0.   引言

煤矿智能化开采是实现煤炭资源安全高效开发的有效途径^[1-2]。工作面综采装备群自动化连续、稳定协同运行是智能化开采的基础^[3]。液压支架通过与围岩、开采装备等相互作用，为工作面提供安全的作业空间，是工作面综采装备群最重要的装备之一^[4]。液压支架精准推移与快速跟机技术直接影响综采装备群自动化连续协同运行效果，进而影响工作面智能化开采水平。因此，液压支架精准推移与快速跟机是实现煤矿智能化开采的关键技术支撑，也是现阶段的研究热点。

液压支架推移包括拉架、推溜2种工序，针对大采高液压支架而言，二者对应推移油缸的伸出和收回动作。推移油缸采用电磁换向阀控制，因此实现液压支架精准推移可等效为实现阀控缸系统精准位置控制。液压支架快速跟机是指液压支架基于采煤机位置，按照设定的自动化程序跟随采煤机快速动作。该过程中不可避免地会出现工作面液压系统压力波动大及因工艺程序设计不合理而导致跟机动作不到位的现象。在液压支架跟机过程中，降、移、升这3种工序为连续动作，且用液量大、负载高，提高其动作速度是实现液压支架快速跟机的关键。因此，需从跟机工艺、稳压供液、快速移架等方面实现液压支架快速跟机。

研究人员通过研制新型阀件、优化控制策略、完善跟机工艺、改进液压系统等方式提高液压支架推移动作的精度与跟机速度，为实现简单地质条件煤层智能化开采创造了良好条件。但相关技术在现场应用时，由于地质条件复杂多变，乳化液泵站、液压支架等煤机装备适应性不强，导致装备与采场耦合关系差，出现液压支架跟随采煤机运行速度慢、推移不到位、丢架等现象^[5]。如何进一步提高液压支架推移动作的精度和跟机速度，是实现较复杂地质条件煤层智能化开采的前提，也是当前乃至未来重要的研究方向之一。

1.   技术研究现状

1.1   液压支架精准推移技术

实现液压支架精准推移的本质在于提高煤矿环境下阀控缸系统的位置控制精度。阀控缸系统在工业领域应用十分广泛，部分领域已实现高精度位置控制，因此有必要借鉴其他领域成熟的阀控缸精准位置控制技术。电液比例阀、高速开关阀、电磁换向阀是常用的控制阀件，很多学者对阀件的性能加以优化，以实现精准位置控制。

1.1.1   电液比例阀控缸位置控制

电液比例阀是一种输入信号连续、按比例控制油液的阀件，按传动介质分为油基和水基2种。相较于水介质，液压油黏度高、润滑好、泄漏少，易实现高压大流量油液控制。针对油基电液比例阀控缸位置控制，一般通过优化算法来提高控制精度，而水基电液比例阀尚无成熟的工业应用实例。

PID算法在油基电液比例阀控缸位置控制中的应用十分广泛。基于PID控制器的油基电液比例阀控缸位置控制系统AMESim仿真模型如图1所示。将系统实时采集的液压缸活塞杆位置信号作为反馈输入参与系统位置控制，在一定程度上提高了控制精度，但相对于精度需求而言，常规PID算法控制精度仍较低，且存在抗干扰能力差等问题。对此，李延民等^[6]提出了融合PID和模糊理论的新型控制算法并进行仿真，通过模糊控制实时修改PID参数，实现对阀口流量的精准控制，进而实现位置控制，如图2所示，其中e为误差，t为时间，de/dt为误差变化率，E为误差经模糊化后的模糊集合，EC为误差变化率经模糊化后的模糊集合，Δk_p，Δk_i，Δk_d分别为比例、积分、微分参数的调整量，u为控制信号。陈立娟等^[7]指出阀控缸位置控制系统是一个具有可变流量死区和流量增益的非线性时变系统，需通过死区补偿提高控制精度；同时设计了基于死区在线检测的模糊PID自适应位置控制器，其通过采集主阀开始运动时的先导阀电磁铁电流来表征死区大小，并对死区进行补偿，以提高控制精度。王立新等^[8]通过构造死区逆模型对死区进行补偿，设计了平滑补偿函数，并通过实验室实测方法获得参数值，针对补偿函数的补偿误差引入扩张状态观测，实现对补偿误差的估计与补偿。

