一种液压支架电液控制系统的仿真系统及仿真方法

摘要

本发明公开了一种液压支架电液控制系统的仿真系统，其属于矿用设备的控制系统领域，该仿真系统包括：液压支架电液控系统仿真器、虚拟液压支架模型、液压支架系统上位机和液压支架控制系统终端控制机；该仿真方法是：用液压支架电液控系统仿真器模拟真实液压支架的控制器，虚拟液压支架电磁阀组模拟真实液压支架的电磁阀组，虚拟液压支架传感器模拟真实液压支架传感器；通过在液压支架控制系统上位机和液压支架控制系统终端控制机上对液压支架电液控系统仿真器进行监测与控制，来模拟通过本地与远程操作对真实液压支架的控制方式；通过这种仿真方法可以极大的降低资金与人员上的配置，达到减少人力、财力与资源消耗的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液压支架电液控制系统的仿真系统及仿真方法，属于矿用设备的控制系统领域。

背景技术

随着国家“863”计划重点资助项目--“采煤机远程控制技术及监测系统”（编号：2008AA062202）以及国家发改委智能制造装备专项《煤炭综采成套装备智能控制系统项目》等大型国家煤矿智能设备项目的开展，矿用设备的控制系统，尤其是液压支架电液控制系统，对智能化的要求越来越高，对其智能化研究方法也显得越来越重要。而就目前研究状态而言，在每一个项目的研究阶段，对液压支架电液控制系统的研究还停留在物理实验的基础上，每一个项目都会花巨资购买数台液压支架以模拟综采工作面的支架。这种研究方法，无论是在研究的资金上还是对于研究人员配置上都必须要极具规模，耗费大量的人力，财力与资源。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种液压支架电液控制系统的仿真系统及仿真方法，其能够代替液压支架电液控系统的物理模型，辅助研究人员对于综采工作面液压支架电液控系统的研发。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液压支架电液控制系统的仿真系统，该仿真系统包括：用于模拟液压支架控制器的液压支架电液控系统仿真器、在计算机上运行的虚拟液压支架模型、在计算机上运行的液压支架系统上位机和在移动终端上运行的液压支架控制系统终端控制机；

所述液压支架电液控系统仿真器包括：仿真器最小系统、以太网模块、串口通信模块和无线通信模块；             

所述虚拟液压支架模型包括：虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器；

所述虚拟液压支架模型的虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器通过TCP/IP与液压支架控制系统仿真器的以太网模块连接；所述液压支架电液控系统仿真器通过串口通信模块与液压支架控制系统上位机相连；所述液压支架电液控系统仿真器通过一个无线通信模块与液压支架控制系统移动终端相连。 

所述液压支架电液控系统仿真器还包括CAN通信模块，且液压支架电液控系统仿真器通过CAN通信模块与至少一个液压支架电液控系统仿真器相连，在实际的矿采作业中，液压支架根据实际的作业需要会有很多，这样对于每个液压支架就需要一个仿真器来进行仿真，我们在实验研究的时候通常只对一个液压支架及其仿真进行研究。当有多个液压支架的时候，就需要多个CAN通信模块在各个仿真器之间建立起联系；

所述虚拟液压支架模型还包括：模型管理器、动作管理器和动作干扰器；

所述模型管理器对仿真环境下的虚拟液压支架模型进行统一管理，并通过液压支架模型模板来建立自定义的虚拟液压支架模型；所述液压支架模型模板包括：模型参数设置器、参数化模型管理器以及模型文件加载器三个部分；

所述动作管理器对液压支架的动作进行抽象，在软件仿真的过程中，这些动作通过函数的方式来展现，一个虚拟液压支架模型的动作管理器所管理的动作包括：推溜、拉溜、移架、降柱和升柱；当然，动作管理器所管理的动作还有很多，具体可参加图2所示；

所述的动作干扰器通过干扰强度来评定其干扰作用的大小，具体的影响因素包括：底板工况，顶板压力，刮板机推移干扰以及工作面倾角等众多因素。

一种液压支架电液控制系统的仿真方法，包括以下几个步骤： 

（1）首先，使用C++语言与开源三维建模引擎，在计算机上开发用于建立虚拟液压支架模型的三维参数化可视化程序，利用程序创建虚拟液压支架模型，所述虚拟液压支架模型提供对外进行通信的虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器；

