一种极薄煤层液压支架姿态调整方法及系统与流程

本发明涉及煤矿开采，更具体的涉及一种基于sarsa改进模糊pid的极薄煤层液压支架姿态调整方法及系统。

背景技术：

1、在我国，煤炭资源一直是主要的能源之一，而其开采面临的挑战也逐渐呈现出新的特点。当前，我国煤炭资源储量丰富，然而，煤层赋存形态多样，其中薄煤层和极薄煤层成为煤炭开采的新焦点。通常以1.3米和0.8米为分界线，厚度在1.3米以下的被称为薄煤层，而低于0.8米的则属于极薄煤层。尤其在西南、华东及东北地区，薄煤层和极薄煤层的储量更为突出。近年来，受到煤矿综采设备与技术水平的提升以及对厚煤层与中厚煤层过度开采的影响，使得这些储量急剧减少，甚至枯竭。因此，薄煤层和极薄煤层逐渐成为我国煤炭主要的开采区域。

2、极薄煤层的开采对于解决矿区开采接续矛盾、提高资源回收率以及缓解地区煤炭供求矛盾具有重要意义。然而，极薄煤层的开采面临着一系列巨大的挑战。首先，极薄煤层的开采空间有限，煤层构造复杂，存在褶曲、断层、瓦斯等多重地质难题，使得作业环境异常恶劣，生产安全隐患较多。其次，综采难度较大，对机械设备适应性要求极高。目前，采用木桩、单体等传统而落后的方式进行支护，导致人员安全难以保证。因此，研发能够应用于极薄煤层的支护设备显得尤为紧迫和重要。极薄煤层开采是煤炭行业面临的一项复杂而具有挑战性的任务。随着对能源资源需求的不断增长，煤炭作为主要能源来源之一，对薄煤层的开采需求逐渐上升。极薄煤层一般指煤层厚度小于1.2米的薄层，其开采面临一系列的技术和工程难题。

3、在极薄煤层开采的背景下，液压支架作为一种重要的煤矿支护设备，承担着煤矿工作面的支持和稳定任务。然而，极薄煤层的地质条件常常变化多端，包括煤层薄、岩层间隙大、地应力复杂等，给液压支架的工作带来了巨大挑战，液压支架姿态调整系统往往面临以下问题：

4、1)地质条件复杂：极薄煤层的地质条件复杂，岩层变化大，导致液压支架在工作过程中需要频繁调整姿态以适应地质变化。

5、2)姿态响应速度低：传统的姿态调整系统在应对极薄煤层的复杂地质条件时，调整精度有限，难以满足对支架姿态高精度要求。

6、3)实时性差：在极薄煤层采矿中，液压支架需要实时调整姿态以确保工作面的稳定性，传统的姿态调整系统调整姿态的实时性较差。

7、综上，传统的姿态调整系统由于极薄煤层的地质条件复杂，液压支架顶板与岩层距离变化大，导致液压支架在工作过程中需要频繁地调整姿态以适应地质变化，无法全面感知支架的姿态，无法准确控制液压支架顶板的升降过程。

技术实现思路

1、针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种极薄煤层液压支架姿态调整方法及系统，能够解决传统的姿态调整系统由于极薄煤层的地质条件复杂，岩层变化大，导致液压支架在工作过程中需要频繁地实时调整姿态以适应地质变化，难以全面感知支架的姿态，无法准确控制液压支架顶板的升降过程的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明公开了一种极薄煤层液压支架姿态调整方法，包括以下步骤：

3、根据极薄煤层液压支架的工作环境，获取液压支架顶板与岩层距离；

4、根据液压支架的实际工况，使用sarsa算法通过更新当前状态-动作对的距离阈值；当液压支架顶板与岩层距离小于距离阈值时，通过定义模糊集合对模糊pid控制器的模糊规则及隶属度函数进行优化，获取优化后的模糊pid控制器；

5、将液压支架顶板与岩层距离输入优化后的模糊pid控制器，通过优化的模糊规则及隶属度函数，输出液压支架顶板的实时移动速度；

6、根据液压支架顶板的实时移动速度，对液压支架顶板的姿态进行动态调整。

7、优选地，还包括根据液压支架顶板与岩层距离，确定液压支架顶板的移动速度；当液压支架顶板与岩层距离大于距离阈值时，液压支架顶板的移动速度不变。

8、优选地，所述使用sarsa算法通过更新当前状态-动作对的距离阈值，包括以下步骤：

9、使用sarsa算法优化模糊集合中的隶属度函数与模糊规则；

10、sarsa算法包括空间定义、动作执行、下一动作选择以及更新当前状态-动作对的累积奖励的期望值的迭代过程；

11、使用sarsa算法优化模糊集合中的隶属度函数与模糊规则；

12、sarsa算法包括空间定义、动作执行、下一动作选择以及更新当前状态-动作对的累积奖励的期望值的迭代过程，其中：

13、所述空间定义包括定义状态s，动作a和奖励r，其中：

14、状态s包括误差h，误差变化率ec；

15、动作a包括pid的三个参数kp，ki，kd的调节，执行动作，记录本次动作的奖励，记录新的状态；

16、奖励r包括：

17、误差减小给予正奖励： 

18、响应速度快给予正奖励：

19、超调或震荡给予负奖励：

20、使用ε-greedy策略进行下一动作选择，具体流程如下：

21、使用sarsa算法更新当前状态-动作对的累积奖励的期望值：

22、

23、式中，s和a表示当前状态和动作，表示下一个状态和动作，a是学习率，是在状态s采取动作a后获得的奖励r1，r2和r3的和，z表示折扣因子；表示在当前状态s下采取动作a所获得的回报，为当前的累积奖励的期望值加上下一个状态和动作的累积奖励的期望值折扣后的增量，作为设定的距离阈值；