图  1  电液比例阀控缸位置控制系统仿真模型

Figure  1.  Simulation model of hydraulic cylinder position control system based on proportional valve

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图  2  PID+模糊控制系统

Figure  2.  PID and fuzzy control system

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采用液压油作为传动介质的油基电液比例阀控制精度高，可满足液压支架推移动作的精度需求，但液压油成本高，且泄漏后对环境影响大，因此液压支架采用乳化液作为传动介质，应采用水基电液比例阀控制技术。

1.1.2   高速开关阀控缸位置控制

高速开关阀的阀芯行程小，响应时间为毫秒级，采用高载频的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）形式进行开关切换，实现对液压缸活塞杆位置控制。优化控制算法是提高高速开关阀控缸位置控制精度的主要途径之一。

刘胜凯^[9]为解决PWM控制开关阀精度低的问题，提出了CMAC（Cerebellar Model Articulation Controller，小脑模型关节控制器）−PID复合控制算法，如图3所示。CMAC先将目标位置量化成数字量，再经过虚拟映射、概念映射方式映射到存储空间，采用有导师的学习算法反复调整存储空间各映射的权值，得到理想的神经网络。采用训练好的CMAC实现前馈控制，PID实现反馈控制，将稳态误差控制在±0.1 mm内。Liu Zhihao等^[10]提出了基于PWM的PD控制和速度前馈−位移反馈复合算法，并采用遗传算法对控制参数进行整定。J.-H. Lee等^[11]为解决因滞后和饱和环节的高度非线性特性导致的开关阀控制难问题，设计了基于非线性观测器的开关阀控制器，通过跟踪期望的阀芯轨迹来控制通过阀口的流量，实现精准位置控制。

图  3  CMAC−PID复合控制算法^[9]

Figure  3.  CMAC-PID compound control algorithm^[9]

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高速开关阀控缸位置控制精度高，在交通运输、航空航天等领域应用广泛。但高速开关阀对传动介质清洁度要求高，且存在使用寿命短、可靠性低、制造成本高等问题。未来研究应聚焦提高开关阀的使用寿命及降低制造成本，研制适应煤矿井下恶劣条件的大流量开关阀，实现液压缸精准位置控制。

1.1.3   电磁换向阀控缸位置控制

电磁换向阀是一种用于切换执行器运动方向的阀件，具有对油液要求低、开闭过程鲁棒性好、加工精度要求低等优点，但存在输入约束、非线性延时和切换频率低等问题。若感知液压缸到达目标位置后再操作电磁换向阀，则一定会存在超调量。学者们采用提前控制电磁换向阀、慢速接近目标位置等方法提高电磁换向阀控缸位置控制精度。

提前控制电磁换向阀方面，杨雁等^[12]通过迭代学习方法控制电磁换向阀动作的位置，即在线获取阀动作时的位置提前量并进行线性拟合，通过可变学习增益加快收敛速度和控制学习率误差容限提高算法的鲁棒性，并将研究成果应用于注塑机开合模机构，实现了定位控制，但该方法需保证在液压缸稳定运动过程中切换阀的工作状态。任怀伟等^[13]设计了一种数字液压缸控制系统（图4），采用控制器高频采集液压缸的状态参数，计算电磁换向阀的动作位置并进行控制，确保液压缸的实际位置为目标位置，同时指出提前动作的距离与油液压力、流量、负载、系统本身属性等存在映射关系。

