基于模糊 PID 的牙轮钻机推进回转控制的研究

发布时间：2017-01-05 08:26

第 1 章 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义
随着矿山生产规模的扩大和现代采矿工艺的发展，矿山生产活动对设备的规格要求越来越高，矿山设备水平的高低，在很大程度上影响着生产的经济效益[2]。牙轮钻机是大型露天矿开采的主要设备，钻孔效率高、环境适应性好，广泛地应用在矿山、建筑基础开挖、水利等大型露天工程的钻凿炮孔作业[3]。图 1.1 所示为牙轮钻机在矿山爆破现场。

为了能适应不同的工况和复杂的地质条件，同时提高能耗效率，降低振动，牙轮钻机需具备随负载变化实时进行工作参数调整的功能。因而要求其动力装置具有良好的调速性能，当前国外成熟的调速方案主要有交流电动机变频调速、直流电动机可控硅调速，此外液压传动调速也较为常见[4] [5]。液压传动方案，结构紧凑，调速范围大，可以不需要依赖矿山电网，可用于缺乏电网建设的矿区[6]。国外的大型牙轮钻机，普遍采用了液压动力型式。我国在牙轮钻机的研究上取得了不少突破，但在大型化、智能监控、自动钻进等关键技术上还不够成熟。为此开发出高效、节能的牙轮钻机自动钻进系统是非常必要的。

......

1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外牙轮钻机研究现状
在国外，牙轮钻机的研发与应用要远早于国内，美国、瑞典和德国是牙轮钻机技术领先的国家，经过近几十年的快速发展，美制牙轮钻机以其先进的技术、良好的性能，以及在主要矿产国家的大力推广，占领着很大的国际市场份额[7] [8]。瑞典对牙轮钻机的研发相比美国和俄罗斯起步要迟，但其发展快速，以其高性价比和先进技术，以阿斯特·科普柯为首的几家矿山装备公司产品不仅在国内占用率高，也在国际市场上有广泛的认同，成为美国的重要竞争对手[9]。美国卡特彼勒公司（Catapillar）、瑞典阿特斯拉·科普柯（AtlasCopco）与美国久益国际公司为全球牙轮钻机三大主导开发商[10]。
卡特彼勒公司并购世界最大、技术先进的牙钻钻机制造商之一的比塞洛斯公司(B-I)后，在传统的高性能机型系列 49-R、67-R 的基础上，研制出了更大型的59-R 型钻机，其最大的轴压力可达 585~630kN，最大凿岩孔径为 406~445mm，空压机输出排渣风速高达 35.5m/s[11]。
英格索兰公司(IR)生产的矿用爆破牙轮钻主要有 DM-25、DM50E、DM-M 和DM-H 等型号，该系列钻机采用全液压驱动方案，整机动力则选用才有发动机或电力。阿特拉斯·科普柯公司并购英格索兰公司的钻机事业部后，开发了新型的PV 系列钻机，在整机效率和智能化程度上都有很大的提高。另外在英格索兰公司的钻机检测系统（IRDMS）的基础上，开发了全新的 ViperRCS，采用符合人体工程学的驾驶室设计，保证高效的自动钻进和监测诊断的同时，大大减轻了驾驶员的疲劳感[12]。
H 公司设计的牙轮钻机系列包括三个型号：70A 型、100B 型、120A 型，其中最大型的 120A 钻机是目前最大钻孔孔径的牙轮钻机，其钻孔直径可达559mm。美国久益国际公司对其进行并购后，沿承其一贯的高度集成化的设计方式，所有的钻机均装备 PLC 控制系统，并将所有的控制功能与组态 GUI 界面集合到一体，采用工业计算机做为主机，运行控制和检测程序，钻机的各项运行参数和工作状况相关信息都可在驾驶室的计算机上显示[13]。

......

