發(fā)布時間：2017-01-05 08:26

第 1 章 緒論

1.1 本課題研究的背景及意義
隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和現(xiàn)代采礦工藝的發(fā)展，礦山生產(chǎn)活動對設(shè)備的規(guī)格要求越來越高，礦山設(shè)備水平的高低，在很大程度上影響著生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。牙輪鉆機是大型露天礦開采的主要設(shè)備，鉆孔效率高、環(huán)境適應(yīng)性好，廣泛地應(yīng)用在礦山、建筑基礎(chǔ)開挖、水利等大型露天工程的鉆鑿炮孔作業(yè)[3]。圖 1.1 所示為牙輪鉆機在礦山爆破現(xiàn)場。

為了能適應(yīng)不同的工況和復(fù)雜的地質(zhì)條件，同時提高能耗效率，降低振動，牙輪鉆機需具備隨負(fù)載變化實時進(jìn)行工作參數(shù)調(diào)整的功能。因而要求其動力裝置具有良好的調(diào)速性能，當(dāng)前國外成熟的調(diào)速方案主要有交流電動機變頻調(diào)速、直流電動機可控硅調(diào)速，此外液壓傳動調(diào)速也較為常見[4] [5]。液壓傳動方案，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)速范圍大，可以不需要依賴礦山電網(wǎng)，可用于缺乏電網(wǎng)建設(shè)的礦區(qū)[6]。國外的大型牙輪鉆機，普遍采用了液壓動力型式。我國在牙輪鉆機的研究上取得了不少突破，但在大型化、智能監(jiān)控、自動鉆進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)上還不夠成熟。為此開發(fā)出高效、節(jié)能的牙輪鉆機自動鉆進(jìn)系統(tǒng)是非常必要的。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 國外牙輪鉆機研究現(xiàn)狀
在國外，牙輪鉆機的研發(fā)與應(yīng)用要遠(yuǎn)早于國內(nèi)，美國、瑞典和德國是牙輪鉆機技術(shù)領(lǐng)先的國家，經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，美制牙輪鉆機以其先進(jìn)的技術(shù)、良好的性能，以及在主要礦產(chǎn)國家的大力推廣，占領(lǐng)著很大的國際市場份額[7] [8]。瑞典對牙輪鉆機的研發(fā)相比美國和俄羅斯起步要遲，但其發(fā)展快速，以其高性價比和先進(jìn)技術(shù)，以阿斯特·科普柯為首的幾家礦山裝備公司產(chǎn)品不僅在國內(nèi)占用率高，也在國際市場上有廣泛的認(rèn)同，成為美國的重要競爭對手[9]。美國卡特彼勒公司（Catapillar）、瑞典阿特斯拉·科普柯（AtlasCopco）與美國久益國際公司為全球牙輪鉆機三大主導(dǎo)開發(fā)商[10]。
卡特彼勒公司并購世界最大、技術(shù)先進(jìn)的牙鉆鉆機制造商之一的比塞洛斯公司(B-I)后，在傳統(tǒng)的高性能機型系列 49-R、67-R 的基礎(chǔ)上，研制出了更大型的59-R 型鉆機，其最大的軸壓力可達(dá) 585~630kN，最大鑿巖孔徑為 406~445mm，空壓機輸出排渣風(fēng)速高達(dá) 35.5m/s[11]。
英格索蘭公司(IR)生產(chǎn)的礦用爆破牙輪鉆主要有 DM-25、DM50E、DM-M 和DM-H 等型號，該系列鉆機采用全液壓驅(qū)動方案，整機動力則選用才有發(fā)動機或電力。阿特拉斯·科普柯公司并購英格索蘭公司的鉆機事業(yè)部后，開發(fā)了新型的PV 系列鉆機，在整機效率和智能化程度上都有很大的提高。另外在英格索蘭公司的鉆機檢測系統(tǒng)（IRDMS）的基礎(chǔ)上，開發(fā)了全新的 ViperRCS，采用符合人體工程學(xué)的駕駛室設(shè)計，保證高效的自動鉆進(jìn)和監(jiān)測診斷的同時，大大減輕了駕駛員的疲勞感[12]。
H 公司設(shè)計的牙輪鉆機系列包括三個型號：70A 型、100B 型、120A 型，其中最大型的 120A 鉆機是目前最大鉆孔孔徑的牙輪鉆機，其鉆孔直徑可達(dá)559mm。美國久益國際公司對其進(jìn)行并購后，沿承其一貫的高度集成化的設(shè)計方式，所有的鉆機均裝備 PLC 控制系統(tǒng)，并將所有的控制功能與組態(tài) GUI 界面集合到一體，采用工業(yè)計算機做為主機，運行控制和檢測程序，鉆機的各項運行參數(shù)和工作狀況相關(guān)信息都可在駕駛室的計算機上顯示[13]。

