智能化采煤机控制方法及系统与流程

本发明涉及智能控制，特别涉及智能化采煤机控制方法及系统。

背景技术：

1、在现代煤矿开采中，液压支架是确保煤矿安全高效生产的重要设备之一。液压支架的主要功能是支撑煤层和顶板，防止塌方和坍塌，从而保障采煤工作的顺利进行。随着煤矿开采向智能化和自动化方向的发展，液压支架的控制技术也在不断进步。目前，液压支架的控制主要依赖于液压系统，通过调节液压油的压力、流量和温度来实现对支架的控制。然而，传统的控制方法在复杂多变的工作环境中面临诸多挑战，存在诸多问题亟待解决。

2、现有技术中，液压支架的控制通常采用简单的反馈控制系统。这种系统通过传感器实时监测液压油的压力、流量和温度，并将这些数据反馈给控制系统，控制系统再根据预设的控制策略调节液压油的工作参数。然而，这种简单的反馈控制在实际应用中存在诸多不足。首先，反馈控制系统对环境变化和突发状况的响应速度较慢，容易导致系统滞后。尤其是在煤矿开采过程中，顶板压力变化频繁，采煤机的工作状态也会不断变化，传统的反馈控制难以实时响应这些变化，导致支架的支撑效果不理想，存在安全隐患。

3、其次，现有的液压支架控制系统缺乏智能化处理能力，无法根据实际情况进行自主调整。大多数系统依赖于预设的控制策略，这些策略通常是基于经验和实验数据得出的，缺乏对复杂工况的全面考虑。例如，液压油的温度受环境温度、液压油流量和工作压力等多种因素的影响，而传统控制系统往往只考虑其中的一部分因素，导致温度控制不准确。此外，液压支架在工作过程中会受到震动、冲击和磨损等多种干扰，现有技术难以有效地处理这些干扰，导致系统的稳定性和可靠性较差。再次，现有技术在数据处理和状态预测方面也存在明显不足。液压支架的工作状态是一个复杂的多变量系统，包含了工作压力、流量、温度等多个参数，这些参数之间存在复杂的耦合关系。传统的控制方法通常采用简单的线性模型进行状态预测，难以准确描述系统的动态行为。此外，现有技术在处理传感器数据时，往往忽略了数据中的噪声和不确定性，导致状态估计不准确，从而影响控制效果。此外，随着煤矿开采深度的增加和开采强度的提高，液压支架的工作环境变得更加恶劣，工作条件也变得更加复杂。现有的液压支架控制系统在这些复杂环境下的适应能力较差，难以保证系统的高效运行。例如，深井煤矿中，温度、湿度和压力的变化更加剧烈，传统控制系统难以实时调整液压支架的工作参数，导致支架的支撑效果不理想。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供智能化采煤机控制方法及系统，实现了对液压支架工作参数的精准控制和优化。通过卡尔曼滤波和贝叶斯方法的结合，系统能够实时响应工况变化，进行动态调整，确保采煤过程的高效、安全运行。

2、为解决上述技术问题，本发明提供智能化采煤机控制方法，所述方法包括：

3、步骤1：设定采煤机在一个时间周期的液压支架的工作压力函数、流量函数和液压油函数；基于工作压力函数、流量函数和液压油函数，在初始时刻，得到初始工作压力、初始流量和液压油温度；基于初始工作压力、初始流量和初始液压油温度，生成液压支架的初始状态向量和初始协方差矩阵；

4、步骤2：构建改进的卡尔曼滤波模型，使用改进的卡尔曼滤波模型，根据初始状态向量和初始协方差矩阵，预测后续时刻的状态向量和后续时刻的协方差矩阵，并计算卡尔曼增益；

5、步骤3：选取一个目标时刻，以目标时刻为基准时刻，以基准时刻的后一时刻为更新时刻；根据每一时刻的状态向量，得到状态向量的先验分布，利用贝叶斯方法，在更新时刻，更新状态向量的后验分布；从更新后的状态向量的后验分布中，得到更新后的液压油温度的后验分布、更新后的流量的后验分布和更新后的工作压力的后验分布；

6、步骤4：根据更新后的液压油温度的后验分布、更新后的流量的后验分布和更新后的工作压力的后验分布，调整更新时刻的液压支架的工作压力、流量和温度。

7、进一步的，步骤1中，设定初始工作压力为、初始流量为和初始液压油温度为；生成液压支架的初始状态向量使用如下公式进行表示：

8、；

9、其中，、和分别是工作压力、流量和液压油温度的波动项，均通过高斯分布模拟；、和分别是工作压力、流量和液压油温度的标称值。

10、进一步的，步骤1中，初始协方差矩阵使用如下公式进行表示：

11、；

12、其中，、和分别是工作压力、流量和液压油温度在一个时间周期的标准差；、和分别是工作压力和流量、工作压力和液压油温度、流量和液压油温度之间的皮尔逊相关系数；和分别是环境噪声在一个时间周期的标准差和均值。

13、进一步的，步骤1中，工作压力函数使用如下公式进行表示：

14、；

15、其中，负载重量；a表示液压缸的受力面积；表示液压缸的活塞位置相对于其极限位置的偏移量；为对应的设定的标称值；为设定的噪声修正系数；为设定的周期调整系数；为一个时间周期的周期长度；为时间变量。

