驗證系統(tǒng)“減壓不離頂”及實時控制效果，利用AMESim 建立帶壓行駛電液伺服系統(tǒng)仿真模型，參照液壓元件實際值設(shè)置液壓系統(tǒng)參數(shù)，見表3。

假設(shè)各支撐油缸、推移油缸時刻處于同步狀態(tài)，只考慮單缸的控制性能，建立護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，如圖7 所示。該模型主要由供油部分、支護(hù)液壓系統(tǒng)和行駛液壓系統(tǒng)組成。實際工況下閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度受外部環(huán)境干擾，所以在仿真模型中加入伺服閥死區(qū)、滯環(huán)及傳感器傳輸波動信號，近似模擬護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人的實際工作過程。

應(yīng)用Simulink 搭建帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)模糊PID 控制模型，如圖8 所示。通過實時檢測推移油缸推移量與支撐油缸支護(hù)力，將推移量和支護(hù)力的誤差與誤差變化率作為模糊控制器的輸入量，經(jīng)過模糊控制器整定后輸出PID 控制值，實現(xiàn)支護(hù)力與推移量的自適應(yīng)控制。

4.2 “減壓不離頂”仿真分析

為驗證液壓系統(tǒng)能夠保證護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人在帶壓行駛過程中實現(xiàn)“減壓不離頂”，設(shè)定空載升頂距離為0.4 m，最大支護(hù)力為6×105 N，靜態(tài)支護(hù)力為2×105 N。為更直觀地觀測支撐油缸位移情況，仿真時將頂板設(shè)置成一個剛性體。不考慮支撐油缸空載升頂階段，前10 s 默認(rèn)支撐油缸已達(dá)到靜態(tài)支護(hù)工況；10～50 s 支撐油缸由靜態(tài)支護(hù)狀態(tài)斜坡加載至最大支護(hù)狀態(tài)；穩(wěn)壓10 s 后，從60 s 開始，選用斜率為?10 kN/s 的斜坡加載信號進(jìn)行減壓，每次減壓10 s；減壓結(jié)束后穩(wěn)壓10 s，直至減壓到靜態(tài)支護(hù)工況。整個過程不加入優(yōu)化控制方法，最終得到支撐油缸支護(hù)力與位移仿真曲線，如圖9 所示。圖9（a）中支護(hù)力跟隨支護(hù)力設(shè)定值變化，但是誤差較大，需要加入優(yōu)化控制方法優(yōu)化控制效果。圖9（b）中，整個減壓過程支撐油缸位移沒有隨著支護(hù)力的減小發(fā)生變化，支撐油缸與頂板時刻處于帶壓狀態(tài)，支撐油缸未脫離頂板，且支撐油缸支護(hù)力持續(xù)輸出，可保證支撐油缸在帶壓行駛過程中實現(xiàn)“減壓不離頂”。

4.3 支護(hù)力自適應(yīng)控制仿真分析

為驗證基于模糊PID 的控制方法對支護(hù)力的控制效果，選用階躍信號和斜坡信號進(jìn)行支護(hù)力加載，并與傳統(tǒng)PID 控制效果進(jìn)行對比。

1） 階躍加載。給定支撐油缸2×105～6×105 N 的階躍加載信號，支撐油缸支護(hù)力曲線與支護(hù)力誤差曲線如圖10 所示。從圖10（a）可知，PID 控制下的超調(diào)量為11.67%， 達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間為0.78 s， 模糊PID 控制下的超調(diào)量小于1%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間為0.35 s。從圖10（b）可知，模糊PID 控制下的誤差更小，趨勢更平穩(wěn)。超調(diào)量越小，輸出的支護(hù)力越穩(wěn)定，對頂板的支護(hù)效果越好。

2） 斜坡加載。為驗證基于模糊PID 的控制方法的跟蹤能力，選用斜率為10 kN/s 的斜坡加載信號，從靜態(tài)支護(hù)工況加載到最大支護(hù)力工況，得到斜坡加載下支護(hù)力曲線與支護(hù)力誤差曲線，如圖11 所示。從圖11（a）可看出，在傳統(tǒng)PID 控制和模糊PID控制下，都可較好地跟蹤給定信號，但從圖11（b）可知模糊PID 控制效果更優(yōu)，誤差更小。

4.4 推拉位移仿真分析

設(shè)定推拉截距為1 m。仿真過程中，0～80 s 推移油缸伸出，80～160 s 推移油缸縮回。仿真結(jié)果如圖12 所示，可看出，2 種控制方式下均能使推移油缸運動到指定位置，說明系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)PID 控制，模糊PID 控制下推移油缸伸出和縮回的響應(yīng)速度均得到了顯著提升。

5 帶壓行駛控制實驗

5.1 帶壓行駛控制實驗臺

根據(jù)“帶壓行駛，減壓不離頂”的工作原理，搭建了帶壓行駛控制實驗臺，如圖13 所示。實驗臺主要包括液壓、測控與帶壓行駛裝置3 個部分。液壓部分主要由液壓泵站和各類液壓元件組成，液壓泵站額定壓力為6 MPa。測控部分主要由各類傳感器、臺式計算機(jī)和PCI?9111 數(shù)據(jù)采集卡組成。帶壓行駛裝置主要由上下盾體、支撐油缸、推移油缸與外框架組成，上下盾體與支撐油缸組成臨時支護(hù)機(jī)器人，其所帶液壓缸缸徑和活塞桿直徑分別為0.04 m和0.025 m，行程為0.2 m。液壓缸最大輸出力為7.5×103 N，最大位移為0.2 m。帶壓行駛裝置工作原理與護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛原理一致，如圖14所示。支撐油缸支護(hù)力變化曲線如圖15 所示。