24、重复上述步骤，直到达到设定的迭代次数或满足收敛条件，得到优化后的隶属度函数和模糊规则。

25、优选地，所述获取优化后的模糊pid控制器，包括以下步骤：

26、定义模糊集合包括定义模糊控制器的输入和输出、论域、模糊语言集、隶属度函数和模糊规则，其中：

27、定义模糊控制器的输入为误差h和误差变化率ec，输出为kp，ki，kd；

28、定义论域如下：

29、误差h∈[-4,4]，误差变化率ec∈[-0.5,0.5]，kp∈[-5,5]，ki∈[-0.5,0.5]，kd∈[-0.2,0.2]；

30、定义模糊语言集为{nb，nm，ns，o，ps，pm，pb}，每个模糊语言集在论域内对称均匀划分；其中，nb为负大偏差，nm为负中偏差，ns为负小偏差，o为零偏差，ps为正小偏差，pm为正中偏差，pb为正大偏差；

31、当液压支架顶板与岩层距离测量值小于期望值时，模糊控制器输入变量误差h为负偏差；

32、隶属度函数为sarsa算法优化后的函数；

33、模糊规则为sarsa算法优化后的规则。

34、优选地，所述优化后的模糊pid控制器还包括模糊化和推理，其中：

35、模糊化为对误差h和误差的变化率ec进行模糊化，将具体的输入值映射到各个模糊集合上，获得模糊的输入；

36、推理为根据当前的模糊输入和模糊规则进行推理，得到模糊的输出。

37、优选地，还包括对优化后的模糊pid控制器去模糊化，所述去模糊化是将模糊的输出转换为具体的确定性数值的过程，在去模糊化的过程中，使用隶属度函数的中心或重心来计算加权平均。

38、优选地，所述使用隶属度函数的中心计算加权平均，包括以下步骤：

39、计算加权平均值，对于每个模糊集合，计算其隶属度函数的中心，通过对隶属度函数的横坐标乘以对应的隶属度值，除以隶属度值的总和；

40、将每个模糊集合的中心乘以相应的权重，即模糊输出的隶属度值，将每个模糊输出的隶属度值求和，得到去模糊化的结果：

41、

42、其中， 为第i个模糊集的隶属度函数，为第i个模糊集输出对应的隶属度值，x为输出变量的取值；

43、使用去模糊化输出kp，ki和kd，以调整优化后的pid控制器的控制参数。

44、优选地，还包括一种极薄煤层液压支架姿态调整系统，包括：

45、数据获取模块，用于根据极薄煤层液压支架的工作环境，获取液压支架顶板与岩层距离；

46、模糊pid控制器优化模块，用于根据液压支架的实际工况，使用sarsa算法通过更新当前状态-动作对的距离阈值；当液压支架顶板与岩层距离小于距离阈值时，通过定义模糊集合对模糊pid控制器的模糊规则及隶属度函数进行优化，获取优化后的模糊pid控制器；

47、液压支架姿态调整模块，用于将液压支架顶板与岩层距离输入优化后的模糊pid控制器，通过优化的模糊规则及隶属度函数，输出液压支架顶板的实时移动速度；根据液压支架顶板的实时移动速度，对液压支架顶板的姿态进行动态调整。

48、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

49、本发明提出的极薄煤层液压支架姿态调整方法能够突破传统的姿态调整系统由于极薄煤层的地质条件复杂，液压支架顶板与岩层距离变化大，导致液压支架在工作过程中需要频繁地调整姿态以适应地质变化，无法准确控制液压支架顶板的升降过程的技术缺陷。该方法根据极薄煤层液压支架的工作环境，获取液压支架顶板与岩层距离，以确定液压支架顶板的移动速度；根据液压支架的实际工况，使用sarsa算法通过更新当前状态-动作对的距离阈值；当液压支架顶板与岩层距离小于距离阈值时，通过定义模糊集合对模糊pid控制器的模糊规则及隶属度函数进行优化，获取优化后的模糊pid控制器，为液压支架的姿态调整提供理论依据。使用优化后的模糊pid控制器，输入液压支架顶板与岩层距离，输出液压支架顶板的实时移动速度，根据液压支架顶板的实时移动速度，对液压支架顶板的姿态进行动态调整，以控制液压支架顶板的升降过程，该方法能够准确判断和调节极薄煤层液压支架的姿态，并进行精确控制。