一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法技术

本发明专利技术公开了一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，基于钻机钻臂摆角控制要求，引入变频泵控技术，构建新型变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统。采用机理建模方法，建立新型钻机钻臂旋转系统的数学模型，分析系统特性，设计基于动态切换函数的钻臂摆角滑模自适应控制方法。本发明专利技术所达到的有益效果：本发明专利技术适用于综掘巷道支护中锚杆/锚索的精确位置控制，在变频泵控钻机钻臂旋转系统中具有较好的控制性能，能够有效克服系统中存在的诸多不确定性因素对系统的影响，鲁棒性更强，能够更好的满足煤炭规程中锚杆/锚索安装的偏转角控制需求，为实现锚杆/锚索的高精度定位与安装奠定实现基础。

A control method for drill boom swing angle of variable frequency pump controlled hydraulic anchor rod drilling machine

The invention discloses a control method for the swing angle of the drill arm of a variable frequency pump controlled hydraulic anchor rig. Based on the control requirement of the drill arm swing angle, the variable frequency pump control technology is introduced to construct a new type of rotary system of the drill arm of the variable frequency pump controlled anchor drill rig. Based on the mechanism modeling method, the mathematical model of the rotary drilling arm rotation system of the drill rig is established, and the characteristics of the system are analyzed, and the adaptive control method of the swing angle sliding mode based on the dynamic switching function is designed. The invention has the beneficial effect: the invention is suitable for the precise position control of the bolt / anchor in the support of the fully mechanized roadway, and has good control performance in the rotary system of the driller arm of the variable frequency pump control drill, and can effectively overcome the influence of many uncertain factors in the system, and it is more robust and can be better. Meeting the deflection angle control requirements of bolt / anchor installation in coal regulation, laying a foundation for the high-precision positioning and installation of anchors and cables.

【技术实现步骤摘要】
一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法
本专利技术涉及一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，属于变频泵控