第 2 章 推进回转控制系统工况适应方案

2.1 牙轮钻机钻进原理与结构型式
牙轮钻机的钻进系统由推进与回转两部分组成，为了实现高效的钻进与良好的控制，在结构设计上两者独立，下面将对两个部分分别进行讨论。
2.1.1 加压提升系统型式
链轮-链条具有结构简单、经济适用的特点，但其传动平稳性差，噪声大，链条在传动过程中的受力较大，遇到冲击时易发生断裂等故障，可靠性差，维修费时费力，显然已经不能满足当下钻机发展的需求。“去链条化”的加压方式是未来大型钻机的发展趋势[20]，采用齿轮-齿条的无链加压提升系统（如图 2.1）不必再额外安装张紧装置，结构紧凑，，刚度高，并且可以实现加压、提升两个动作。对于大型钻机，齿轮-齿条结构可以实现大的轴压力平稳加压，振动和噪声小。
2.1.2 回转系统型式
国内钻机多数钻孔直径较小，回转力矩不大，常见的 YZ-12 钻机、KY-200等型号均采用直流电动机-可控硅调速方案；YZ-35、KY-250D 钻机采用功率较大的交流电动机-交流变频器调速或者交直流两用方案；相比之下，国外牙轮钻机的较小机型也普通采用交直流电动机驱动，而新型的大型牙轮钻机几乎都采用液压动力驱动回转装置，比如 Altas 公司的 DM45、DM50、PV351 大型钻机；只有少数大型钻机使用交流电机-变频方案或直流电机-可控硅双设计方案[21][22]。可见对于大型钻机，液压驱动方式有着更多的优势，是未来钻机的发展方向，从这个角度本文选用液压驱动回转型式。
本设计中钻机的回转扭矩大，因此采用了双泵并联的方式为钻杆提供动力。液压泵将动力传递给液压回转马达，回转马达通过减速箱，将动力传递给钻杆，带动钻杆进行回转运动，由于设计的钻进深度为 40 米，因此采用两级钻杆串联的设计方式。

......

2.2 牙轮钻机液压系统设计
本文采用全液压设计，由于牙轮钻机的行走与钻进作业是独立操作的。另外回转与加压也是分立的，因此采用单液压泵配合多路阀的方式，进行两者功能的切换。关于钻机行走控制方面的内容本文不作讨论，重点对推进回转系统进行研究。
2.2.1 牙轮钻机液压调速系统类型
为了满足牙轮钻机在不同工况下稳定运行的要求，需要设计相应的液压系统适应压力与流量的变化。定量泵-节流阀调速方式，存在功率损失大、发热量大的问题，不能满足于大型系统的设计要求。采用改变变量泵排量调速（容积调速）的方式可以解决这一问题。采用比例变量泵与马达进行调速，按照控制方式可以分为 P-V，P-P、P-Q、P-Power 四大类。容积调速的基本控制方法如下[23][24]：
1）流量适应控制
针对节流调速系统中液压回路总损失大的情况，采用流量适应的调节方式，根据负载的实时状况，由泵自动调节供给流量，达到完全消除溢流损失的目的。常用的流量适应控制变量泵包括（1）限压式变量泵（2）流量敏感型变量泵（3）恒压变量泵，如图 2.2 所示：
2）压力适应控制
压力适应控制系统不使用溢流方式实现，而是让多余的油液流经非恒定的流阻，而该流阻的阻值由系统的负载和速度决定。通过供油泵与系统负载相互匹配的方式，消除了系统中多余的压力。常用的压力适应控制方式有（1）定差溢流型压力控制（2）流量敏感型恒流量变量泵，如图 2.3 所示：
3）功率适应控制
压力适应型控制与流量适应型控制，都只是针对系统单指标要求进行设计的。对于高效的能耗系统，这需要结合两者的特点，使液压泵功率自动适应执行元件，不产生多余的能量损失。功率适应型液压源，要求系统根据负载变化，相应地调整压力与流量，液压动力源的输出功率匹配负载变化。功率适应变量泵原理图与 q-p 特性曲线，如图 2.4 所示：

......