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第 2 章 推進(jìn)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)工況適應(yīng)方案

2.1 牙輪鉆機鉆進(jìn)原理與結(jié)構(gòu)型式
牙輪鉆機的鉆進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)與回轉(zhuǎn)兩部分組成，為了實現(xiàn)高效的鉆進(jìn)與良好的控制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上兩者獨立，下面將對兩個部分分別進(jìn)行討論。
2.1.1 加壓提升系統(tǒng)型式
鏈輪-鏈條具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)適用的特點，但其傳動平穩(wěn)性差，噪聲大，鏈條在傳動過程中的受力較大，遇到?jīng)_擊時易發(fā)生斷裂等故障，可靠性差，維修費時費力，顯然已經(jīng)不能滿足當(dāng)下鉆機發(fā)展的需求�！叭ユ湕l化”的加壓方式是未來大型鉆機的發(fā)展趨勢[20]，采用齒輪-齒條的無鏈加壓提升系統(tǒng)（如圖 2.1）不必再額外安裝張緊裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，，剛度高，并且可以實現(xiàn)加壓、提升兩個動作。對于大型鉆機，齒輪-齒條結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)大的軸壓力平穩(wěn)加壓，振動和噪聲小。
2.1.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)型式
國內(nèi)鉆機多數(shù)鉆孔直徑較小，回轉(zhuǎn)力矩不大，常見的 YZ-12 鉆機、KY-200等型號均采用直流電動機-可控硅調(diào)速方案；YZ-35、KY-250D 鉆機采用功率較大的交流電動機-交流變頻器調(diào)速或者交直流兩用方案；相比之下，國外牙輪鉆機的較小機型也普通采用交直流電動機驅(qū)動，而新型的大型牙輪鉆機幾乎都采用液壓動力驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置，比如 Altas 公司的 DM45、DM50、PV351 大型鉆機；只有少數(shù)大型鉆機使用交流電機-變頻方案或直流電機-可控硅雙設(shè)計方案[21][22]�？梢妼τ诖笮豌@機，液壓驅(qū)動方式有著更多的優(yōu)勢，是未來鉆機的發(fā)展方向，從這個角度本文選用液壓驅(qū)動回轉(zhuǎn)型式。
本設(shè)計中鉆機的回轉(zhuǎn)扭矩大，因此采用了雙泵并聯(lián)的方式為鉆桿提供動力。液壓泵將動力傳遞給液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)通過減速箱，將動力傳遞給鉆桿，帶動鉆桿進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動，由于設(shè)計的鉆進(jìn)深度為 40 米，因此采用兩級鉆桿串聯(lián)的設(shè)計方式。