（2）其次，液压支架电液控制系统仿真器的以太网模块通过TCP/IP与步骤（1）中的虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器连接，实时将液压支架电液控制系统仿真器的控制命令传递到虚拟液压支架电磁阀组以操作所述虚拟液压支架模型；同时将虚拟液压支架模型的仿真结果及状态参数通过虚拟液压支架传感器反馈给所述的液压支架电液控系统仿真器；

（3）然后，液压支架电液控系统仿真器通过串口通信模块与液压支架控制系统上位机相连，实时采集所述液压支架电液控系统仿真器的数据，并对其进行控制；

（4）最后，液压支架电液控制系统仿真器提供一个无线通信模块与液压支架控制系统移动终端相连，以仿真通过便携式移动终端对液压支架的控制。

所述液压支架电液控系统仿真器还提供一个CAN通信模块，且液压支架电液控系统仿真器通过CAN通信模块与至少一个液压支架电液控系统仿真器相连，在实际的矿采作业中，液压支架根据实际的作业需要会有很多，这样对于每个液压支架就需要一个仿真器来进行仿真，我们在实验研究的时候通常只对一个液压支架及其仿真进行研究。当有多个液压支架的时候，就需要多个CAN通信模块在各个仿真器之间建立起联系，以模拟整个工作面的液压支架CAN总线连接方式。

由于采用上述方案，用液压支架电液控系统仿真器模拟真实液压支架的控制器，虚拟液压支架电磁阀组模拟真实液压支架的电磁阀组，虚拟液压支架传感器模拟真实液压支架传感器；通过在液压支架控制系统上位机和液压支架控制系统终端控制机上对液压支架电液控系统仿真器进行监测与控制，来模拟通过本地与远程操作对真实液压支架的控制方式；同时，在液压支架电液控系统仿真器与运行在计算机上的虚拟液压支架模型建立以太网通信，将对仿真器的操作以三维虚拟模型的方式来展现，增强其可交互性；通过这种仿真方法可以极大的降低在液压支架电液控制系统研究中，对于资金与人员配置的标准上达到减少人力、财力与资源消耗的目的，同时也方便了对矿采作业中液压支架的研究和操作，实现了矿采作业的现代化，也保障了操作的安全性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明所述的虚拟液压支架模型的结构框图；

图3是本发明所述的动作干扰器的干扰强度算法简图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的阐释。

如图1所示：一种液压支架电液控制系统的仿真系统，该仿真系统包括：用于模拟液压支架控制器的液压支架电液控系统仿真器、在计算机上运行的虚拟液压支架模型、在计算机上运行的液压支架系统上位机和在移动终端上运行的液压支架控制系统终端控制机；

所述液压支架电液控系统仿真器是指基于微处理器的集成控制电路板，其包括：仿真器最小系统、以太网模块、串口通信模块和无线通信模块；所述的仿真器最小系统是集成控制电路板工作的基础；所述的以太网模块、串口通信模块以及无线通信模块提供对于所述虚拟液压支架模型、液压支架控制系统上位机以及液压支架控制系统终端控制机的通信接口；           

所述虚拟液压支架模型包括：虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器；

所述虚拟液压支架模型的虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器通过TCP/IP与液压支架控制系统仿真器的以太网模块连接；所述液压支架电液控系统仿真器通过串口通信模块与液压支架控制系统上位机相连，通过上位机的人机交互功能，能够实时监测液压支架电液控系统仿真器的运行状态，并通过上位机发送控制命令，以控制液压支架电液控系统仿真器；所述液压支架电液控系统仿真器通过一个无线通信模块与液压支架控制系统移动终端相连，通过无线网络，将所述的液压支架电液控系统仿真器的运行状态实时传输至移动终端上的液压支架电液控制系统终端控制机上，同时通过所述液压支架电液控制系统终端控制机的人机交互功能，用户发送控制命令，通过无线网络，将用户发送的控制命令传输至所述的液压支架电液控系统仿真器，对其进行控制。 

