一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法技术

本发明专利技术公开了一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立锚杆钻机推进系统数学模型；步骤2)利用钻机随钻信息，设定钻机当次钻进的最优推进力；步骤3)结合粒子群优化算法，设计最优自抗扰控制器；步骤4)基于Matlab和AMESim的联合仿真平台，验证所提锚杆钻机推进系统控制方法的有效性和合理性。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锚杆钻机推进力的最优控制，解决了传统钻机控制对操作人员工作经验依赖性大的问题；钻机根据钻进围岩性状，自适应调整推进力，从而减少钻机断杆、别杆等故障，提高工作效率和掘进速度，为钻机自动化、智能化奠定基础。

An optimal active disturbance rejection control method for bolting rigs

The invention discloses an optimal auto-disturbance rejection control method for the propulsive force of a bolt drill, which is characterized by the following steps: step 1) establishing the mathematical model of the propulsive system of the bolt drill; step 2) setting the optimal propulsive force of the current drill by using the drill while drilling information; step 3) combining particle swarm optimization algorithm to design the optimal auto-disturbance control method. Step 4) Based on the joint simulation platform of MATLAB and AMESI, the validity and rationality of the control method of the bolt drill propulsion system are verified. The invention is suitable for the optimal control of the propulsive force of the bolter, and solves the problem that the traditional control of the bolter relies heavily on the working experience of the operator; the driller adaptively adjusts the propulsive force according to the characteristics of the surrounding rock of the drilling, thereby reducing the breakage of the drill rod and other faults, improving the working efficiency and improving the working efficiency. Driving speed lays the foundation for automation and intellectualization of drilling rigs.

【技术实现步骤摘要】
一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法
本专利技术涉及一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，属于工程机械自动控制

