基于混合算法的旋转冲击型锚杆钻机液压驱动系统优化及控制策略研究

发布时间：2018-04-03 10:50

本文选题：旋转冲击型液压锚杆钻机　切入点：行程反馈式液压冲击器　出处：《西安建筑科技大学》2014年博士论文

【摘要】：旋转冲击型液压锚杆钻机广泛应用于锚固施工中,但传统的液压锚杆钻机还存在一些缺点,如钻机的冲击能和冲击频率不可调节或只能有限档手动调节,难以实现合理有效的匹配,特别是当工作对象硬度发生改变时,适应性及灵活性较差;另外钻机的电气控制系统可靠性差,整机的智能化控制水平较低等。为了解决这些问题,在前人开发的基础上,本文探索基于无级变行程冲击器的旋转冲击型液压锚杆钻机,研究了基于PLC、变频器和HMI的液压驱动控制系统,并提出了基于自适应蚁群遗传混合算法的优化控制策略。通过仿真优化验证和实验,实现了锚杆钻机在不同工况下,根据变行程机构缓冲腔峰值油压的变化情况,使用自适应蚁群遗传混合算法,将液压缸推进力与系统工作油压进行最佳匹配,在满足当前工作情况时,最大功率下合理调整冲击能E和冲击频率f,实现二者之间的无级调节。较好地解决了目前存在问题。本文完成的主要研究工作与创新点如下:(1)在分析岩土特性的基础上,研究液压锚杆钻机冲击钻孔时岩石破碎的机理,进行了力学分析,研究了破碎功能的转化及凿碎比功的关系等,建立了旋转冲击型液压锚杆钻机二元冲击凿岩系统波动力学模型及有限元模型,分析了冲击钻进时应力波的产生、传递及对钻进效果的影响;推进力对锚杆冲击能的传递和工作效率的影响。实验和仿真表明:随着凿入的进行,冲击能在逐步减小,当冲击能减小到无法破坏岩石时,钎头出现回弹。(2)根据行程反馈式锚杆钻机液压冲击器及无级调节变行程液压冲击机构的工作原理,建立了液压冲击器变行程调节机构的数学模型,研究了锚杆钻机主要部件特性,设计并建立了锚杆钻机液压驱动控制系统仿真模型。实验和仿真表明:冲击钻进时,协调改变系统工作压力与推进力时,可以调节液压冲击器的冲击能与冲击频率,该结果为锚杆钻机液压驱动系统优化控制策略提供了基础。(3)对比分析了蚁群算法、遗传算法和传统Z-N法对PID控制器整定参数优化方法存在的不足,提出了基于自适应蚁群遗传混合算法的PID参数整定策略。通过将遗传算法的选择、交叉方式进行初始信息的获取,然后使用蚁群算法,进行路径概率和信息素的自适应选择和调整,最终获得PID参数的整定值。实验和仿真表明:该算法整定PID参数有效、快速、准确。将该算法应用于锚杆钻机无级调节液压驱动系统优化控制策略。当锚杆钻机在不同工况下,根据变行程机构缓冲腔峰值油压h?P的变化情况,应用自适应蚁群遗传混合算法,将冲击器液压缸推进力Ft与系统工作油压Pd进行最佳匹配,调整冲击能E和冲击频率f,使锚杆钻机的功率也达到最优工作状态。实验和仿真表明:当缓冲腔峰值油压变化时,优化算法能够根据所需功率最大的原则,寻找到合适Pd和Pt,引起冲击器缓冲外套位移及冲击活塞行程的变化,以此改变冲击器的冲击能和冲击频率,实现了锚杆钻机根据工作对象的变化,自动调整工作参数,确保锚杆钻机在合理参数匹配的工况下以最大功率工作。(4)搭建了基于PLC、HMI和变频器的旋转冲击型锚杆钻机液压驱动控制系统实验台,将液压泵的驱动由PLC控制变频器实现,实现推进单元和冲击回转单元流量变化的压力油的自动连续供给。同时结合人机界面HMI的应用,实现系统状态的可视化与控制智能化。实验结果表明:以优化控制策略的计算结果作为液压缸推进力与系统工作油压的设定值,与压力传感器采集的反馈值做对比,根据模拟的工作介质硬度变化情况,实时调整冲击器液压缸推进力与系统工作油压,从而实现冲击能、冲击频率的自动连续无级调节,确保锚杆钻机在合理参数匹配的工况下以最大功率工作。
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【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU69;TP18

【参考文献】