上位機(jī)下發(fā)目標(biāo)支護(hù)力與目標(biāo)推移量，壓力傳感器與位移傳感器實時監(jiān)測支撐油缸支護(hù)力與推移油缸推移量，通過數(shù)據(jù)采集卡的AD，DA 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對伺服閥的控制，再由伺服閥控制進(jìn)入支撐油缸的油液量與推移油缸的油液流動，實現(xiàn)對護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人支護(hù)力和推移量的控制。帶壓行駛控制系統(tǒng)組成如圖16 所示。

5.2 “減壓不離頂”實驗

結(jié)合實驗臺具體參數(shù)，為保證實驗時人員與設(shè)備的安全，設(shè)支撐油缸輸出力為2×103～4×103 N，得到支撐油缸輸出力與位移實驗曲線，如圖17 所示。圖17（b）中支撐油缸位移0.14 m 為不工作時上盾體與外框架內(nèi)側(cè)距離，可看出“減壓不離頂”實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。隨著支護(hù)力的變化，支撐油缸輸出位移未發(fā)生改變，支撐油缸與負(fù)載油缸時刻處于擠壓狀態(tài)，未發(fā)生脫離，且支撐油缸支護(hù)力持續(xù)輸出，驗證了支撐油缸在帶壓行駛的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)“減壓不離頂”。

5.3 支護(hù)力自適應(yīng)控制實驗

1） 階躍加載。實驗時，支撐油缸已經(jīng)完成空載升頂，給支撐油缸2×103～4×103 N 的階躍加載信號，實驗結(jié)果如圖18 所示。從圖18（a）可知，PID 控制下的最大超調(diào)量為12.51%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間為0.92 s，模糊PID 控制下最大超調(diào)量遠(yuǎn)小于PID 控制，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間僅為0.43 s。從圖18（b）可知，相較于傳統(tǒng)PID 控制，模糊PID 控制下相對誤差僅為0.56%，誤差更小，趨勢更平穩(wěn)。

2）斜坡加載。選用斜率為0.1 kN/s 的斜坡加載信號，實驗結(jié)果如圖19 所示。可看出實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。傳統(tǒng)PID 控制和模糊PID 控制都可較好地跟蹤給定信號，但模糊控制效果更優(yōu)，誤差更小，最大相對誤差僅為0.95%。

5.4 推拉位移實驗

實驗時，由上盾體與推移油缸擠壓生成的摩擦力充當(dāng)推移油缸的負(fù)載，連接器將推移油缸和臨時支護(hù)機(jī)器人連接，推移油缸輸出位移，設(shè)定0～20 s推移油缸伸出，20～40 s 推移油缸縮回。實驗結(jié)果如圖20 所示，可看出相較于傳統(tǒng)PID 控制，模糊PID控制有效提高了系統(tǒng)響應(yīng)特性。

5.5 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

仿真和實驗結(jié)果均證明液壓系統(tǒng)可保證護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人在帶壓行駛過程中實現(xiàn)“減壓不離頂”。為了更好地評估支護(hù)力自適應(yīng)控制仿真和實驗結(jié)果，引入最大相對誤差絕對值：

式中：N 為取樣個數(shù)；D（i） 為第i 個支護(hù)力設(shè)定值。

支護(hù)力自適應(yīng)控制仿真和實驗結(jié)果對比見表4，仿真和實驗結(jié)果均表明模糊PID 控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制，在模糊PID 控制下最大相對誤差絕對值小于1%，滿足支護(hù)力控制要求。推拉位移仿真和實驗結(jié)果對比見表5，模糊PID 控制下，推拉過程的響應(yīng)速度顯著提升，推移量誤差小于2 mm。對比結(jié)果驗證了本文所設(shè)計的控制方法效果良好，滿足護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)器人帶壓行駛控制要求。

6 結(jié)論

1） 根據(jù)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)需求，提出了臨時支護(hù)機(jī)器人“帶壓行駛，減壓不離頂”的行駛控制方式。

2） 通過分析護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛過程中推移量與支護(hù)力的關(guān)系，建立了臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛動力學(xué)模型，設(shè)計了護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)。

3） 建立了基于模糊PID 的護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人“帶壓行駛，減壓不離頂”控制實驗臺，實驗結(jié)果表明：支護(hù)力相對誤差小于1%，行駛位移誤差小于2 mm，且支護(hù)力控制和推移量控制響應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好。

4） 護(hù)盾式臨時支護(hù)機(jī)器人帶壓行駛液壓控制系統(tǒng)的可靠性高，已成功應(yīng)用于陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2023YFC2907603）；國家自然科學(xué)基金面上項目（52374161）；陜西省重點研發(fā)計劃專項項目（2023-LL-QY—03）；陜西省科技計劃項目（2023-JC-YB-331）。