豆 龍，閆 杰，李東明

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012；2.湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410205）

潛孔鉆機(jī)智能換桿機(jī)械手控制淺析＊

豆 龍1，2，閆 杰1，2，李東明1，2

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012；2.湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410205）

隨著潛孔鉆機(jī)智能化的快速發(fā)展和鉆孔深度的增加，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)攜帶智能化的換桿機(jī)械手已迫在眉睫。換桿機(jī)械手智能化實(shí)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(jī)械手的主要控制方式，并對(duì)該電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到了該模型簡(jiǎn)化后的傳遞函數(shù)。最后采用PID控制器對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)性能得到大幅提高。

潛孔鉆機(jī)；機(jī)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(kāi)采工藝，以達(dá)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(shè)備能夠穿鑿更大深度的爆破孔，一般要求達(dá)到數(shù)十米。但受到巷道影響，設(shè)備尺寸和鉆桿長(zhǎng)度都受到限制，從而只能增加鉆桿的數(shù)量以達(dá)到鉆進(jìn)更大深度的要求。但是隨著鉆桿數(shù)量的增加，隨機(jī)攜帶將有很大的困難，從而只能為鉆機(jī)配備專門的鉆桿車和機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆桿的加接和拆卸［1］。

無(wú)人操作下的接卸桿一直是采礦鑿巖設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化過(guò)程中的一個(gè)難題，國(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究并不多。本文依托國(guó)家“863”計(jì)劃和十二五項(xiàng)目“地下高氣壓智能潛孔鉆機(jī)”，對(duì)智能換桿系統(tǒng)進(jìn)行研究探討。該項(xiàng)研究對(duì)推進(jìn)我國(guó)潛孔鉆機(jī)的智能化發(fā)展具有很大的意義。

1 機(jī)械手模型

由于鉆桿車獨(dú)立于潛孔鉆機(jī)之外，這樣要將鉆桿從鉆桿車送到鉆架，必須經(jīng)過(guò)多個(gè)平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)鉆桿車和潛孔鉆機(jī)分別建立一個(gè)坐標(biāo)系，將鉆桿從鉆桿車送往鉆架，即將鉆桿車的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到潛孔鉆機(jī)的坐標(biāo)系，同時(shí)讓鉆桿車坐標(biāo)系中的鉆桿位置和鉆架上鉆桿的安裝位置重合。兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化需要有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和3個(gè)平移自由度，現(xiàn)采用6組油缸對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，每組油缸對(duì)應(yīng)控制一個(gè)自由度，并將單個(gè)液壓缸作為控制對(duì)象進(jìn)行研究。由于對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能要求都較高，所以采用電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的控制。

2 電液伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(hào)處理裝置和液壓動(dòng)力機(jī)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(diǎn)［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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)；

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

（3）系統(tǒng)輸入信號(hào)的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達(dá)到很大，因此它是一個(gè)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(dòng)進(jìn)行的。

該電液伺服系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為控制核心，各種信號(hào)的處理計(jì)算全部由機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)和液壓系統(tǒng)之間的信號(hào)傳遞通過(guò)D／A和A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)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(xué)模型

2.2.1 伺服閥數(shù)學(xué)模型

伺服閥模型是一個(gè)具有高階非線性的復(fù)雜模型。實(shí)際應(yīng)用中，通常在高頻時(shí)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(cè)中獲得。

另外，為簡(jiǎn)化伺服閥模型，忽略其動(dòng)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(hào)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(hào)。

2.2.2 閥控液壓缸數(shù)學(xué)模型

根據(jù)伺服閥流量方程、液壓缸連續(xù)性方程、負(fù)載的力平衡方程，同時(shí)忽略彈性負(fù)載和粘性摩擦力帶來(lái)的影響，得到閥控液壓缸的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)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(xì)的推導(dǎo)過(guò)程參照文獻(xiàn)［4］和［5］。

2.2.3 電液伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由公式（1）、（2）、（3）可以得到電液伺服系統(tǒng)的開(kāi)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(hào)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(hào)一般為常量，即H（s）＝C。

3 PID控制器設(shè)計(jì)

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(jiǎn)單實(shí)用的線性控制器［6］，其良好的控制性能已在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中得到了驗(yàn)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(duì)原閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)加入PID前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)情況進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)MATLAB仿真［7］得到的結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 使用PID前的響應(yīng)

圖3 使用PID后的響應(yīng)

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(dá)到峰值的近60%，經(jīng)過(guò)2s時(shí)間才趨向于穩(wěn)定。加入PID控制器之后，仿真結(jié)果未見(jiàn)有超調(diào)現(xiàn)象，而且沒(méi)有經(jīng)過(guò)震蕩，在大概1s之后直接進(jìn)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(jī)無(wú)人操作下的換桿動(dòng)作，不過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)超調(diào)量較大，響應(yīng)過(guò)程較長(zhǎng)；加入PID調(diào)節(jié)后，未出現(xiàn)超調(diào)，響應(yīng)時(shí)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(jī)械手抓取的精度和準(zhǔn)確度都會(huì)存在差異，因此在傳感器的布置位置上需要進(jìn)一步研究。

（3）整個(gè)系統(tǒng)采用了多個(gè)油缸同時(shí)動(dòng)作，難免在控制過(guò)程中出現(xiàn)耦合和誤差疊加等問(wèn)題，該方面還需要研究改進(jìn)。

（4）機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)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(gè)重要方面。

［1］汪正南.T150潛孔鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xué)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(jī)械工業(yè)出版社，1999：40－47.

［5］邢宗義，張 媛，侯遠(yuǎn)龍.電液伺服系統(tǒng)的建模方法研究與應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（6）：1719－1725.

［6］劉金琨.先進(jìn)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(guó).MATLAB程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：62－85.

國(guó)家＇863＇計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA060402）.

2012－08－22）

豆 龍（1986－），男，湖南安仁人，碩士研究生，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究工作。