协作式液压支架推移中预测控制的供回液未测扰动虚拟传感技术

《Sensors》：Virtual Sensing of Unmeasured Supply–Return Disturbances for Predictive Control in Cooperative Hydraulic Support Pushing

　　

协作式液压支架推移受共享供回液回路传递的压力边界波动及邻架支路动作的共同影响。在长壁开采系统中，公共节点压力和邻架支路流量扰动难以连续测量，这限制了其在反馈预测控制中的应用。为此，研究人员提出了一种有限传感条件下协作式液压支架推移的虚拟传感输出反馈预测控制方法。研究人员首先建立了一个面向控制的耦合模型，保留了目标缸两腔压力动态、供液主管阻抗、公共回液主管动态以及等效邻架供液和回液侧扰动流量。随后，将等效扰动流量作为供液和回液压力动态中的节点扰动输入。研究人员利用线性扩张状态观测器(LESO)，从目标缸位移、速度、无杆腔压力和有杆腔压力等测量值中，重构了公共供液节点压力、公共回液节点压力以及等效邻架扰动流量。重构变量被整合到输出反馈模型预测控制(MPC)控制器中，以在输入幅值、输入增量和输出约束下，协调位移跟踪、速度稳定、压力边界调节和阀输入平滑。研究人员通过AMESim–MATLAB/Simulink联合仿真和双支路液压实验平台验证了该方法。联合仿真结果表明，所提控制器的最大速度偏差为1.7484 mm/s，在1%速度误差带内的恢复时间为0.112 s，输入总变化量为2.3383。实验结果显示，控制器干预将最大速度波动从1.0041 mm/s降低至0.3011 mm/s，并将恢复时间从0.505 s缩短至0.038 s。结果表明，在有限传感条件下，对供回液压力边界和等效邻架扰动流量的虚拟传感，能够显著改善协作式液压驱动的运动连续性和驱动压力稳定性。

研究背景与意义

随着智能化采煤的快速发展，综采工作面的液压支架正从孤立的执行单元演变为具备协作感知、跟机移架和智能控制能力的支护群组。在协作推移过程中，目标支架并非简单的单缸位移跟踪，而是涉及液压支架、刮板输送机、公共供回液回路、邻架动作序列及闭环控制器执行的复杂耦合过程。当多个支架共享同一供回液干管时，邻架的启停操作、快速关阀或大流量动作会引起公共供液压力波动和回液背压变化。这些边界变化通过阀口压差进入目标支架油缸，进而改变两腔压差、阀口流量和推移速度。然而，在实际工程中，由于井下环境恶劣，在每一个公共节点和邻架支路上安装高频压力和流量传感器会显著增加成本与维护难度。目前，多数研究聚焦于支架姿态、动作序列和虚拟调试，而关于公共供回液中压力扰动的传播及其对目标支架局部运动连续性影响的研究尚显不足。因此，如何在有限传感条件下重构不可测的供回液边界与邻架扰动，成为提升协作推移性能的关键。该研究发表于《Sensors》杂志，对于解决复杂液压系统的受限感知与控制问题具有重要意义。

主要关键技术方法

为实现上述目标，研究人员采用了理论与实验相结合的方法。首先，建立了一个面向控制的简化耦合模型，将邻架动作对目标支路的影响等效为供液侧扰动流量 Qd,s和回液侧扰动流量 Qd,r。其次，设计了线性扩张状态观测器(LESO)，将不可测的公共供回液节点压力及邻架扰动增广为系统状态，利用目标缸可测的位移、速度及两腔压力进行在线重构。最后，构建了基于观测器的输出反馈模型预测控制器(OFMPC)，将重构的边界变量嵌入预测模型，通过求解二次规划(QP)问题实现滚动时域优化。研究通过AMESim-MATLAB/Simulink联合仿真及双支路液压实验平台对所提方法进行验证，对比分析了不同控制策略下的动态响应。

研究结果

协作推移简化多耦合模型

研究人员建立了包含目标推移缸、供液主管阻抗和公共回液主管动态的耦合模型。该模型通过流量连续性方程和压力动态方程，描述了邻架启停和关阀动作如何通过等效流量扰动影响目标缸的速度和压力响应，为后续观测器设计和预测控制合成提供了理论基础。

不可测状态重构的扩张状态观测器设计

针对公共节点压力和邻架扰动难以直接测量的问题，研究人员设计了LESO。通过对非线性模型在工作点进行线性化并建立增广模型，观测器能够利用目标缸的本地测量信息，实时估计出公共供液节点压力 Ps、公共回液节点压力 Pr以及等效邻架供回液扰动流量。理论分析证明了该观测误差在邻架扰动变化率和机械负载扰动有界的情况下是一致最终有界的。

基于观测器的输出反馈模型预测控制设计

研究人员开发了LESO-OFMPC控制器。该控制器将观测器重构的边界状态和扰动估计值代入离散化的预测模型中，定义了包含位移跟踪、供液压力抑制、回液背压抑制和阀输入平滑的性能输出。通过构造二次规划问题，在输入幅值、输入增量和输出软约束下求解最优控制增量。理论分析表明，该优化问题是严格凸的，且闭环系统在局部具有递归可行性和一致最终有界性。

联合仿真与液压平台实验验证

通过联合仿真与物理实验，研究人员验证了所提方法的有效性。在重构性能方面，观测器能够捕捉供回液压力边界和邻架扰动的主要动态变化。在控制性能方面，与PID、常规MPC和基于扰动观测器MPC(DOB-MPC)相比，LESO-OFMPC在抑制速度波动和平滑阀输入方面表现最优。实验结果表明，控制器干预使目标缸最大速度波动由1.0041 mm/s降至0.3011 mm/s，恢复时间由0.505 s缩短至0.038 s，等效驱动压差峰值由0.1933 MPa降至0.1107 MPa。鲁棒性分析进一步证实了该方法在参数摄动、测量噪声和计算延迟下的稳定性。

结论翻译

本研究解决了协作式液压支架推移中的耦合公共供回液管路扰动、邻架动作扰动传播以及不可测公共压力边界问题，提出了一种扩张状态观测器增强的输出反馈模型预测控制方法。研究建立了面向控制的简化耦合模型，利用线性扩张状态观测器重构了公共压力边界和邻架扰动，并设计了基于观测器的输出反馈模型预测控制器以协调多项性能指标。结果表明，该方法能够在有限传感条件下在线重构供回液边界和等效邻架扰动，将其整合到输出反馈预测控制中，从而减少邻架扰动对目标液压缸协作推移过程的影响，为液压支架群组协作推移控制中的不可测状态补偿和约束扰动抑制提供了可行的解决方案。