潛孔鉆機智能換桿機械手控制淺析＊

豆 龍，閆 杰，李東明

（1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012；2.湖南有色重型機器有限責任公司，湖南長沙 410205）

潛孔鉆機智能換桿機械手控制淺析＊

豆 龍1，2，閆 杰1，2，李東明1，2

（1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012；2.湖南有色重型機器有限責任公司，湖南長沙 410205）

隨著潛孔鉆機智能化的快速發(fā)展和鉆孔深度的增加，實現(xiàn)隨機攜帶智能化的換桿機械手已迫在眉睫。換桿機械手智能化實現(xiàn)的核心和關(guān)鍵在于控制方式的選擇。采用電液伺服技術(shù)作為機械手的主要控制方式，并對該電液伺服系統(tǒng)進行數(shù)學建模，得到了該模型簡化后的傳遞函數(shù)。最后采用PID控制器對其進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，通過仿真實驗，發(fā)現(xiàn)性能得到大幅提高。

潛孔鉆機；機械手；電液伺服系統(tǒng)；PID

0 引 言

大型的地下礦山，往往采用高分段開采工藝，以達到提高采礦效率，降低采礦成本的目的。這就要求采礦鑿巖設備能夠穿鑿更大深度的爆破孔，一般要求達到數(shù)十米。但受到巷道影響，設備尺寸和鉆桿長度都受到限制，從而只能增加鉆桿的數(shù)量以達到鉆進更大深度的要求。但是隨著鉆桿數(shù)量的增加，隨機攜帶將有很大的困難，從而只能為鉆機配備專門的鉆桿車和機械手來實現(xiàn)鉆桿的加接和拆卸［1］。

無人操作下的接卸桿一直是采礦鑿巖設備實現(xiàn)智能化過程中的一個難題，國內(nèi)外對該領(lǐng)域的研究并不多。本文依托國家“863”計劃和十二五項目“地下高氣壓智能潛孔鉆機”，對智能換桿系統(tǒng)進行研究探討。該項研究對推進我國潛孔鉆機的智能化發(fā)展具有很大的意義。

1 機械手模型

由于鉆桿車獨立于潛孔鉆機之外，這樣要將鉆桿從鉆桿車送到鉆架，必須經(jīng)過多個平移和旋轉(zhuǎn)動作才能實現(xiàn)。對鉆桿車和潛孔鉆機分別建立一個坐標系，將鉆桿從鉆桿車送往鉆架，即將鉆桿車的坐標系轉(zhuǎn)化到潛孔鉆機的坐標系，同時讓鉆桿車坐標系中的鉆桿位置和鉆架上鉆桿的安裝位置重合。兩個坐標系之間的轉(zhuǎn)化需要有3個旋轉(zhuǎn)自由度和3個平移自由度，現(xiàn)采用6組油缸對機械手進行控制，每組油缸對應控制一個自由度，并將單個液壓缸作為控制對象進行研究。由于對機械手控制系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能要求都較高，所以采用電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)對液壓缸的控制。

2 電液伺服系統(tǒng)數(shù)學模型

2.1 電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)是一種由電信號處理裝置和液壓動力機構(gòu)組成的反饋控制系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)除了反饋介質(zhì)采用電氣以外，與其它伺服系統(tǒng)一樣具有以下工作特點［2］：

（1）伺服系統(tǒng)的輸出和輸入之間存在反饋連接，所以伺服系統(tǒng)本身也是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)；

（2）伺服系統(tǒng)的主反饋是一個負反饋，也就是說反饋信號與輸入信號相反，根據(jù)兩者相比較得的偏差信號控制輸入到液壓元件的能量，使其向減小偏差的方向移動，即以偏差來減小偏差；

（3）系統(tǒng)輸入信號的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達到很大，因此它是一個功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓能源供給，供給能量的控制是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自動進行的。

該電液伺服系統(tǒng)采用計算機作為控制核心，各種信號的處理計算全部由機載計算機實現(xiàn)。計算機和液壓系統(tǒng)之間的信號傳遞通過D／A和A／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 電液伺服系統(tǒng)數(shù)學模型