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2.2 牙輪鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計
本文采用全液壓設(shè)計，由于牙輪鉆機的行走與鉆進(jìn)作業(yè)是獨立操作的。另外回轉(zhuǎn)與加壓也是分立的，因此采用單液壓泵配合多路閥的方式，進(jìn)行兩者功能的切換。關(guān)于鉆機行走控制方面的內(nèi)容本文不作討論，重點對推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究。
2.2.1 牙輪鉆機液壓調(diào)速系統(tǒng)類型
為了滿足牙輪鉆機在不同工況下穩(wěn)定運行的要求，需要設(shè)計相應(yīng)的液壓系統(tǒng)適應(yīng)壓力與流量的變化。定量泵-節(jié)流閥調(diào)速方式，存在功率損失大、發(fā)熱量大的問題，不能滿足于大型系統(tǒng)的設(shè)計要求。采用改變變量泵排量調(diào)速（容積調(diào)速）的方式可以解決這一問題。采用比例變量泵與馬達(dá)進(jìn)行調(diào)速，按照控制方式可以分為 P-V，P-P、P-Q、P-Power 四大類。容積調(diào)速的基本控制方法如下[23][24]：
1）流量適應(yīng)控制
針對節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中液壓回路總損失大的情況，采用流量適應(yīng)的調(diào)節(jié)方式，根據(jù)負(fù)載的實時狀況，由泵自動調(diào)節(jié)供給流量，達(dá)到完全消除溢流損失的目的。常用的流量適應(yīng)控制變量泵包括（1）限壓式變量泵（2）流量敏感型變量泵（3）恒壓變量泵，如圖 2.2 所示：
2）壓力適應(yīng)控制
壓力適應(yīng)控制系統(tǒng)不使用溢流方式實現(xiàn)，而是讓多余的油液流經(jīng)非恒定的流阻，而該流阻的阻值由系統(tǒng)的負(fù)載和速度決定。通過供油泵與系統(tǒng)負(fù)載相互匹配的方式，消除了系統(tǒng)中多余的壓力。常用的壓力適應(yīng)控制方式有（1）定差溢流型壓力控制（2）流量敏感型恒流量變量泵，如圖 2.3 所示：
3）功率適應(yīng)控制
壓力適應(yīng)型控制與流量適應(yīng)型控制，都只是針對系統(tǒng)單指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計的。對于高效的能耗系統(tǒng)，這需要結(jié)合兩者的特點，使液壓泵功率自動適應(yīng)執(zhí)行元件，不產(chǎn)生多余的能量損失。功率適應(yīng)型液壓源，要求系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載變化，相應(yīng)地調(diào)整壓力與流量，液壓動力源的輸出功率匹配負(fù)載變化。功率適應(yīng)變量泵原理圖與 q-p 特性曲線，如圖 2.4 所示：

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第 3 章 牙輪鉆機推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)理論分析...................21
3.1 鉆機回轉(zhuǎn)加壓閉環(huán)控制系統(tǒng)方案....................21
3.1.1 液壓系統(tǒng)建模常用方法........................21
第 4 章 液壓系統(tǒng)分析與仿真.......................37
4.1 電液比例閥動態(tài)特性的分析....................37
4.2 軸向柱塞變量泵...............................39
第 5 章 控制器算法及仿真........................51
5.1 模糊自適應(yīng) 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，鉆進(jìn)系統(tǒng)性能不能滿足要求，需要在響應(yīng)速度等方面進(jìn)行優(yōu)化，常規(guī)PID算法結(jié)構(gòu)簡單，在大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場得到應(yīng)用，對于性能要求高的場合往往無法滿足，針對這一問題，出現(xiàn)了很多優(yōu)化控制算法，比如并聯(lián)混合控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊自適應(yīng)PID控制等。其中模糊自適應(yīng)PID控制算法對于復(fù)雜工況有良好的適應(yīng)性，下面將對該控制方法作詳細(xì)介紹。