所述液压支架电液控系统仿真器还包括CAN通信模块，且液压支架电液控系统仿真器通过CAN通信模块与至少一个液压支架电液控系统仿真器相连，在实际的矿采作业中，液压支架根据实际的作业需要会有很多，这样对于每个液压支架就需要一个仿真器来进行仿真，我们在实验研究的时候通常只对一个液压支架及其仿真进行研究。当有多个液压支架的时候，就需要多个CAN通信模块在各个仿真器之间建立起联系；

如图2所示，所述虚拟液压支架模型还包括：模型管理器、动作管理器和动作干扰器；

所述模型管理器对仿真环境下的虚拟液压支架模型进行统一管理，并通过液压支架模型模板来建立自定义的虚拟液压支架模型；所述液压支架模型模板包括：模型参数设置器、参数化模型管理器以及模型文件加载器三个部分；所述的模型参数设置器允许用户通过人机交互功能对虚拟液压支架的参数化模型进行参数修改；所述的参数化模型管理器是将整架液压支架以参数化的方式进行建模，对于其模型的生成只需要相应的参数即可驱动模型的生成；所述模型文件加载器主要提供了在仿真环境下加载虚拟液压支架模型的功能，主要通过软件对模型文件进行读取的方式来完成的；

在图2中所示，所述的模型管理器的工作过程如下：

第一，用户在系统中选择系统已经定义好的一个液压支架模型模板，可以是支撑式液压支架模型、掩护式液压支架模板，也可以是支撑掩护式液压支架等，具体的模板的分类可根据液压支架的分类方法进行分类；

第二，用户需要按照所选择的液压支架类型，对液压支架模型模板的模型参数设置器进行参数更改，利用参数化模型管理器生成虚拟液压支架模型，并保存为模型文件；

第三步，利用模型文件加载器向当前仿真环境下加载入所选择的液压支架模型。这样整个液压支架的模型即可导入到当前仿真环境下；

所述动作管理器对液压支架的动作进行抽象，在软件仿真的过程中，这些动作通过函数的方式来展现，一个虚拟液压支架模型的动作管理器所管理的动作包括：推溜、拉溜、移架、降柱和升柱；当然，动作管理器所管理的动作还有很多，具体可参加图2所示；

所述的动作干扰器通过干扰强度来评定其干扰作用的大小，具体的影响因素包括：底板工况，顶板压力，刮板机推移干扰以及工作面倾角等众多因素，通过这些因素按照一定的算法给予最终的干扰强度值即为所述动作干扰器的主要功能；所述的动作干扰器是动作管理器在管理虚拟液压支架模型的时候，为了尽可能对井下工作环境的模拟，对各个动作所做的一些动作干扰；例如：在液压支架进行推溜的时候，由于底板工况、工作面倾角等情况各有不同，就导致了液压支架在完成推溜动作时出现一些偏差，本发明将导致这些动作不能完整的实现的因素称之为动作干扰；

在图3中所示的为动作干扰器的干扰强度算法简图，干扰因素包括：底板工况、顶板压力、刮板机推移干扰以及工作面倾角，为了强化动作干扰的随机性，在干扰因素中加入一个随机因子，利用神经网络等智能算法最终得出一个值为0到1之间的干扰强度；将此干扰强度与期望动作值经乘法器相乘，得出实际动作值；这样，对于一个动作的仿真就完成了。 

一种液压支架电液控制系统的仿真方法，包括以下几个步骤：

（1）首先，使用C++语言与开源三维建模引擎，在计算机上开发用于建立虚拟液压支架模型的三维参数化可视化程序，利用程序创建虚拟液压支架模型，所述虚拟液压支架模型提供对外进行通信的虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器；

所述的虚拟液压支架电磁阀组在程序上的表现方式可以是一个类，或者是一种数据结构，其主要的属性包括对所述虚拟液压支架模型进行控制的控制命令字，及液压支架电磁阀组本身的静态信息，如自身状态编号，及阀组的端口总数等，其主要方法包括对所述虚拟液压支架模型进行控制的控制函数，状态查询与设置函数等，以模拟真实液压支架电磁阀组的状态；       