技术介绍
锚杆钻机是岩土锚固工程施工中的关键设备之一，其设备性能直接决定了整个工程的进度和质量。本专利主要研究锚杆钻机的轴向推进力控制。钻进作业中，推进机构对钻头施加一定的轴向力，使钻头与岩石紧密接触，有效辅助回转机构破碎岩石。研究表明，恰当的推进力，会使钻机工作于岩石最优钻削区，可获得最大的钻进效率以及钻进速度。如果推进力过小，钻头与孔底岩石将不能紧密接触，会大幅降低钻进速度。反之，过大的推进力，会加剧钻头磨损，甚至出现弯杆或断杆。因此，对推进力的准确控制成为提高钻机钻进速度的关键。针对锚杆钻机推进力的控制，文献(胡志坚，彭嵩，耿莉.工程地质钻机回转钻进比例控制系统的模拟分析[J].机床与液压,2009,37(10):219–221.)采用比例调压泵，实现推进系统控制，但产生的推进力存在高频抖动。文献(WuWR,XuZ.MechanicalMechanicsandApplicationofHighSpeedOn/OffValvetoFeedingSystemofHydraulicDrillingRig[J].AdvancedMaterialsResearch,2014,908:330–334.)利用PWM信号，通过控制高速开关阀动作，实现钻机推进力的比例调节，为优化钻井平台液压系统提供了可靠参考依据。但是，高速开关阀价格偏高，目前在锚杆钻机上应用极少。文献(适应复杂工况的液压钻机推进回转控制系统研究[D].中南大学,2014)采用模糊控制，自动调节潜孔钻机的推进压力，使之与钻机回转压力相匹配，从而实现潜孔钻机的快速钻进，并预防卡钻。但控制量是基于模糊规则设计的，因此，具有控制精度差，响应速度慢的缺陷。专利(卢建波，吴成，潘开方等.马达负载与推进力自适应液压钻机[P]，CN201358708.2009.12.9)在推进回路中设置远控减压阀；该远控减压阀通过其负载感应体连接到钻机回转回路。当回转回路检测出钻机负载增大时，推进回路能自动地降低推进力和推进速度；反之，当钻机负载降低时，能自动增加推进力；从而提高钻机的岩层自适应能力。专利(王士坤，李宝贵，高英杰，蒋寅刚.高效钻机自动控制系统[P]，CN203223215U，2013.10.2)在凿岩机回转回路和推进回路分别增加回转压力传感器和进给压力传感器。通过实时工况检测，利用控制器自动调节凿岩机的冲击能量、回转速度和进给液压缸推进力，控制钎杆的运动，达到减少钎杆损坏和提高工作效率的目的。专利(卢建波，潘开方，胡仁春等.钻机轻推开孔、自适应能力和自动防卡转功能的实现[P]，CN101358522A，2009.02.4)通过改造原有钻机结构，利用机械方式，解决手动钻机控制方式不能适应岩层变化的不足。目前，钻机推进力的研究主要集中在两方面：一方面，利用比例调压泵、负载敏感器件、高速开关阀等部件，实现对钻机推进力的自适应控制，该方法可靠性低；另一方面，根据采集的回转压力信息，利用比例阀和变量泵，实现推进力的逻辑控制。由于缺乏在不同围岩下的最优推进力估计，所以不能实现推进力的自适应控制。
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锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，实现钻机推进力根据围岩性状的自适应调节，达到提高锚固速度和支护质量，以及减少钻机故障的目的。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种锚杆钻机推进系统，其特征是，包括三相异步电机、定量泵、高压滤油器、安全阀、电液比例溢流阀、电磁方向阀和液压油缸；所述三相异步电机与定量泵相连接；所述定量泵泵出的高压油经过高压滤油器后分别流向电液比例溢流阀和电磁方向阀；所述电液比例溢流阀和定量泵还连接有同一油箱；所述电磁方向阀与液压油缸双向连接；所述液压油缸还连接有负载；所述电液比例溢流阀包括阻尼孔、依次连接的比例电磁铁、先导控制级和主阀控制级；所述先导控制级中设置有先导阀芯，主阀控制级中设置有主阀阀芯；所述阻尼孔用于分流乳化液。一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立上述锚杆钻机推进系统数学模型；步骤2)利用钻机随钻信息，设定钻机当次钻进的最优推进力；步骤3)结合粒子群优化算法，设计最优自抗扰控制器；步骤4)基于Matlab和AMESim的联合仿真平台，验证所提锚杆钻机推进系统控制方法的有效性和合理性。前述的一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：101)当电液比例溢流阀的比例电磁铁线圈通电时，产生的电磁力作用在先导阀芯上；乳化液经阻尼孔R1分流，分流后的一部分通过阻尼孔R2，作用于主阀阀芯上腔，另一部分通过阻尼孔R3，作用于先导阀；如果作用于先导阀上的乳化液压力不能克服电磁力，主阀阀芯上腔和下腔压力近似相等，在主阀弹簧初始作用力下，主阀保持关闭状态；当乳化液压力超过先导阀电磁力，先导阀开启；经阻尼孔R1后，乳化液压力下降，导致主阀下腔压力大于上腔压力，主阀开启；102)记比例电磁铁输入电流为I、输出电磁力为Fem、增益为Kb，拉普拉斯算子为s，比例电磁铁的数学模型为：103)记先导阀阀芯及推杆质量之和为m2，先导阀粘性阻尼系数为Bv、等效弹簧刚度为Kv，先导阀阀芯位移为X2，先导级的比例系数为Km＝1/Kv、固有频率为阻尼系数分别为先导控制级的数学模型为：104)记主阀的下腔和上腔压力分别为p1、p2，主阀下表面和上表面受力面积分别为A1、A2，主阀阀芯及推杆质量之和为m1，主阀阀芯弹簧刚度为K，弹簧的初始压缩量为X10，主阀阀芯位移为X1，稳态液动力为Fh，则记ΔFh、ΔX1、Δp1和Δp2分别为Fh、X1、p1和p2的变化量，表示Fh关于X1的一阶偏导，则经线性化处理后，表示为ΔFh＝Kh1ΔX1+Kh2(Δp1-Δp2)；105)记油液有效弹性模量为βe，固定液阻的流量压力系数为GR1，先导阀的流量增益与流量—压力系数分别为Kq2和Kc2，先导阀干路流量和先导阀支路流量分别为Q2和Q4，主阀上腔流量为Q3，主阀上腔容积为V2，则106)记主阀固有频率为主阀上腔转折频率为ωc＝(GR1+Kc2)βe/V2，主阀主导转折频率为ωv＝(K+Kh1)(GR1+Kc2)/A22，有效作用面积为则主阀阀芯位移X1表示为：其中107)基于ωM和ωc远大于液压推进系统固有频率，忽略其对系统控制性能的影响，将X1(s)进行简化，有108)记比例溢流阀溢流流量为Q，主阀下腔流量为Q1，主阀下腔容积为V1，主阀的流量增益与流量—压力系数分别为Kq1和Kc1，则主阀的阀口流量为：109)记K0＝K1/(1+K1Kc1)，K1＝(K+Kh1)/AKq1，ω1＝Kc1βe/V1，D(s)＝K0(1+s/ωv)，忽略具有高频特性的转折频率Kq1/A1的影响，得到比例溢流阀的输出压力p1与先导阀芯位移X2，以及溢流阀输入流量Q1之间的传递函数关系为：110)记推进系统输出力和负载力分别为F和FL，钻头位移量为x，钻杆与推进油缸总重量为m，推进油缸回油腔压力为p3，推进油缸两腔有效作用面积分别为A3和A4，推进系统负载等效弹簧刚度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立锚杆钻机推进系统数学模型；步骤2)利用钻机随钻信息，设定钻机当次钻进的最优推进力；步骤3)结合粒子群优化算法，设计最优自抗扰控制器；步骤4)基于Matlab和AMESim的联合仿真平台，验证所提锚杆钻机推进系统控制方法的有效性和合理性。