图  4  数字液压缸控制系统

Figure  4.  Digital cylinder control system

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慢速接近目标位置方面，学者们采用增加节流阻尼或脉频调制的方式，将液压缸动作分为快速动作和精准定位2个阶段，提高位置控制精度。周创辉等^[14]设计了双换向阀+节流阻尼的液压缸精准位置控制系统（图5），采用电磁换向阀3.1和装有节流阻尼的电磁换向阀3.2控制液压缸，2个换向阀互锁控制。在快速动作阶段，换向阀3.1工作，换向阀3.2闭锁，实现快速动作；在精准定位阶段，换向阀3.2工作，换向阀3.1闭锁，小流量慢速接近。杨韩峰等^[15]在精准定位阶段采用PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）控制电磁换向阀，实现小流量接近，达到精准定位的目的。

图  5  双换向阀+节流阻尼的液压缸精准位置控制系统^[14]

1—液压泵；2—溢流阀；3.1, 3.2—电磁换向阀；4.1, 4.2—节流阻尼；5—底座；6—液压缸；x—目标位置；y—实时位置。

Figure  5.  Precise position control system of hydraulic cylinder based on double directional valve and throttle valve^[14]

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电磁换向阀控缸位置控制的精度相对较低，但装置制造简单，成本低，常用于精度要求不高的场合。通过增加节流阻尼、PFM控制方式实现电磁换向阀控缸位置控制，会带来装置制造成本高、系统复杂、动作时间长等问题。

1.1.4   液压支架推移油缸精准位置控制

煤矿领域亟需实现精准位置控制的液压缸有液压支架的推移油缸和尾梁液压缸、采煤机的调高液压缸等。液压支架采用乳化液作为传动介质，油液内存在较多气泡，在运动过程中易对阀体产生冲蚀，影响电液比例阀、高速开关阀的控制精度及可靠性，因此推移油缸常采用电磁换向阀控制。学者们通过研制大流量水基电液比例阀、设计新型逻辑阀等方式实现液压支架精准推移。

研制大流量水基电液比例阀方面，工作面液压系统的压力可达31.5 MPa，流量达500 L/min以上，采用乳化液作为传动介质，可采用水基电液比例阀控制，而现有三位四通比例阀的工作压力为17 MPa以下，流量不超过100 L/min。为此，廖瑶瑶等^[16]研制了一种新型二位三通比例阀，采用伺服电动机驱动丝杠螺母及L型驱动杆，先导阀和主阀采用座式结构，适用于高压大流量系统，但尚无成熟产品。张增猛等^[17]研制了新型音圈电动机直驱的二位二通比例阀，利用音圈电动机体积小、频响和控制精度高、输出力和输出位移大等优势，增大比例阀的流量调节范围，提高控制精度，但在零开口时存在较小的内泄漏。

设计新型逻辑阀方面，李首滨等^[18]研制了两级联动调速阀，实现了拉架和推溜单一动作时快速动作，快到位时切换成节流阀精准控制。王峰^[19]研发了推移控制逻辑阀（图6），通过是否喷雾区分快速推移与精准控制阶段。当电液换向阀（喷雾功能）未动作时，工作口A，B保持正常大孔口连通工作，与未配置逻辑阀时的功能回路作用相同，实现快速推移；当换向阀执行喷雾动作时，高压油液由逻辑控制口C进入逻辑阀，推动进液阀杆上移，克服预设弹簧力，使工作口A，B切换到小孔口工作状态，实现精准接近目的。

图  6  推移控制逻辑阀工作原理^[19]

1—推移油缸；2—阀芯（设有节流孔）；3—弹簧；4—进液阀杆；5—电液换向阀（喷雾功能）；6—电液换向阀（推移功能）；A，B—工作口；C—逻辑控制口。

Figure  6.  Operating principle of push control logic valve^[19]

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大流量水基电液比例阀研究尚处于实验室阶段，存在对油污等级敏感、产品结构复杂等问题，无法直接应用到实际生产过程中。通过增加逻辑阀的方式实现精准位置控制存在如下问题：① 使阀控缸系统更加复杂，大幅增加成本；② 延长跟机时间，未考虑液压支架跟机速度远小于割煤速度的现状，不符合实际情况。后续研究应聚焦2个方面：① 研制适合井下环境的大流量高压水基电液比例阀，并借鉴油基电液比例阀的控制算法，提高水基电液比例阀的控制精度；② 通过智能优化控制算法预估每次动作的提前量，确保实际停止位置为目标位置。

