一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法与流程

本发明涉及一种变频泵控液压锚杆钻机钻臂摆角控制方法，属于变频泵控技术领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明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，本发明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，机械传动效率为η3，未建模负载转矩和外界扰动tf；锚杆钻机钻臂转角为θl，蜗轮蜗杆驱动钻臂的负载特性模型为：

25)整合得到钻机钻臂旋转系统的数学模型为：

式中，u＝uc，表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且δ是有界的(界是根据系统结构特性估计得到的)；

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)中建模的环境条件是：

a)忽略定量泵与双向液压马达之间的管路压力损失；

b)假设定量泵与双向液压马达的泄漏流态为层流，忽略管路泄漏损失；

c)假设定量泵吸油口和双向液压马达排油口的压力为零，油液密度不变；

d)不考虑定量泵供油的脉动性。

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3)的具体设计过程如下：

记摆角给定值为θd，定义系统误差为e＝θl-θd；

设计动态切换函数为：其中，k∈r⁺；c1、c2、c3为常数；当θ＝0时，是一个渐进稳定的一阶动态系统，满足时间t→∞时，s→0；

选取指数趋近律来设计滑模控制器，令是δ的估计值，ξ1和ξ2均为指数趋近系数，sgn(·)为符号函数，设计控制率为：

对动态切换函数θ求导带入上式可得：其中，为δ的估计误差，记为

选取lyapunov函数为其中，γ∈r⁺是待设计的控制器参数，得到lyapunov函数的微分为：

将自适应律设计为：代入lyapunov函数的微分可得：

表明上述滑模具有存在性和可达性，证明了系统能够实现滑模运动。

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4)的具体方法为，基于matlab仿真平台实现动态滑模自适应控制器，通过合理调节控制器内参数c1、c2、c3、ξ1、ξ2、k和γ，使系统跟踪误差在t→∞时收敛到零，实验验证所构建摆角控制系统的有效性和合理性。

本发明所达到的有益效果：本发明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。

附图说明

图1是液压锚杆钻机钻臂摆角示意图；

图2是变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统原理图；

图3是变频泵控锚杆钻机钻臂摆角的动态滑模自适应控制框图；

图4是动态滑模自适应钻臂摆角控制响应曲线；

图5是动态滑模自适应钻臂摆角控制误差曲线。

图中附图标记的含义：

1-变频器，2-异步电机，3-定量泵，4-油箱，5-过滤器，6-单向阀，7-换向阀，8-双向液压马达，9-联轴器，10-蜗轮蜗杆，11-锚钻机钻臂，12-第一冷却器，13-第二冷却器，14-溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

巷道掘进过程中，锚杆钻机实现锚杆/锚索锚固过程。钻臂如图1所示，将液压钻臂系统部分环节(减速装置、钻臂、部分液压管路和阀)附着到支护支架上，启动电源，根据锚杆/锚索设计安装位置，经控制器调节后，钻臂在蜗轮蜗杆减速器的作用下准确摆动到预安装位置。

本发明所涉及的锚杆钻机钻臂旋转系统如图2所示。变频器将380v/50hz工频交流电，转化成特定频率的电压信号，驱动异步电机。异步电机带动定量泵旋转，输出一定流量的高压油；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；随后，双向液压马达出油口的低压油经换向阀、冷却器，流回到油箱。

本专利采用变频泵控液压锚杆钻机钻臂系统后，采用的摆角控制方法如下(在本方法的描述中，字母上方出现几个点表示该字母的几阶导数)：

步骤1.引入变频泵控技术，构建变频泵控液压锚杆钻机钻臂旋转系统。

步骤2.深入分析新型变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统特性，建立变频泵控钻臂旋转系统的数学模型。

首先，根据钻臂旋转系统结构与特性，给出以下四点假设：

①忽略定量泵与双向液压马达之间的管路压力损失；

②假设定量泵与双向液压马达的泄漏流态为层流，忽略管路泄漏损失；

③假设定量泵吸油口和双向液压马达排油口的压力为零，油液密度不变；

④不考虑定量泵供油的脉动性；

其次，分别建立新型变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统各组成环节的数学模型。

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，则变频器的数学模型为：

f1＝kuuc(1)

u1＝knf1(2)