第 3 章 牙轮钻机推进回转系统理论分析...................21
3.1 钻机回转加压闭环控制系统方案....................21
3.1.1 液压系统建模常用方法........................21
第 4 章 液压系统分析与仿真.......................37
4.1 电液比例阀动态特性的分析....................37
4.2 轴向柱塞变量泵...............................39
第 5 章 控制器算法及仿真........................51
5.1 模糊自适应 PID 控制 .......................51
5.1.1 PID 控制器的工作原理 ....................51

第 5 章 控制器算法及仿真

由前文可知，钻进系统性能不能满足要求，需要在响应速度等方面进行优化，常规PID算法结构简单，在大多数工业现场得到应用，对于性能要求高的场合往往无法满足，针对这一问题，出现了很多优化控制算法，比如并联混合控制、神经网络控制、模糊自适应PID控制等。其中模糊自适应PID控制算法对于复杂工况有良好的适应性，下面将对该控制方法作详细介绍。

5.1 模糊自适应 PID 控制
模糊自适应PID控制采用模糊逻辑算法调整PID控制器的参数，与常规PID控制器相比，提高了系统在大范围的适应性，同时避免了模糊逻辑算法控制精度不足的缺点，易于实现更好的控制效果[36]。
5.1.1 PID 控制器的工作原理
PID控制器因其结构简单，能满足大多数简单的系统的控制要求，因而得到了广泛应用[37]。将输入（r）与反馈（y）之差作为误差输入（e），通过PID控制器进行误差补偿，实现对系统的闭环控制。
PID 控制器是三个环节的并联，其中（1）比例环节 P：用于调整系统量上升/下降的时间，可以在一定程度上减小偏差，但会致使超调量增加。（2）积分环节I：主要功能是消除控制系统的稳态误差，可以在一定程度上减少系统上升时间，系统的瞬态响应变慢，稳定时间加长，而且当取值过大时，可能出现不稳定的现象。（3）微分环节 D：具有超前预调功能，可用于增强系统的稳定[38][39]。参数的具体作用表如下，需要注意的是，这些关系并不是明确的，参数之间相互影响，因此在具体地调整控制器参数时，以实际效果为主[40][41]。
在实际应用中，需要给微分控制器添加滤波器（Filter）以获得更好的控制效果[42][43]。其中滤波系数 N 是用于设定微分滤波器 D 的极点（Pole）位置。带滤波器的 PID 控制器结构如图[44]：

......

第 6 章 总结和展望

6.1 总结
课题来源于武重大型牙轮钻机开发项目子课题之一——自适应推进回转控制系统的研究，推进回转系统是牙轮钻机的重要组成部分。针对不同的工况，调整轴压力、回转速度等参数以适应负载的变化，在保证平稳钻进的同时，有效提高钻机的效率。
本文针对目前国内牙轮钻机工况适应性较差、效率较低的情况，提出模糊自适应 PID 控制算法。通过 Simulink 与 AMESim 液压模型仿真分析，验证了该算法有效地改善了牙轮钻机对复杂工况的适应性，增强了钻进过程的平稳性，提升了钻机工作的效率。现将本文的研究成果总结如下：
（1）对当前先进的牙轮钻机推进回转系统的结构型式进行了比较，针对大型牙轮钻机的特点与设计要求，选用了符合要求的推进回转结构型式。并对常见的容积调速方式进行比对分析，设计了钻机推进回转系统的液压原理图，通过计算得到钻机液压系统的基本参数。
（2）对比分析了液压系统建模的常用方法，并选取了传递函数型式与物理模型式的建模方式，确立了推进与回转控制系统的总体方案，并绘制了系统的控制框图。之后对电液比例变量机构、加压液压缸、回转马达等机构进行力——位移分析，推导出其传递函数，进而搭建了推进与回转控制系统的传递模型。
（3）使用 AMESim 液压仿真平台建立了电液比例阀、柱塞变量泵等关键元件的 HCD 模型，并使用不同参数分析了其动态特性。搭建了液压钻进系统的AMESim 模型，与前文所搭建的 Simulink 模型对比分析系统的动态响应特性，两者得到的结果接近，相互验证了其正确性。根据仿真结果可知，液压系统可以适应缓慢变化的负载不发生剧烈波动，而对于阶跃输入，震荡持续时间过长，且产生了稳态误差，因此需要增加控制器进行闭环反馈调节。
......

参考文献（略）

本文编号：234714