1.2   液压支架快速跟机技术

液压支架自动跟机技术在工程应用时极大程度地减少了工作面人数，降低劳动强度，为实现工作面智能化、少人化开采提供了良好的基础。但就现有技术的应用现状来看，自动跟机相较于人工控制速度慢，且推移不到位、丢架等情况时有发生，原因在于：① 跟机工艺不合理，未考虑工序并列运行的情况，且动作时间设置不合理，导致跟机速度慢；② 供液系统不稳定，当多支架动作时，工作面压力急剧下降，不可避免地存在支架动作速度慢、推移不到位的情况；③ 移架工序设计不合理，以降柱动作时间确定降柱距离，容易导致降柱距离过大时延长移架时间，而降柱距离过小时拉架不到位。因此，应从优化跟机工艺、稳压供液、快速移架等方面提高跟机速度，实现液压支架快速跟机。

1.2.1   优化跟机工艺

为实现简单地质条件工作面智能化、少人化开采，我国率先在薄及中厚煤层实现了液压支架自动跟机+工作面可视化运行的开采模式，如陕煤集团黄陵矿业公司一号煤矿、陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司（简称柠条塔煤矿）等。柠条塔煤矿S1202工作面液压支架跟机工艺如图7所示。学者们从工序顺序优化和工序动作时间预测2个方面提高跟机速度，实现快速跟机。

图  7  柠条塔煤矿S1202工作面液压支架自动跟机工艺

Figure  7.  Automatic follow-up process of hydraulic support in S1202 working face of Ningtiaota Coal Mine

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工序顺序优化方面，高卫勇等^[20]以广泛应用的全截深双向割煤为例，将跟机工艺分为机头、中部和机尾３个区间，并分区间给出基于采煤机位置前后若干液压支架工序的动作时间及先后顺序，在基于时序控制的自动跟机工艺方面进行了初步探索。雷照源等^[21]考虑围岩环境对跟机工艺的影响，提出了液压支架自适应控制方法，如遇到工作面底板松软时，移架和抬底工序并列运行，从而减少移架时间。刘清等^[22]为解决因采煤机速度快而造成的自动移架与推溜动作区域重合、割三角煤前需推直刮板输送机等存在冲突工序的问题，重新匹配了各工序的优先级及运行逻辑。

工序动作时间预测方面，李昊等^[23]采用数值统计方法给出每个工序合理的动作时长，并根据实际运行状态动态更新。王虹等^[24]开发了基于遗传算法的神经网络优化算法，将移架时间与工作面倾角作为输入，移架距离作为输出，获得移架时间与距离的关系。牛剑峰等^[25]将传感器感知技术引入工序动作时间预测中，将传感器感知的设备状态作为自动跟机的控制逻辑，将先前固化的跟机流程变为以环境、设备实时状态为判断条件的动态流程。

通过优化工序顺序、准确预测工序动作时间等方法，提高了自动跟机工艺对采场环境、装备状态的适应性，有效缩短了液压支架跟机时间，提高了装备自动化率，加快了跟机速度。柠条塔煤矿S1202工作面采煤机、液压支架自动化率达90%以上，常态化割煤速度达8 m/min，如图8所示。

图  8  柠条塔煤矿S1202工作面某日跟机自动化率

Figure  8.  Automation rate of follow-up in S1202 working face of Ningtiaota Coal Mine on a certain day

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液压支架自动跟机技术在工程应用中存在以下问题：① 液压支架无法根据采煤机速度动态调整跟机工艺，目前采用的单架依次顺序式自动跟机工艺支护效果好，但跟机速度慢，限制了采煤机牵引速度的提高；② 受传感器感知技术、通信技术、边缘端数据处理能力等制约，基于设备状态的自动跟机工艺仍处于理论研究阶段，尚无工程实例。

1.2.2   稳压供液技术

工作面液压系统的供液动力直接影响液压支架执行动作的驱动力、速度、稳定性等。当工作面过长时，主进液管压降大，主回液阻力大，远离泵站端的液压支架动作会因压力不足而出现丢架现象。工作面常采用网络式供液系统（图9），以降低压力损失，保障工作面供液压力的稳定性，从而提高工作面整体液压支架的移架速度。