所述的虚拟液压支架传感器，在程序上的表现方式可以是一个类，或者是一种数据结构，其主要的属性包括所述虚拟液压支架模型的当前健康信息，姿态信息动作状态，及自身静态信息，如支架编号，是否进行某个动作，某个动作是否完成等，其主要方法包括对所述虚拟液压支架模型进行状态查询的查询函数，状态设置的设置函数等，以模拟真实液压支架的传感器的功能；

（2）其次，液压支架电液控制系统仿真器的以太网模块通过TCP/IP与步骤（1）中的虚拟液压支架电磁阀组和虚拟液压支架传感器连接，实时将液压支架电液控制系统仿真器的控制命令传递到虚拟液压支架电磁阀组以操作所述虚拟液压支架模型；同时将虚拟液压支架模型的仿真结果及状态参数通过虚拟液压支架传感器反馈给所述的液压支架电液控系统仿真器；

所述的液压支架电液控制系统仿真器对虚拟液压支架模型进行控制的控制方法如下：

第一步，所述的控制命令来自上位机或者是移动控制终端的控制机，仿真系统将此控制命令传达到所述液压支架电液控制系统仿真器；

第二步，所述液压支架电液控制系统仿真器会对控制命令进行解析，并分配相应的IO口，每个IO口都连接有相应的一个LED指示灯，以模拟当前IO口的状态，当LED灯亮起表示对应的IO口打开，熄灭时，表示对应的IO口关闭；

第三步，所述液压支架电液控制系统仿真器会将控制命令通过以太网通信送到虚拟液压支架电磁阀组，所述虚拟液压支架电磁阀组将解析后的命令，通过其内部的控制方法对虚拟液压支架模型进行操控；

所述的液压支架电液控制系统仿真器对虚拟液压支架模型进行状态查询的查询方法如下：

第一步，所述的查询命令来自上位机或者是移动控制终端的控制机，仿真系统将此查询命令传达到所述液压支架电液控制系统仿真器；

第二步，所述液压支架电液控制系统仿真器会对查询命令进行解析，并分配相应的IO口，每个IO口都连接有相应的一个LED指示灯，以模拟当前IO口的状态，当LED灯亮起表示对应的IO口打开，熄灭时，表示对应的IO口关闭；

第三步，所述液压支架电液控制系统仿真器会将查询命令通过以太网通信送到虚拟液压支架传感器，所述虚拟液压支架传感器将解析后的命令，通过其内部的查询方法对虚拟液压支架模型的当前状态进行查询，返回查询结果到所述液压支架电液控制系统仿真器；

（3）然后，液压支架电液控系统仿真器通过串口通信模块与液压支架控制系统上位机相连，实时采集所述液压支架电液控系统仿真器的数据，并对其进行控制； 

（4）最后，液压支架电液控制系统仿真器提供一个无线通信模块与液压支架控制系统移动终端相连，以仿真通过便携式移动终端对液压支架的控制。

所述液压支架电液控系统仿真器还提供一个CAN通信模块，且液压支架电液控系统仿真器通过CAN通信模块与至少一个液压支架电液控系统仿真器相连，在实际的矿采作业中，液压支架根据实际的作业需要会有很多，这样对于每个液压支架就需要一个仿真器来进行仿真，我们在实验研究的时候通常只对一个液压支架及其仿真进行研究。当有多个液压支架的时候，就需要多个CAN通信模块在各个仿真器之间建立起联系，以模拟整个工作面的液压支架CAN总线连接方式。

本发明用液压支架电液控系统仿真器模拟真实液压支架的控制器，虚拟液压支架电磁阀组模拟真实液压支架的电磁阀组，虚拟液压支架传感器模拟真实液压支架传感器；通过在液压支架控制系统上位机和液压支架控制系统终端控制机上对液压支架电液控系统仿真器进行监测与控制，来模拟通过本地与远程操作对真实液压支架的控制方式；同时，在液压支架电液控系统仿真器与运行在计算机上的虚拟液压支架模型建立以太网通信，将对仿真器的操作以三维虚拟模型的方式来展现，增强其可交互性；通过这种仿真方法可以极大的降低在液压支架电液控制系统研究中，对于资金与人员配置的标准上达到减少人力、财力与资源消耗的目的，同时也方便了对矿采作业中液压支架的研究和操作，实现了矿采作业的现代化，也保障了操作的安全性。