液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法

摘要

巷道掘进过程中，准确有效的锚杆/锚索支护是确保后续采煤过程安全可靠实施的关键环节，直接影响煤炭企业的生产效率和工人的生命安全。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锚杆/锚索最优位置的精确定位和准确钻进控制。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，是巷道的围岩应力分布和锚护网络有效性的重要保障。 传统的巷道支护锚杆/锚索安装过程中，液压锚杆钻机钻臂通常人工控制，定位精度低，导致钻杆安装偏离原设计位置，易引起设备故障和巷道坍塌。为解决这类问题，本文在现有建模和液压控制技术基础上，研究了井下复杂环境和特殊工况下的阀控液压锚杆钻机钻臂和变频泵控液压锚杆钻机钻臂的摆角控制问题。具体如下三个部分： （1）针对阀控锚杆钻机钻臂电液系统，提出一种基于扩展卡尔曼滤波器（EKF,Extended Kalman Filter）的自适应滑模摆角控制方法，用来解决电液伺服系统中存在的诸多影响因素，如阀死区非线性、参数不确定，以及未知负载扰动，并精确跟踪钻臂设定位置。通过引入平滑死区逆模型，设计死区预补偿器，以削弱死区对控制性能的不良影响。设计合适的滑模自适应律，以估计未知死区参数和消除负载扰动影响。另外，引入EKF估计系统噪声，并对钻臂位置进行预测，以降低滑模抖振。基于AMESim和MATLAB联合仿真结果表明：所设计控制器能够有效补偿死区效应，并消除负载扰动影响，同时能够使系统精确跟踪钻臂摆角设定位置，验证了所提控制策略的有效性。 （2）基于液压锚杆钻机钻臂摆角控制要求，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。通过对系统特性进一步分析，设计一种变频泵控锚杆钻机钻臂摆角模糊PID控制器。基于MATLAB/Simulink仿真结果表明：所提控制方法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控制系统应用中具有较好的控制性能，同时验证了变频泵控钻臂旋转系统模型的正确性和有效性。 （3）在研究工作（2）的基础上，提出一种基于动态切换函数的滑模自适应钻臂摆角控制方法。针对变频泵控液压锚杆钻机钻臂旋转系统存在的诸多内外干扰，设计自适应律和动态滑模控制律，以消除系统抖振、抑制干扰和降低参数摄动对控制系统影响。基于AMESim和MATLAB联合仿真结果表明：动态滑模自适应摆角控制能够有效克服诸多不确定性对系统的影响，该方法相比于研究工作（2）的模糊PID控制器，具有更强鲁棒性，能够无超调的准确跟踪设定值，满足煤炭安全规程中锚杆/锚索安装偏转角控制和巷道稳定支护的需求，为实现锚杆/锚索的高精度定位与安装奠定实现基础。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景

1.2 研究意义

1.3研究现状

1.3.1 巷道支护技术发展现状

1.3.2 液压锚杆钻机发展现状

1.3.3 钻臂控制策略研究现状

1.4研究内容

1.4.1 基于EKF的锚杆钻机钻臂摆角自适应滑模控制

1.4.2 变频泵控锚杆钻机钻臂摆角模糊PID控制

1.4.3 变频泵控锚杆钻机钻臂摆角动态滑模自适应控制

1.5 论文结构

2 液压锚杆钻机钻臂旋转系统建模

2.1 引言

2.2阀控式钻臂旋转系统建模

2.2.1 阀控液压锚杆钻机钻臂旋转系统工作原理

2.2.2 惯性负载的动力学方程

2.2.3 比例阀控液压马达数学模型

2.2.4 电液比例换向阀数学模型

2.2.5 阀控钻臂旋转系统数学模型

2.3泵控式钻臂旋转系统建模

2.3.1 变频泵控液压锚杆钻机钻臂旋转系统工作原理

2.3.2 变频器环节模型

2.3.3 电机泵环节模型

2.3.4 泵控液压马达环节模型

2.3.5 负载特性方程

2.3.6 变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统的数学模型

2.4 本章小结

3基于EKF的锚杆钻机钻臂摆角自适应滑模控制

3.1引言

3.2 基于 EKF 的液压锚杆钻机钻臂摆角自适应滑模控制策略

3.2.1 死区预补偿控制器设计

3.2.2 自适应滑模控制器设计

3.2.3 EKF的位置预测

3.3实验仿真与结果分析

3.3.1 不同工况下系统仿真实验

3.3.2死区特性仿真实验

3.3.3控制器性能对比

3.4本章小结

4变频泵控锚杆钻机钻臂摆角模糊PID控制

4.1.1变频液压技术

4.1.2 钻臂定位方式

4.2 变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角模糊 PID 控制策略

4.2.1输入输出量的模糊化

4.2.2模糊规则的建立

4.3仿真实验与结果分析

4.3.1控制器仿真模型搭建

4.3.2模型验证及控制器性能分析

4.4 本章小结

5变频泵控锚杆钻机钻臂摆角动态滑模自适应控制

5.1 引言

5.2 变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角动态滑模自适应控制策略

5.3实验仿真与结果分析

5.3.1控制器性能分析

5.3.2控制器性能对比试验

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 本文工作

6.2 本文创新点

6.3展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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