图  9  工作面网络式供液系统

Figure  9.  Networked liquid supply system in working face

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学者们通过控制乳化液泵站压力的恒定实现稳压供液。Liu Chang等^[26]指出泵站供液模块是纯滞后二阶大惯性环节，常规PID控制器无法满足恒压供液的需求，提出采用模糊免疫PID控制器实现泵站恒压供液。模糊免疫PID控制器原理如图10所示。免疫调节模块接收泵站压力u（即控制信号）和压力变化率du/dt，输出比例参数k_p；模糊推理模块接收控制误差e和误差变化率de/dt，输出积分参数k_i、微分参数k_d，实现控制系统参数的自整定，提高系统抗干扰能力和鲁棒性。Tan Chao 等^[27]对泵站与液压支架动作进行关联分析，采用埃尔曼神经网络预测出口压力，实现对泵站的启停控制。付翔等^[28]提出多泵变频供液方法，在液压支架动作工序前增加供液工艺，使所供流量满足后续动作要求，并采用动作与供液工序交叠控制的逻辑，减少液压支架动作的等待时间。

图  10  模糊免疫PID控制器工作原理

Figure  10.  Operating principle of fuzzy immune PID controller

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通过上述方式可实现泵站压力、工作面供液系统压力恒定控制，但未考虑多支架协同动作时，供给每台液压支架的压力、流量均会受到影响，从而影响液压支架动作速度及效果。

1.2.3   快速移架技术

一般认为，可以通过减少推移时间或升降柱时间来提高移架速度，实现快速移架。在减少推移时间方面，目前主流的方法是将大采高液压支架的推移油缸倒置略倾斜安装，在保证移架力大于推溜力的前提下，提供一定的向上抬底力，避免出现扎底情况，减少推移时间。在减少升降柱时间方面，分析影响升降柱速度的因素并通过改进液压系统的结构来提高动作速度是当前的研究热点。

黄蕾等^[29]采用AMESim软件建立了液压支架仿真模型，研究泵站流量、降柱距离、供液管径等因素对移架速度的影响，结果表明：增加流量可提高升柱速度，对降柱影响不大；减小降柱距离、加大供液管径可明显提高降升柱速度。王巍等^[30]将无杆腔的油口改为双口，增加的油口通过单向阀与主回液管相连，使得回液阻力减小，降柱速度明显加快，升柱时间变化不大。张良等^[31]通过快速交替阀实现快速降柱，活塞腔回液经液控单向阀后直接通过交替阀进入主回管路，此时主阀短路，交替阀通流面积明显大于主阀回液通道面积，可大幅提高降柱速度。

采用增大乳化液泵站工作压力、增加多台泵提高工作流量的方式来加快移架速度存在以下难题：① 远距离高压流体输送技术中的压降大和高压产生的爆管问题短期内难以解决；② 增大工作压力、流量会相应地增加油液管路通径，造成管路布置困难。

2.   解决难题的技术途径

针对液压支架精准推移和快速跟机技术存在的问题，给出解决供液系统压力波动大、推移动作控制精度低、跟机效果差、跟机速度慢等难题的有效技术途径。

（1） 工作面供液系统恒压控制。在每台液压支架进液端增加压力动态补偿装置（蓄能器），以减小供液系统的压力波动，补偿压力损失，保证系统稳定供液，达到液压支架动作时油液压力、流量变化不大的目的。

在煤矿实际生产中，可认为工作面供液系统阻尼、负载等环境参数变化不大。当液压支架动作过程中外部环境参数（压力、流量、系统阻尼、负载等）变化较小时，认为每次液压支架动作的速度、位移超调不变或在工业误差允许范围内小幅变化，为实现液压支架精准推移和快速跟机提供基础条件。