技术介绍
在巷道掘进过程中，准确有效地锚杆/锚索支护是保障后续煤炭开采过程安全可靠实施的关键环节，直接影响煤炭企业生产效率和工人生命安全。锚杆/锚索支护的有效性取决于巷道设计初期的锚护网络整体结构设计，以及锚杆钻机对所设计的锚杆/锚索最优位置的精确定位和准确钻进控制。为满足不同位置的锚杆/锚索安装需求，锚杆钻机的钻进控制包括沿巷道断面方向的水平位移控制、钻臂摆角控制和钻进深度控制。只有协同完成上述三个自由度下的钻进动作，才能实现对整个巷道断面的有效锚护。同时，锚杆钻机移动到锚杆/锚索最优设计位置的快速性和准确性，直接决定了巷道的围岩应力分布和锚护网络的有效性。钻机钻臂摆角的有效控制直接决定了锚护网络中角锚杆和帮锚杆支护的准确性，如图1所示。传统的锚杆钻机钻臂摆角控制，完全依赖于钻机操作人员，依据其经验估计钻臂旋转角度，实现人工定位。显然，这种定位方式存在较大的定位误差，定位精度低。针对其他类型钻机钻臂旋转系统，文献(何清华，李力争，周宏兵.双三角钻臂及其液压系统的机理建模与参数估计[J].中南工业大学学报，2001，32(5):519-522)采用阀控方式实现对钻臂运动轨迹的跟踪和定位。学位论文(姚丽明.机载锚杆钻机液压系统设计与研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2012)通过调整侧翻液压缸的伸缩位移量，实现钻臂摆角控制。学位论文(贺立军.新型全液压多功能锚杆钻机关键技术的研究[D].湖北：中国地质大学，2010)利用钻机的主臂系统和变幅机构，调整钻臂摆角。专利(杨洁，付晓.钻臂控制系统及钻装机[P].CN104453844A，2015.03.25)通过电磁比例阀，控制钻臂移动，但未给出具体的控制策略。综上所述，已有钻机钻臂控制系统主要采用阀控方式，虽然控制精度高、响应快，但是对油质要求较高、存在较大的溢流损失、控制效率低。另外，由于系统发热严重，为保证钻进控制性能，往往需要经常性的停机降温，从而影响掘进速度。目前，针对锚杆钻机钻臂摆角控制的研究主要集中在阀控钻臂旋转系统，对于泵控旋转系统的研究还比较缺乏。针对应用于其他领域的变频泵控系统，研究人员已给出基于PID控制、自适应模糊PID控制、单神经元自适应PID控制等的多种控制策略。文献(柯良，惠相君，王卫东.变频泵控液压调速系统建模与仿真[J].液压与气动，2014(11):53-58)采用PID控制，实现变频泵控速度调节，虽然具有较好调速精度和响应快速性，但是系统存在较大超调和稳态误差。文献(李文锋，游庆和，廖强，等.变频泵控预应力张拉设备的自适应模糊PID张拉力控制[J].液压与气动，2016(11):48-54)设计了张拉力的自适应模糊PID控制器，虽然系统具有较小超调量和调节时间，但是响应过程存在振荡。文献(彭天好，徐兵，杨华勇.变频泵控马达调速系统遗传算法PID控制[J].液压与气动，2003(11):1-3)提出了基于遗传算法的PID控制参数寻优方法，对于具有慢时变性和存在负载扰动的变频泵控马达调速系统，具有较好的鲁棒性，但是该控制方法计算耗时、难以实现在线寻优，并且对系统模型具有较强的依赖性。文献(彭天好，徐兵，杨华勇.变频泵控马达调速系统单神经元自适应PID控制[J].中国机械工程，2003，14(20):1780-1783)针对变频泵控马达调速系统，提出单神经元自适应PID控制策略，虽然其对模型依赖程度低，具有更好的动态响应特性，但是没有考虑负载转矩和外部干扰对系统的影响。一方面，由于变频泵控方式具有系统发热量小、油质要求低、环境适应性强、溢流损失小、系统效率高等优点，特别是，相比于传统变量泵控方式，变频定量泵控可以降低系统噪声，提高系统可靠性；相比于传统阀控方式，变频泵控具有较大的钻臂位置调节范围，所以本专利构建了新型变频泵控钻机钻臂旋转系统；另一方面，考虑到本专利构建的变频泵控钻机钻臂旋转系统中，存在诸多不确定因素，包括未建模摩擦，以及钻臂在刚接触到顶板或两帮时，钻臂在煤岩块的作用下可能发生偏移等，传统控制策略很难满足钻机钻臂旋转系统的精确定位控制要求。基于此，本专利设计了基于动态切换函数的新型变频泵控锚杆钻机钻臂摆角滑模自适应控制方法。锚杆钻机钻臂摆角控制是实现锚杆钻机整机自动化和机器人化的重要组成部分，对实施锚护过程的智能化具有深远意义。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，以克服钻臂旋转系统未建模因素和外部干扰引起的不确定因素。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂系统，其特征是，包括变频器、异步电机、定量泵、单向阀、换向阀、双向液压马达、蜗轮蜗杆减速机构和钻臂；所述变频器、异步电机和定量泵依次连接；所述锚杆钻机钻臂设置在蜗轮蜗杆减速机构上；所述蜗轮蜗杆减速机构、联轴器和双向液压马达依次连接；所述双向液压马达通过换向阀分别与单向阀、第一冷却器相连接；所述单向阀与过滤器相连接；所述过滤器的另一端分别与定量泵和溢流阀相连接；所述溢流阀另一端连接有第二冷却器；所述第一冷却器、第二冷却器和定量泵均单独与油箱相连接；所述变频器将工频交流电转化成特定频率的电压信号，驱动异步电机；所述异步电机带动定量泵旋转，输出一定流量的高压油，依次经过滤器、单向阀、换向阀，驱动双向液压马达旋转，进而通过蜗轮蜗杆减速机构带动钻臂发生偏转；所述双向液压马达出油口的低压油经换向阀、第一冷却器，流回到油箱。一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立钻机钻臂旋转系统；步骤2)结合步骤1)所得到的钻机钻臂旋转系统，限定建模环境条件，建立钻机钻臂旋转的系统数学模型；步骤3)依据钻臂摆角控制的精度要求，针对钻机钻臂旋转系统存在的不确定性，且基于步骤2)构建的系统数学模型，设计基于动态切换函数的变频泵控锚杆钻机钻臂摆角滑模自适应控制器；步骤4)基于Matlab仿真平台实现的动态滑模自适应控制器，验证所构建摆角控制系统的有效性和合理性。前述的一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，其特征是，所述步骤2)中建立钻机钻臂旋转系统的数学模型的具体步骤为：21)记变频器输入电压为uc，输出频率为f1，电压/频率转换系数为ku，额定电压条件下的电压/频率转换系数为kN，异步电机的定子相电压为U1，建立变频器的数学模型为：f1＝kuuc，U1＝kNf1；22)记异步电机的转动惯量为J1，黏性阻尼系数为B1，磁极对数为mp，定子侧的转子每相绕组等效电阻为Rr，输出转速为n1；定量泵的排量为D1，出口压力为pB，机械传动效率为η1，异步电机驱动定量泵的数学模型为：23)记乳化液温度为T0时的动力黏度为乳化液的黏温系数为γ，乳化液温度为T，有效体积弹性模量为βe；双向液压马达排量为D2，转速为n2；定量泵与双向液压马达的总泄漏系数为λ，高压腔容积为V0，定量泵驱动双向液压马达的数学模型为：24)记双向液压马达的机械传动效率为η2，黏性阻尼系数为B2，转动惯量为J2；蜗轮蜗杆的转动惯量为J3，传动比为i，黏性阻尼系数为B3，机械传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立钻机钻臂旋转系统；步骤2)结合步骤1)所得到的钻机钻臂旋转系统，限定建模环境条件，建立钻机钻臂旋转的系统数学模型；步骤3)依据钻臂摆角控制的精度要求，针对钻机钻臂旋转系统存在的不确定性，且基于步骤2)构建的系统数学模型，设计基于动态切换函数的变频泵控锚杆钻机钻臂摆角滑模自适应控制器；步骤4)基于Matlab仿真平台实现的动态滑模自适应控制器，验证所构建摆角控制系统的有效性和合理性。

