基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法

本发明涉及路径规划领域，具体为一种基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法。

背景技术：

1、综合机械化采煤是当前我国煤矿开采的主流方式。综采工作面由采煤机、液压支架群和刮板输送机三大核心设备组成，三机协同运行是实现安全高效开采的基础。随着煤矿智能化建设深入推进，数字孪生技术逐渐被引入综采工作面，旨在通过构建物理工作面的虚拟镜像，实现对采煤过程的实时监测、预测仿真和智能决策。然而，数字孪生技术虽然已被提出用于综采工作面的可视化监控，但现有方案多停留在三维几何重建和数据显示层面，缺乏将数字孪生与先进控制算法深度融合的系统性方法。特别是，如何在数字孪生框架下实现多源异构数据的高精度状态融合、截割轨迹的滚动时域自适应规划、支架群组的多目标协同控制以及设备退化趋势的精准预测，仍是亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供技术方案如下：

2、基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1，根据采煤机当前位置将工作面全部n台支架划分为采煤机前方的超前拉架区、采煤机后方的跟机移架区、采煤机后方的推溜区和其余支架组成的正常支撑区；

4、其中，n为综采工作面液压支架总数量，k为离散时间步长索引，为k时刻采煤机沿工作面的纵向位置；

5、步骤2，针对每台支架i，定义位移跟踪误差函数、控制能耗累积函数和位姿变化率偏差函数，通过加权求和构成综合适应度函数；

6、步骤3，利用粒子群算法以综合适应度函数最小化为目标进行优化；

7、步骤4，对惯性权重执行非线性递减策略；

8、步骤5，将粒子群算法优化输出的各支架目标位移作为模糊pid控制器的设定值，以位移偏差和偏差变化率为输入，以比例增益、积分增益和微分增益的修正量为输出，求解液压支架控制输入量。

9、优选的，步骤2综合适应度函数的具体公式为：

10、

11、

12、

13、

14、其中为综合适应度函数，为位移跟踪误差，为控制能耗累积，为位姿变化率偏差，为第i台支架在k时刻的实际位移，为第i台支架在k时刻的目标参考位移；m为离散时间步长索引，与系统状态更新的时间步长一致；为第i台支架在m时刻的液压系统控制输入量；为控制时域长度；为第i台支架的实际移架速度；为第i台支架的目标参考移架速度；为位移精度权重系数，根据现场支护质量要求进行设定，为能耗权重系数，根据现场节能指标进行设定，为平稳性权重系数，根据现场对支架动作冲击的限制进行设定。

15、优选的，步骤3粒子群算法中粒子速度更新规则为：

16、

17、其中为第j个粒子第l次迭代的速度分量，为惯性权重，根据现场收敛速度需求进行调节，和为学习因子，根据现场粒子群搜索特性进行设定，和为[0,1]上均匀分布的随机数，和分别为全局最优和局部最优位置。

18、优选的，步骤4对惯性权重执行非线性递减策略的具体公式为：

19、

20、其中为初始惯性权重，根据现场全局搜索需求进行设定，为终止惯性权重，根据现场局部精细搜索需求进行设定，为最大迭代次数。

21、优选的，支架目标位移作为模糊pid控制器的设定值，模糊推理规则表以位移偏差（单位：mm）和偏差变化率（单位：mm/s）为输入，以比例增益、积分增益和微分增益的修正量为输出，根据下式得出

22、第i台支架在k时刻的液压系统控制输入量的具体公式如下

23、

24、其中为位移偏差，为采样周期，根据现场通信带宽和实时性需求进行设定；模糊pid比例增益基准值根据现场支架负载特性进行设定；积分增益基准值根据现场稳态精度要求进行设定；微分增益基准值根据现场动态响应需求进行设定。

25、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：能够为综采工作面生产全过程的精准感知、智能决策与协同控制，提升采煤效率、设备可靠性与安全性提供技术保障。

1.基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，其特征在于，步骤2综合适应度函数的具体公式为：

3.根据权利要求2所述的基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，其特征在于，步骤3粒子群算法中粒子速度更新规则为：

4.根据权利要求3所述的基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，其特征在于，步骤4对惯性权重执行非线性递减策略的具体公式为：

5.根据权利要求4所述的基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法，其特征在于，支架目标位移作为模糊pid控制器的设定值，模糊推理规则表以位移偏差（单位：mm）和偏差变化率（单位：mm/s）为输入，以比例增益、积分增益和微分增益的修正量为输出，根据下式得出

6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法中的步骤。

7.一种计算机设备，包括处理器、存储器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于综采工作面数字孪生系统的液压支架协同控制方法中的步骤。