（2） 提高液压支架推移控制精度。采用一种带位置反馈的电磁换向阀控缸位置控制系统，通过传感器感知油液压力、流量、活塞杆位移等状态参数，采用智能优化控制算法预估到达目标位置的提前量，超前控制换向阀动作，实现液压支架精准动作控制。

因液压支架动作时外部环境变化不大，若确保每次换向阀切换时液压缸均处于匀速运动阶段，在一定环境参数范围内进行多次试验并将结果用于样本学习，可得到该环境条件下的提前量。经过多次迭代学习，可提高预估提前量的精准度，超前控制换向阀动作，实现精准位置控制。同时，也可保证在设计时间内完成液压支架动作，减少推移不到位、丢架等现象，为后续自动跟机工艺设计提供便利。

（3） 保障液压支架自动跟机效果。基于时序的自动跟机控制无法适应围岩、供液系统等各种环境参数的变化，因此采用基于设备感知+时序控制的跟机策略，以传感器感知的设备状态为判断条件，优先控制液压支架动作，并在工作中根据环境参数、人工操作数据优化跟机移架的工艺节拍。

基于安装在立柱下腔和推移油缸无杆腔的压力传感器、推移油缸行程传感器感知的液压支架运动状态参数控制液压支架动作。采用立柱压力判断降柱、升柱工序的结束时刻，结合推移油缸压力和位置判断移架、推溜工序的结束时刻。通过上述方式，降低液压支架动作不到位等情况出现的概率，减少工作面人数，实现少人化开采。同时，可以减少各工序的等待时间，提高液压支架的自动跟机速度。

（4） 提高工作面整体跟机速度。目前工作面自动跟机常采用单架依次顺序式移架，支护效果好，但移架速度慢；分组间隔交错式支护效果略差，但移架速度快，适用于煤层地质条件好、采煤机割煤速度快的情况。可采取基于采煤机速度动态调整的移架方式，在支护效果与移架速度间找到平衡点，实现快速跟机。

先根据工作面地质条件，确定可以采用的移架方式，再通过现场测试获得不同移架方式对应的采煤机割煤速度范围。自动跟机程序根据采煤机实时速度，按照预设的移架方式自动跟机，增强工作面装备间的协调性和对采场环境的适应性，实现液压支架快速跟机和工作面快速推进。

3.   技术发展趋势

（1） 集中−分布式敏捷高效供液。在现有乳化液泵站集中供液的基础上，研究分布式液压支架独立自供液压力、流量动态补偿装置，实现对液压支架动作的高效敏捷供液，保障液压支架动作稳定性和快速性。

（2） 液压支架控制器边缘计算能力提高。为实现基于液压支架精准推移与快速跟机的智能化开采，边缘端需要处理的数据量显著增加。传感器数据高频采集、智能优化控制算法快速处理、控制信号高速传输都要求液压支架端具有优秀的边缘数据采集和处理能力，因此液压支架控制器边缘计算能力的日益提高是未来发展的重要趋势之一。

（3） 跟机控制策略对采场环境适应性增强。与现有固化单一的跟机控制策略不同，未来跟机策略对采场环境的适应性将明显增强，液压支架动作不到位、过饱和动作情况将大幅减少，工作面人数显著减少，为提高简单地质条件煤层的智能化水平、实现少人化开采提供技术保障。同时，对较复杂地质条件煤层实现智能化开采具有积极意义。

（4） 采场−装备动态耦合与跟随控制。当前，智能化工作面普遍存在“提智不提效”的现象，这是由于现有的智能化开采技术从单一问题出发，未考虑其与采场环境、工作面装备群的动态耦合。未来需增强乳化液泵站、液压支架、采煤机等工作面装备与采场环境的适应性与协调性，提高工作面智能化开采水平，做到“提智亦提效”。

4.   结语

液压支架精准推移和快速跟机作为实现工作面智能化开采的前提，学者们已对其进行了大量的研究，取得了丰硕成果。但智能化开采对装备运行的精度、速度要求越来越高，未来应着重从装备间动态数据融合、增强对采场环境适应性等方面，切实提高工作面智能化水平，保障工作面稳定、协同、连续推进，大幅提高工作面运行效率，实现工作面高产高效。