【技术特征摘要】
1.一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立钻机钻臂旋转系统；步骤2)结合步骤1)所得到的钻机钻臂旋转系统，限定建模环境条件，建立钻机钻臂旋转的系统数学模型；步骤3)依据钻臂摆角控制的精度要求，针对钻机钻臂旋转系统存在的不确定性，且基于步骤2)构建的系统数学模型，设计基于动态切换函数的变频泵控锚杆钻机钻臂摆角滑模自适应控制器；步骤4)基于Matlab仿真平台实现的动态滑模自适应控制器，验证所构建摆角控制系统的有效性和合理性。2.根据权利要求1所述的一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，其特征是，所述步骤1)中的系统包括变频器、异步电机、定量泵、单向阀、换向阀、双向液压马达、蜗轮蜗杆减速机构和钻臂；所述变频器、异步电机和定量泵依次连接；所述锚杆钻机钻臂设置在蜗轮蜗杆减速机构上；所述蜗轮蜗杆减速机构、联轴器和双向液压马达依次连接；所述双向液压马达通过换向阀分别与单向阀、第一冷却器相连接；所述单向阀与过滤器相连接；所述过滤器的另一端分别与定量泵和溢流阀相连接；所述溢流阀另一端连接有第二冷却器；所述第一冷却器、第二冷却器和定量泵均单独与油箱相连接；所述变频器将工频交流电转化成特定频率的电压信号，驱动异步电机；所述异步电机带动定量泵旋转，输出一定流量的高压油，依次经过滤器、单向阀、换向阀，驱动双向液压马达旋转，进而通过蜗轮蜗杆减速机构，带动钻臂发生偏转；所述双向液压马达出油口的低压油经换向阀、第一冷却器，流回到油箱。3.根据权利要求1所述的一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，其特征是，所述步骤2)中建立钻机钻臂旋转系统的数学模型的具体步骤为：21)记变频器输入电压为uc，输出频率为f1，电压/频率转换系数为ku，额定电压条件下的电压/频率转换系数为kN，异步电机的定子相电压为U1，建立变频器的数学模型为：f1＝kuuc，U1＝kNf1；22)记异步电机的转动惯量为J1，黏性阻尼系数为B1，磁极对数为mp，定子侧的转子每相绕组等效电阻为Rr，输出转速为n1；定量泵的排量为D1，出口压力为pB，机械传动效率为η1，异步电机驱动定量泵的数学模型为：23)记乳化液温度为T0时的动力黏度为乳化液的黏...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭一楠，陆希望，程伟，巩敦卫，张扬，高光辉，聂志，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32