施工立井柔性导向提升系统动力学建模与控制

发布时间：2020-08-15 22:42

【摘要】：施工立井提升系统作为立井开凿垂直提升的必要部分。立井具有恶劣的运行环境,系统的承载体钢丝绳—柔索结构在外界扰动作用下表现出较强的耦合振动特性。这些耦合振动特性作用会对内部钢丝产生不可忽视的影响,过度的振动使得柔索不可避免发生磨损、疲劳损伤和裂纹扩张等问题。悬吊平台提升过程中缠绕卷筒的卷放误差造成悬吊平台一定程度倾斜,极易导致悬吊平台频繁刮碰井壁或者造成卡盘等重大事故。因此,柔索的振动与控制以及多绳并联悬吊平台的调平具有十分重要意义。本论文以施工立井柔索导向提升和悬吊系统为研究对象,展开关于柔性导向提升系统动力学建模与控制两大问题的研究,采用理论建模、数值仿真和实验验证相结合的方法,深入开展施工立井提升系统动态特性的研究。旨在建立能够精确反映施工立井柔性导向提升和悬吊系统的物理模型,给出柔性导向耦合系统的控制方程及数值求解方法,并且掌握边界扰动、控制输入与系统振动、悬吊平台位姿的关联机制,针对不同工况提出自适应边界控制器以减小系统振动和调平悬吊平台目的,为立井提升系统的高效与安全运行提供理论、技术支撑。首先,根据施工立井提升系统的结构和工作原理,建立表征施工立井柔性导向提升系统横向-纵向耦合振动的常微分-代数模型,结合系统的固有频率和广义α算法分析了系统动力学响应,并且通过搭建了ADAMS仿真模型和柔性导向提升实验系统进行了验证,为后续施工立井柔性导向提升与悬吊系统的控制方法的研究奠定了基础。其次,考虑自由悬挂吊桶摆动对系统影响,建立完整柔性导向提升吊桶模型,探讨与分析绳罐道故障类型和吊桶摆动行为特征,总结绳罐道故障对系统动力学响应规律和提出提升绳最小运行速度临界值。综合考虑模型具有参数不确定性、外界未知扰动和非光滑非线性输入迟滞等问题,结合有限维反步法、Lyapunov理论和神经网络,在滑架处构建了自适应神经网络-反步控制器,用以抑制系统振动和保证系统状态稳定在平衡位置的邻域内,并且通过仿真验证了时变闭环系统的收敛性和稳定性。再次,考虑悬吊平台与井壁解除约束时,对悬吊平台自由状态下柔性导向提升系统的动力学与控制展开研究。在第二章理论基础上建立柔性导向提升系统与悬吊平台的横向耦合模型。针对未知扰动情况下,基于Lyapunov理论设计精确模型边界控制器和扰动观测器,控制器施加在悬吊平台上以抑制其摆动及柔索的振动。在模型参数不确定和扰动的上限未知情况下进一步设计参数自适应边界控制器,其中自适应律在线更新控制器参数。通过仿真验证了所提出控制器对闭环悬吊系统的收敛性和稳定性。最后,针对多绳并联悬吊系统在静态和动态运行过程中存在悬吊平台的位姿倾斜和悬吊绳的张力分布不均衡等问题,结合Lyapunov理论、模糊系统、非线性扰动观测器和悬吊平台的位姿状态反馈,设计自适应模糊反步控制器用以调平悬吊平台位姿和均衡悬吊绳张力的目的,通过仿真验证所提出的控制器对闭环多绳并联悬吊系统的收敛性和稳定性。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TD53
【图文】：

立井提升,悬吊绳

图 1-1 施工立井提升系统igure 1-1 A flexible guided lifting system in shaft constructio升系统[8-10]包括缠绕卷筒、天轮、提升绳、滑架（四根悬吊绳（其中两根兼作导向绳）和悬吊平台（砌筑井壁的工作面、安置抓岩机和抓斗等掘进装备向绳（为提升容器提供导向）的作用。缠绕卷筒、提）与导向绳构成升降人员物料的提升容器子系统。提升容器的运动是一种典型柔性导向提升系统。悬吊绳和悬吊平台组成）则由四根悬吊绳并联驱动完具有空间六自由度仅由四根悬吊绳驱动（系统自由2]），根据柔索牵引机器人的正向运动学角度分类属动悬吊系统。统具有结构简单、负载能力强、节能显著、工作空立井施工中沿用至今并越来越发挥出巨大作用。然作条件下频繁地正反转、周期动作提升运输[13]。随

并联系统,柔索

博士学位论文特性设计局部分散控制器[91,92]）用于抑制柔性斜拉梁结构在外界随机扰动作用下的振动。1.3.2 多绳并联系统的动力学与控制研究现状多绳并联提升系统从 20 世纪 80 年代发展起来的，由于采用柔索代替连杆作为驱动元件，使得柔索系统既具有并联机构高轴向（纵向）刚度、高精度、高负载能力的优点，又具有柔索系统的质量轻和升降距离大等优点[93]。多绳并联系统广泛应用于多起重机并联起吊[94-96]、柔索悬吊大型射电望远镜[97-99]和柔索并联机器人等[100-102]如图 1-3 所示。

提升绳,预定位,导向绳,运动轨迹

博士学位论文续表Tb1, Tb2导向绳预张力 55 , 45 kNρ0, ρ 提升绳与导向绳线密度 2 , 1.5 kg/mamax提升绳的最大加速度 0.75 m/s2vmax提升绳的最大速度 6 m/sttotal总运行时间 88 sccy, ccw, cθ提升容器粘滞阻尼系数 0.001,0.001,0.005 Ns/mc0, ci, cw柔索粘滞阻尼系数 0.1,0.1,5 Ns/m2EA 提升绳的纵向刚度 2.5×107Nr 提升绳与导向绳距离 0.6 mey, ew横向与纵向扰动 0.02sinπt,0.001sin2πt m

【参考文献】