16、进一步的，步骤1中，流量函数使用如下公式进行表示：

17、；

18、其中，为液压油体积；为最大流量系数；为流量系数；为设定的流量修正系数；液压油温度函数使用如下公式进行表示：

19、；

20、其中，为环境温度；为热阻；为热阻标称值；为温升，液压油在运行过程中由于能量损耗而导致的温度上升；为热阻修正系数。

21、进一步的，步骤2中构建改进的卡尔曼滤波模型使用如下公式，预测后续时刻的状态向量：

22、；

23、其中，为根据时刻的状态向量预测得到的第时刻的状态向量；为状态转移矩阵；为控制矩阵；为时刻的控制向量；是过程噪声向量的非线性函数；使用如下公式，预测后续时刻的协方差矩阵：

24、；

25、其中，是过程噪声协方差矩阵；是过程噪声向量的非线性项；为根据时刻的协方差矩阵预测得到的第时刻的协方差矩阵；为向量或矩阵的转置运算；使用如下公式计算预测得到的第时刻的卡尔曼增益：

26、；

27、其中，是观测矩阵；是测量噪声协方差矩阵。

28、进一步的，状态转移矩阵使用如下公式进行表示：

29、；

30、其中，为转移频率；为时间步长；控制矩阵使用如下公式进行表示：

31、。

32、进一步的，步骤3具体包括：设定目标时刻作为基准时刻；设定更新时刻为；根据卡尔曼滤波预测的状态向量和协方差矩阵，得到状态向量的先验分布；利用贝叶斯方法在更新时刻更新状态向量的后验分布；从更新后的状态向量的后验分布中，得到更新后的液压油温度、流量和工作压力的后验分布；其中，先验分布表示在没有观测数据时，根据模型预测的状态分布：

33、；

34、通过如下公式，根据观测数据更新状态向量的后验分布；表示从初始时刻到当前时刻所获得的观测数据集合；

35、；

36、其中，是观测数据的似然函数；是观测数据的边缘分布；状态向量的后验分布为：

37、；

38、协方差矩阵的后验分布为：

39、；从更新后的状态向量和协方差矩阵中得到液压油温度、流量和工作压力的后验分布；设为：

40、；

41、其中，是更新后的工作压力的后验分布，是更新后的流量的后验分布，是更新后的液压油温度的后验分布；每个变量的后验分布从状态向量的后验分布中提取，并表示为正态分布：

42、；

43、；

44、；

45、其中，表示在时刻新后的工作压力的均值；:表示在时刻更新后的工作压力的方差；:表示在时刻更新后的流量的均值；:表示在时刻更新后的流量的方差；表示在时刻更新后的液压油温度的均值；表示在基准时刻更新后的液压油温度的方差；为正态分布表示符。

46、进一步的，步骤4具体包括：根据更新后的均值，计算每个参数的调整值：

47、；

48、其中，为工作压力的调整值；为流量的调整值；为液压油温度的调整值，和分别为基准时刻的工作压力、流量和液压油温度；根据计算出的调整值调整更新时刻的液压支架的工作压力、流量和温度：

49、。

50、另一方面，本发明还提供智能化采煤机控制系统，所述系统包括：

51、系统初始化部分，用于设定采煤机在一个时间周期的液压支架的工作压力函数、流量函数和液压油函数；基于工作压力函数、流量函数和液压油函数，在初始时刻，得到初始工作压力、初始流量和液压油温度；基于初始工作压力、初始流量和初始液压油温度，生成液压支架的初始状态向量和初始协方差矩阵；

52、卡尔曼滤波部分，用于构建改进的卡尔曼滤波模型，使用改进的卡尔曼滤波模型，根据初始状态向量和初始协方差矩阵，预测后续时刻的状态向量和后续时刻的协方差矩阵，并计算卡尔曼增益；

53、贝叶斯更新部分，用于选取一个目标时刻，以目标时刻为基准时刻，以基准时刻的后一时刻为更新时刻；根据每一时刻的状态向量，得到状态向量的先验分布，利用贝叶斯方法，在更新时刻，更新状态向量的后验分布；从更新后的状态向量的后验分布中，得到更新后的液压油温度的后验分布、更新后的流量的后验分布和更新后的工作压力的后验分布；

54、控制更新部分，用于根据更新后的液压油温度的后验分布、更新后的流量的后验分布和更新后的工作压力的后验分布，调整更新时刻的液压支架的工作压力、流量和温度。

55、本发明的智能化采煤机控制方法及系统，具有以下有益效果：

56、首先，本发明通过卡尔曼滤波和贝叶斯方法的结合，实现了对系统状态的动态更新和优化。卡尔曼滤波器利用状态转移矩阵和控制矩阵，基于先验分布预测系统状态，然后通过观测数据的修正，计算出状态向量的后验分布。贝叶斯方法在更新时刻进一步修正状态向量和协方差矩阵，使得系统能够实时反映当前工况的变化。这一过程提高了状态估计的精度，使系统能够在复杂、多变的工作环境中保持稳定运行。

57、其次，本发明通过计算每个参数的调整值，并据此调整液压支架的工作参数，实现了系统状态的平稳过渡和优化控制。工作压力、流量和液压油温度的调整值基于更新后的均值计算，反映了系统在基准时刻和更新时刻之间的变化情况。通过实时计算和应用这些调整值，系统能够迅速响应工况变化，进行适当的优化调整，确保液压支架的稳定运行。这种实时调整的方法不仅提高了系统的响应速度，还增强了控制精度，确保采煤过程的高效和安全。

58、此外，本发明在状态转移矩阵和控制矩阵的设计中，充分考虑了系统状态和控制输入的非线性和周期性变化因素。状态转移矩阵通过引入正弦和余弦函数，精确描述了系统状态在周期性影响下的动态变化；控制矩阵通过引入正切和反正切函数，反映了控制输入的非线性影响。这些设计使得系统能够更好地适应实际工况的复杂变化，提高了模型的鲁棒性和适应性。