5.1 模糊自適應(yīng) PID 控制
模糊自適應(yīng)PID控制采用模糊邏輯算法調(diào)整PID控制器的參數(shù)，與常規(guī)PID控制器相比，提高了系統(tǒng)在大范圍的適應(yīng)性，同時避免了模糊邏輯算法控制精度不足的缺點，易于實現(xiàn)更好的控制效果[36]。
5.1.1 PID 控制器的工作原理
PID控制器因其結(jié)構(gòu)簡單，能滿足大多數(shù)簡單的系統(tǒng)的控制要求，因而得到了廣泛應(yīng)用[37]。將輸入（r）與反饋（y）之差作為誤差輸入（e），通過PID控制器進(jìn)行誤差補償，實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
PID 控制器是三個環(huán)節(jié)的并聯(lián)，其中（1）比例環(huán)節(jié) P：用于調(diào)整系統(tǒng)量上升/下降的時間，可以在一定程度上減小偏差，但會致使超調(diào)量增加。（2）積分環(huán)節(jié)I：主要功能是消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，可以在一定程度上減少系統(tǒng)上升時間，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)變慢，穩(wěn)定時間加長，而且當(dāng)取值過大時，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。（3）微分環(huán)節(jié) D：具有超前預(yù)調(diào)功能，可用于增強系統(tǒng)的穩(wěn)定[38][39]。參數(shù)的具體作用表如下，需要注意的是，這些關(guān)系并不是明確的，參數(shù)之間相互影響，因此在具體地調(diào)整控制器參數(shù)時，以實際效果為主[40][41]。
在實際應(yīng)用中，需要給微分控制器添加濾波器（Filter）以獲得更好的控制效果[42][43]。其中濾波系數(shù) N 是用于設(shè)定微分濾波器 D 的極點（Pole）位置。帶濾波器的 PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖[44]：

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第 6 章 總結(jié)和展望

6.1 總結(jié)
課題來源于武重大型牙輪鉆機開發(fā)項目子課題之一——自適應(yīng)推進(jìn)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的研究，推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是牙輪鉆機的重要組成部分。針對不同的工況，調(diào)整軸壓力、回轉(zhuǎn)速度等參數(shù)以適應(yīng)負(fù)載的變化，在保證平穩(wěn)鉆進(jìn)的同時，有效提高鉆機的效率。
本文針對目前國內(nèi)牙輪鉆機工況適應(yīng)性較差、效率較低的情況，提出模糊自適應(yīng) PID 控制算法。通過 Simulink 與 AMESim 液壓模型仿真分析，驗證了該算法有效地改善了牙輪鉆機對復(fù)雜工況的適應(yīng)性，增強了鉆進(jìn)過程的平穩(wěn)性，提升了鉆機工作的效率�，F(xiàn)將本文的研究成果總結(jié)如下：
（1）對當(dāng)前先進(jìn)的牙輪鉆機推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了比較，針對大型牙輪鉆機的特點與設(shè)計要求，選用了符合要求的推進(jìn)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)型式。并對常見的容積調(diào)速方式進(jìn)行比對分析，設(shè)計了鉆機推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的液壓原理圖，通過計算得到鉆機液壓系統(tǒng)的基本參數(shù)。
（2）對比分析了液壓系統(tǒng)建模的常用方法，并選取了傳遞函數(shù)型式與物理模型式的建模方式，確立了推進(jìn)與回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的總體方案，并繪制了系統(tǒng)的控制框圖。之后對電液比例變量機構(gòu)、加壓液壓缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等機構(gòu)進(jìn)行力——位移分析，推導(dǎo)出其傳遞函數(shù)，進(jìn)而搭建了推進(jìn)與回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的傳遞模型。
（3）使用 AMESim 液壓仿真平臺建立了電液比例閥、柱塞變量泵等關(guān)鍵元件的 HCD 模型，并使用不同參數(shù)分析了其動態(tài)特性。搭建了液壓鉆進(jìn)系統(tǒng)的AMESim 模型，與前文所搭建的 Simulink 模型對比分析系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，兩者得到的結(jié)果接近，相互驗證了其正確性。根據(jù)仿真結(jié)果可知，液壓系統(tǒng)可以適應(yīng)緩慢變化的負(fù)載不發(fā)生劇烈波動，而對于階躍輸入，震蕩持續(xù)時間過長，且產(chǎn)生了穩(wěn)態(tài)誤差，因此需要增加控制器進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：234714