2.2.1 伺服閥數(shù)學模型

伺服閥模型是一個具有高階非線性的復雜模型。實際應用中，通常在高頻時把伺服閥模型看作二階系統(tǒng)［3］：

其中，Q為伺服閥輸出流量，xv為伺服閥的閥芯位移，ζn為伺服閥的阻尼系數(shù)，ωn為伺服閥的固有頻率。其中阻尼系數(shù)和自然頻率等參數(shù)都能從閥廠商提供的相關(guān)手冊中獲得。

另外，為簡化伺服閥模型，忽略其動態(tài)性能，從而可以得到伺服閥閥芯位移xv與輸入電壓控制信號u之間的關(guān)系：

式中，Kv為伺服閥的流量增益，u為電壓控制信號。

2.2.2 閥控液壓缸數(shù)學模型

根據(jù)伺服閥流量方程、液壓缸連續(xù)性方程、負載的力平衡方程，同時忽略彈性負載和粘性摩擦力帶來的影響，得到閥控液壓缸的簡化數(shù)學模型為：

其中，xp液壓缸的活塞位移，Kq為流量增益，Ap為活塞平均面積，詳細的推導過程參照文獻［4］和［5］。

2.2.3 電液伺服系統(tǒng)數(shù)學模型

由公式（1）、（2）、（3）可以得到電液伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中，Ka為總流量增益

加入傳感器的反饋信號H（s）后，得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

傳感器的反饋信號一般為常量，即H（s）＝C。

3 PID控制器設計

3.1 PID

PID全稱Proportion Integration Differentiation，意指比例、積分和微分調(diào)節(jié)。PID控制器是一種簡單實用的線性控制器［6］，其良好的控制性能已在長期的使用過程中得到了驗證。具體的控制傳遞函數(shù)如下：

3.2 仿真分析

現(xiàn)采用PID控制器對原閉環(huán)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，并對加入PID前后的系統(tǒng)階躍響應情況進行對比，通過MATLAB仿真［7］得到的結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 使用PID前的響應

圖3 使用PID后的響應

圖2中為未加入PID調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果，其中超調(diào)量達到峰值的近60%，經(jīng)過2s時間才趨向于穩(wěn)定。加入PID控制器之后，仿真結(jié)果未見有超調(diào)現(xiàn)象，而且沒有經(jīng)過震蕩，在大概1s之后直接進入了穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

（1）電液伺服控制基本滿足了潛孔鉆機無人操作下的換桿動作，不過仿真發(fā)現(xiàn)超調(diào)量較大，響應過程較長；加入PID調(diào)節(jié)后，未出現(xiàn)超調(diào)，響應時間也有明顯縮短。

（2）由于巷道內(nèi)環(huán)境比較惡劣，光線不足，另外受傳感器的數(shù)量和精度的影響，機械手抓取的精度和準確度都會存在差異，因此在傳感器的布置位置上需要進一步研究。

（3）整個系統(tǒng)采用了多個油缸同時動作，難免在控制過程中出現(xiàn)耦合和誤差疊加等問題，該方面還需要研究改進。

（4）機械手的動作過程的路徑最優(yōu)化方面的研究還未能涉及，這將是智能換桿系統(tǒng)后續(xù)研究的一個重要方面。

［1］汪正南.T150潛孔鉆機液壓系統(tǒng)的設計與分析［J］.采礦技術(shù)，2010，10（4）：98－99.

［2］楊逢瑜.電液伺服與電液比例控制技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2009：4－7.

［3］Younkin G W.Industrial servo control systems：fundamentals and application［M］.New York，USA：Marcel Dekker，2003：477－484.

［4］王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：40－47.

［5］邢宗義，張 媛，侯遠龍.電液伺服系統(tǒng)的建模方法研究與應用［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（6）：1719－1725.

［6］劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：359－380.

［7］劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計教程［M］.北京：中國水利水電出版社，2005：62－85.

國家＇863＇計劃資助項目（2011AA060402）.

2012－08－22）

豆 龍（1986－），男，湖南安仁人，碩士研究生，從事機械設計及理論研究工作。