基于围岩感知的锚钻装备推进回转协同自适应控制研究

发布时间：2020-08-27 09:42

【摘要】：锚杆钻机作为锚固工程的关键设备,其性能的优劣直接影响整个掘进进程的质量、成本以及进度。实现液动锚杆钻机钻进过程的执行机构主要由推进机构和回转机构两部分组成。推进机构通过液压缸为钻机提供破岩的轴向推进力,控制钻机的钻进速度。回转机构通过阀控液压马达系统,实现岩石的旋转切削。二者协调配合,实现岩石的破碎和有效钻进。目前,锚杆钻机的钻进控制主要由人工手动控制,依赖操作人员的工作经验。不恰当的回转速度和推进力,导致钻杆别杆、断杆甚至钻机停机等故障,大大影响采掘过程的整体效率。因此,有效提高钻机钻进速度成为提高掘进效率的重要保证。优化钻机钻进过程的核心在于控制钻机的推进与回转机构。针对任意一类岩石,钻机存在一个最优的破岩转速和推进力。基于此,首先,考虑锚杆钻机系统中存在的非线性、参数时变性和多干扰特性,分别建立回转系统和推进系统的数学模型。进而,针对回转系统,利用钻机运行过程中采集的回转压力、转速等信息,估计岩石硬度系数,确定最优转速。为克服回转系统中存在的非线性、阀死区特性,以及未建模因素对控制性能的影响,提出带死区补偿的自适应鲁棒回转速度控制方法。结果表明,控制器具有优良的动、稳态性能,并且控制效率较高。其次,考虑到推进系统的非线性和参数时变性,以及多种因素引起的系统扰动,提出一种钻机推进力自抗扰优化控制方法。该方法基于围岩地质条件,动态估计推进力给定值;根据推进系统模型阶次,设计自抗扰控制器。当围岩性状发生变化时,考虑到系统的响应快速性和动态稳定性,采用粒子群优化算法实现自抗扰控制器参数的动态优化整定,保证推进系统获得最佳的响应性能。将提出的方法应用于多种围岩下锚杆钻机的推进力控制,基于Matlab和AMESim的联合仿真表明,提出的方法在保证系统稳定和可靠的同时,具有非常优越的动态性能。最后,考虑到回转系统和推进系统在钻进过程中的同步工作特性,为保证整个钻机系统的最优运行,提出基于主从方式的锚杆钻机推进回转协同自适应控制策略。根据锚杆钻机前一周期钻进过程的相关信息,预测当前钻进过程中的围岩岩石硬度系数,从而预先设定当次钻进的最优推进力和最优回转速度。由于回转压力能近似反映围岩性状变化,所以协同部分以回转系统为主机构,通过采集回转压力,并进行低频滤波,自适应调整从机构最优推进力给定,从而达到钻机推进回转的自适应协同动作,为锚钻装备的自动化、智能化奠定理论基础。实验验证了所提协同控制方法的有效性和岩石硬度系数获取方法的准确性和快速性。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;TD42
【图文】：

四通,电液比例阀,方向阀,冷却器

图 2-1 锚杆钻机液压原理图（1.三相异步电机，2.双联齿轮定量泵，3.高压滤油器，4.安全阀，5.三位四通电液比例阀控制信号，6.三位四通电液比例阀，7.液压马达，8.回转负载，9.第一冷却器，10.第二冷却器，11.比例溢流阀，12.电磁方向阀控制信号，13.电磁方向阀，14.液压油缸，15.推进负载，16.油箱）Figure 2-1 The hydraulic schematic diagram of the anchor-hole drills (1.asynchronous motor,2.double-gear quantitative pump, 3.high-pressure filter, 4.relief valve, 5.control signal of thethree-position four-way electro-hydraulic proportional valves, 6.three-position four-wayelectro-hydraulic proportional valves, 7.hydraulic motor, 8.rotary load, 9.first cooler, 10.secondcooler, 11.the electro-hydraulic proportional relief valve, 12.control signal of electromagneticdirection valve, 13.electromagnetic direction valve, 14.hydraulic cylinder, 15.the load ofpropulsion system, 16.tank)2.3 回转系统建模 (Modeling the Rotary System)由图 2-1 可以看出，显然，钻机回转系统中的核心部件是液压马达和三位四通电液比例阀。

比例溢流阀,结构组成

流量未建模因素整理为 ( )2 e1 1 2 2Δ = βΔ Q V Δ Q V。程可知，该锚杆钻机回转系统是一个非线性系统例如：1Δ 和2Δ 是未知的未建模因素；参数miC ；比例阀特性参数vk 以及死区参数sδ 和bδ 很难马达旋转而时变；油液弹性模量eβ 随着系统温度这大大增加了系统的控制难度。模 (Modeling the Propulsion System)部分的核心元件是电液比例溢流阀和液压油缸，下流阀电液比例阀的一种，用于将电信号转化为液压信分为先导式和直动式两类。本文采用先导式比例导控制级、主阀控制级组成[23]，如图 2-3 所示。

推进系统,传递函数框图

图 2-4 推进系统的传递函数框图Figure 2-4 The transfer function block diagram of propulsion system由图 2-4 可知，推进系统输出力与推进系统主要调压部件电液比例溢流阀输入电流之间满足以下函数关系( )( )32 202 20 02 21 1Lb m ymm mF sK K K AI s s ss sζ ζω ω ω ω= + + + + （2.20）通常，设计先导阀的固有频率mω 是主阀等效频率0ω 的 100 倍以上，由此，简化式（2.20）为( )( )32020 021Lb m yF sK K K AI s ssζω ω= + + （2.21）综上所述，锚杆钻机推进系统可以简化描述为一个典型的二阶系统，且系统中存在由1F 和1Q 描述的多种扰动因素影响。2.5 仿真实验 (Simulation and Experiment)

【参考文献】