【技术特征摘要】
1.一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立锚杆钻机推进系统数学模型；步骤2)利用钻机随钻信息，设定钻机当次钻进的最优推进力；步骤3)结合粒子群优化算法，设计最优自抗扰控制器；步骤4)基于Matlab和AMESim的联合仿真平台，验证所提锚杆钻机推进系统控制方法的有效性和合理性。2.根据权利要求1所述的一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，所述锚杆钻机推进系统包括三相异步电机、定量泵、高压滤油器、安全阀、电液比例溢流阀、电磁方向阀和液压油缸；所述三相异步电机与定量泵相连接；所述定量泵泵出的高压油，经过高压滤油器后，分别流向电液比例溢流阀和电磁方向阀；所述电液比例溢流阀和定量泵还连接有同一油箱；所述电磁方向阀与液压油缸双向连接；所述液压油缸还连接有负载；所述电液比例溢流阀包括阻尼孔、依次连接的比例电磁铁、先导控制级和主阀控制级；所述先导控制级中设置有先导阀芯，主阀控制级中设置有主阀阀芯；所述阻尼孔用于分流乳化液。3.根据权利要求2所述的一种锚杆钻机推进力最优自抗扰控制方法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：101)当电液比例溢流阀的比例电磁铁线圈通电时，产生的电磁力作用在先导阀芯上；乳化液经阻尼孔R1分流，分流后的一部分通过阻尼孔R2，作用于主阀阀芯上腔，另一部分通过阻尼孔R3，作用于先导阀；如果作用于先导阀上的乳化液压力不能克服电磁力，主阀阀芯上腔和下腔压力近似相等，在主阀弹簧初始作用力下，主阀保持关闭状态；当乳化液压力超过先导阀电磁力，先导阀开启；经阻尼孔R1后，乳化液压力下降，导致主阀下腔压力大于上腔压力，主阀开启；102)记比例电磁铁输入电流为I、输出电磁力为Fem、增益为Kb，拉普拉斯算子为s，比例电磁铁的数学模型为：103)记先导阀阀芯及推杆质量之和为m2，先导阀粘性阻尼系数为Bv、等效弹簧刚度为Kv，先导阀阀芯位移为X2，先导级的比例系数为Km＝1/Kv、固有频率为阻尼系数分别为先导控制级的数学模型为：104)记主阀的下腔和上腔压力分别为p1、p2，主阀下表面和上表面受力面积分别为A1、A2，主阀阀芯及推杆质量之和为m1，主阀阀芯弹簧刚度为K，弹簧的初始压缩量为X10，主阀阀芯位移为X1，稳态液动力为Fh，则记ΔFh、ΔX1、Δp1和Δp2分别为Fh、X1、p1和p2的变化量，表示Fh关于X1的一阶偏导，则经线性化处理后，表示为ΔFh＝Kh1ΔX1+Kh2(Δp1-Δp2)；105)记油液有效弹性模量为βe，固定液阻的流量压力系数为GR1，先导阀的流量增益与流量—压力系数分别为Kq2和Kc2，先导阀干路流量和先导阀支路流量分别为Q2和Q4，主阀上腔流量为Q3，主阀上腔容积为V2，则Q4＝Kq2X2+Kc2p2；106)记主阀固有频率为主阀上腔转折频率为ωc＝(GR1+Kc2)βe/V2，主阀主导转折频率为ωv＝(K+Kh1)(GR1+Kc2)/A22，有效作用面积为则主阀阀芯位移X1表示为：其中107)基于ωM和ωc远大于液压推进系统固有频率，忽略其对系统控制性能的影响，将X1(s)进行简化，有108)记比例溢流阀溢流流量为Q，主阀下腔流量为Q1，主阀下腔容积为V1，主阀的流量增益与流量—压力系数分别为Kq1和Kc1，则主阀的阀口流量为：109)记K0＝K1/(1+K1Kc1)，K1＝(K+Kh1)/AKq1，ω1＝Kc1βe/V1，D(s)＝K0(1+s/ωv)，忽略具有高频特性的转折频率Kq1/A1的影响，得到比例溢流阀的输出压力p1与先导阀芯位移X2，以及溢流阀输入流量Q1之间的传递函数关系为：110)记推进系统输出力和负载力分别为F和FL...

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