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，则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，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，则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，机械传动效率为η3，未建模负载转矩和外界扰动tf；锚杆钻机钻臂转角为θl，则蜗轮蜗杆驱动钻臂的负载特性模型为：

25)综上所述，整合得到钻机钻臂旋转系统的数学模型如下：

式中，u＝uc，表示系统中未建模因素和外加扰动引起的不确定项，且δ是有界的；c＝[1,0,0,0]；其中，

步骤3.依据钻臂摆角控制的精度要求，针对新型钻机钻臂旋转系统存在的不确定性，基于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。具体设计过程如下：

记摆角给定值为θd，定义系统误差为e＝θd-θl。

设计动态切换函数为：

其中，k∈r⁺；c1、c2、c3为常数。当θ＝0时，是一个渐进稳定的一阶动态系统，满足t→∞时，s→0。

为保证滑动模态到达过程的动态品质、减弱控制信号的高频抖振，选取指数趋近律来设计滑模控制器，令是δ的估计值，设计控制率为：

对动态切换函数θ求导：

将式(9)带入式(10)，可得：

其中，为δ的估计误差，记为

选取lyapunov函数为：

其中，γ∈r⁺是待设计的控制器参数；得到lyapunov函数的微分为：

将自适应律设计为：

将式(14)代入式(13)，可得：

v≤0表明上述滑模具有存在性和可达性，证明了系统能够实现滑模运动。

步骤4.针对图2所示变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统，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，并深入分析系统稳定性和动态控制性能。实验结果表明，通过合理调节控制器内参数c1、c2、c3、ξ1、ξ2、k和γ，可使系统跟踪误差在t→∞时，收敛到零。

实施例

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系统框图，如图3所示。基于matlab仿真平台实现动态滑模自适应控制器，新型变频泵控钻机钻臂旋转系统中设备核心参数取值，如表1所示。

表1变频泵控钻机钻臂旋转系统设备核心参数取值

假设钻臂摆角给定值为1弧度(rad)，系统未建模摩擦力引起的转矩干扰为2n﹒m。在钻臂旋转到锚杆/锚索的设计安装位置时，钻臂与巷道顶板或两帮会发生接触。由于巷道顶板或两帮并不光滑，突出的煤岩块会对钻臂旋转产生扰动，使钻臂偏离原有的设计安装位置。假设形成的负载扰动为50n﹒m，并持续2s。基于动态切换函数的滑模自适应控制方法中，控制器参数选取为：c1＝2.03，c2＝3.72，c3＝2.6，k＝85，ξ1＝80，ξ2＝50，γ＝5。

动态滑模自适应钻臂摆角控制的实验仿真结果，如表2所示。相应的响应曲线和误差曲线，如图4和图5所示。从实验结果可以看出，钻臂从初始垂直位置，旋转到达期望偏移摆角的旋转过程中，采用pid控制器和模糊pid控制器，存在超调和稳态误差，调节时间较长，使钻臂达到稳定状态时，偏离设定摆角；在钻臂接触围岩时，受到外部负载扰动影响，上述两种控制器会产生较大的摆角波动，导致钻臂偏离设定摆角，最终影响锚杆/锚索支护网络的可靠性。相比而言，本专利所提出的动态滑模自适应摆角控制方法，能对外部负载扰动进行实时补偿，无论钻机钻臂处于何种工况，系统均无超调和稳态误差，调节时间较短，具有更好的鲁棒性。此外，通过设计合理的动态切换函数，有效解决了滑模控制中的高频抖振，保证了系统的稳定性。显然，本专利所提出的新型变频泵控锚杆钻机钻臂动态滑模自适应控制方法，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。

表2两种扰动作用下三种控制方法的控制性能对比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。