[发明专利]地下开采液压支护系统的群组自组织协同控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿采煤工作面液压支架群组的控制方法，具体的说就是通过液压支架个体之间、液压支架与采煤工作面围岩之间局部交互产生预期支架群组支护行为的一种分布式控制策略。 

背景技术

在阐述技术背景之前，首先说明下面三个词汇的含义： 

液压支架：采煤工作面支护设备，用来支撑和控制顶板，隔离采空区；与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化。

工作面围岩：采煤工作面受开挖影响范围内的岩层，分为顶板、煤层和底板三部分。 

支护系统：由不同功能的多个液压支架组成的设备群组。一般包括中间支架（负责工作面中间部分的支护，根据工作面长度不同，数量从几十架到一百多架不等）、过渡支架（负责工作面到巷道过渡部分的支护，根据具体情况，数量从2架到4架不等）和端头支架（负责与工作面相邻的巷道的支护，一般工作面两端各一架，共2架）。 

目前，工作面液压支架支护系统全部采用的是集中式控制，在巷道中放置中央控制站，由其连接井下服务器构成主控机构，掌握工作面全局及所有液压支架个体的信息；在支护系统中的每个液压支架个体上安设感知围岩变化的传感器和控制支架个体行为的控制器，这些控制器通过PROFIBUS、CANBUS等总线型式连接至主控机构，从而上传感知信息和下载执行行为指令。集中式控制通过全局通信来协同个体间的行为，整个系统一般只存在主控机构和个体间的通信，而个体之间没有或只传递很少的信息；所有信息处理、计算、控制、通信等决策功能均由主控机构完成，控制关系只存在于主控机构和个体之间，两个个体相互没有控制关系。集中式的优点是控制结构直观，一般不存在局部最优解；缺点是忍耐性和适应性差，对主控机构的要求高，不适用于动态、开放、规模大的系统。 

近年来，随着煤炭地下开采规模、强度和深度的加大，地质条件越来越复杂，围岩跨落、断裂、冲击等动态特性越加明显，围岩活动的不确定性对支护系统的适应性、灵活性提出了更高的要求。当前，采用液压支架围岩耦合三维动态设计方法（ZL201010231729.1）提高了支架个体对围岩动态变化的适应性，但其行为是在主控系统控制下对围岩变化的单独响应，个体间并不存在相互控制，因而作为一个支护系统，其所表现出的群组行为是多维的、分散的，无法收敛于支护系统的整体目标。在实际生产过程中，为控制支护系统的群组行为达到预期目标，提高整体适应性，多采用人工干预方式，对支架个体或相邻的个体组合进行单独控制，这种方式需要人进入到工作面或巷道操作。 

然而，鉴于井下工作环境恶劣、安全难以保证，要求多采用自动化、无人化技术及装备，尽可能避免人工井下作业；另外，随着薄煤层甚至极薄煤层的开采，空间局限，工人也几乎没有办法进入工作面进行采煤作业。因此，集中式的支护系统控制方式已经无法满足煤炭地下开采的进一步需求，而基于局部信息自主决策的分布式控制方式没有主控机构，个体之间地位平等，不存在主从关系，支护群组能够通过自组织协同作业产生预期的、目标一致的群行为，对围岩及煤炭开采过程具有更强的灵活性和适应性，能够有效增强支护效果、适应自动化和无人化开采需求。 

发明内容

本发明公布一种煤矿地下开采液压支护系统的群组自组织协同控制方法，针对井下开采支护设备对围岩的多约束特性及协同支护效应，考虑支护系统组织性、群组稳定性、推进协同性对围岩沉降及垮塌的影响，基于液压支架个体之间、液压支架与采煤工作面围岩之间的局部信息交互建立一种分布式控制策略，从而产生预期的工作面液压支架群组支护行为，实现梯度刚度围岩的可控沉降自适应支护控制，以及大规模支护设备群组的自组织推进及协同排队控制。 

本发明方法采用如下技术方案：采用液压支架局部信息自主决策的分布式控制策略，取消液压支架支护群组的主控机构，建立群组内个体之间信息传递、控制和决策的自组织协同作业机制；群组自组织协同控制系统由围岩自适应控制和队列保持推进控制两部分组成。 

（1）围岩自适应控制。 

①围岩自适应控制的群目标行为：支护设备群组形成的空间下缩量最小，以及没有其他物质（矸石、片帮大块煤等）进入到该空间。 

②液压支架个体间、群体间以及与围岩间产生的虚拟作用力以支架能够提供的三维空间大小为参数，以个体支架空间变化的趋势（即使空间缩小的虚拟力和使空间放大的虚拟力共同作用而产生的虚拟合力）定义其社会地位。 

③采用基于社会势场和行为的自组织混合控制策略建立控制函数，控制策略是：支架个体之间，其空间大小总是趋于群内个体的平均空间大小，且某个支架个体的空间不小于其前后相邻两支架的平均空间大小。