海底履帶采礦車液壓系統(tǒng)行走控制策略研究

1、海底履帶采礦車液壓系統(tǒng)行走控制策略研究羅光壽1 , 張國平2（1三一重工，湖南長沙，410000；2湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙，) 摘要：海底履帶采礦車在海底的行走動力由液壓系統(tǒng)提供。本文基于AMESim平臺建立海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)仿真模型，組成液壓馬達角速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，對履帶速度和馬達壓力的響應特性進行仿真分析。通過試驗與仿真結(jié)果對比研究，驗證行走液壓系統(tǒng)建模的正確性，表明所建立的海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)基本滿足海底履帶采礦車的要求。關鍵詞：履帶采礦車、液壓系統(tǒng)、PID控制、AMESim、仿真中圖分類號：TH138.8 文獻標識碼：AStudy on Walking Contr

2、ol Strategy for Hydraulic System of Seabed Tracked Mining Vehicle Luo Guangshou1 , Zhang Guoping21 Sany Corporation,Changsha 410000,Hunan,China;2 Hunan Mechanical & Electrical College of technology, Changsha，410151,Hunan,ChinaAbstract：The walking driving power of seabed tracked mining vehicle is

3、 supported by its hydraulic system.This paper constructs a simulation model for the seabed tracked mining vehicle's hydraulic system based on AMEsim.A PID controller is designed to build up a closed-loop control system for angular velocity of hydraulic motor. Then the control system's respon

4、se characteristic for track speed and motor pressure is studied through simulation and experiment.The compared studing result verifies the correctness of the modeling of the walking hydraulic system and shows that the walking hydraulic system built in this study can meet the demands of the seabed tr

5、acked mining vehicle.Key words: Tracked Mining Vehicle;hydraulic system;PID Control;AMESim;Simulation1.引言在大洋深處蘊藏著儲量極為豐富的礦產(chǎn)資源。我國從20世紀90年代初至今開展了深海礦產(chǎn)資源開采技術(shù)的深入研究1。采礦車系統(tǒng)是整個深海采礦系統(tǒng)最前沿，也是最復雜、最關鍵的環(huán)節(jié)2。由于深海底沉積物是完全不同于陸地的極稀軟底質(zhì)，其剪切強度低、內(nèi)聚力極小、內(nèi)摩擦角幾乎為零，且具有流動特性3。因此，行走液壓系統(tǒng)的性能直接影響海底履帶采礦車的行走性能4。2.采礦車行走液壓系統(tǒng)工作原理海底履帶采礦車的行走

6、液壓系統(tǒng)是由變量液壓泵、電液比例閥、定位油缸、電液換向閥、液壓馬達、速度傳感器等組成的電液比例控制系統(tǒng)，如圖1所示。它采用電液比例閥控制定位油缸位移，改變液壓泵的斜盤傾角，調(diào)節(jié)液壓回路流量，控制液壓馬達轉(zhuǎn)速和方向，從而達到控制海底履帶采礦車前進、后退和轉(zhuǎn)彎的目的。利用速度傳感器反饋馬達轉(zhuǎn)速，構(gòu)成閉環(huán)控制5-6。圖1 海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)框圖3.采礦車行走液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型在AMESim中，首先建立變量液壓泵、電液比例閥、定位油缸、電液換向閥、液壓馬達等仿真模型，然后連接各個液壓元件構(gòu)成完整的液壓系統(tǒng)回路，并將液壓馬達的輸出角速度作為海底履帶采礦車控制預定行走速度的對象，從而建

7、立起海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)的仿真模型，見圖2。該行走液壓系統(tǒng)模型的輸入量為比例閥的控制電流，輸出量為液壓馬達的角速度。通過調(diào)節(jié)輸入電信號的大小，可以改變電液比例閥的電流，便可調(diào)節(jié)進入定量馬達的流量，從而改變定量馬達的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)采礦車左右履帶速度的可調(diào)特性。圖2 采礦車行走液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型4 采礦車速度PID控制器設計PID控制算法是過程控制中應用最廣泛的一種控制規(guī)律。本文采用PID控制，以馬達轉(zhuǎn)速為控制變量，對海底履帶采礦車進行行走控制。采用試湊法對海底作業(yè)車速度環(huán)PID控制器的控制參數(shù)進行了設計，得到的PID參數(shù)為：Kp=5.5，Ki=0.1，Kd=0.02。在AMESim

8、元件庫中，也提供了PID控制器模型7，所搭建PID閉環(huán)控制部分如圖2所示。5 行走液壓系統(tǒng)的仿真由于本文建立的海底履帶采礦車左、右液壓行走系統(tǒng)模型及PID控制器是完全相同的、獨立的，因此仿真的結(jié)果也是一樣的，所以本文以左行走液壓系統(tǒng)進行仿真分析。5.1 行走液壓馬達轉(zhuǎn)速和履帶速度仿真分析分別將輸入信號設置為5,10,15,20,25,30的階躍信號，利用AMESim的批處理功能8，進行仿真試驗，得到相應的液壓馬達角速度響應曲線，如圖3所示。圖3 液壓馬達角速度響應曲線由圖3可知，加入PID控制器后，雖然出現(xiàn)一定的超調(diào)，但是液壓馬達角速度響應速度明顯加快，0.2秒后馬達的轉(zhuǎn)速即達到設定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)

9、誤差為零。因此海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)液壓馬達具有良好的動態(tài)響應特性。由于履帶驅(qū)動輪半徑為0.32米，液壓馬達轉(zhuǎn)速范圍為0 r/min30r/min。據(jù)此，可以得到履帶行走速度調(diào)速范圍為0m/s1m/s，滿足了我國多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)對海底帶式采礦車的要求。5.2. 行走液壓馬達壓力仿真分析在海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)仿真模型中，加入不同階躍值的負載轉(zhuǎn)矩（2kNm，4kNm，6kNm，16kNm）。從而得到一組液壓馬達壓力對應于系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩的響應曲線，見圖4。由圖4可知，液壓馬達壓力響應是完全跟隨系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩而變化的。圖4 液壓馬達壓力響應曲線5.3 液壓馬達轉(zhuǎn)速對負載轉(zhuǎn)矩的階躍響應海底履帶采

10、礦車在海底復雜地形行走時，經(jīng)常會遇到系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩突變的情況，因此要求液壓馬達對系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩的變化有較好的響應能力。分別設定負載轉(zhuǎn)矩從4kNm階躍到2kNm和6kNm，得到液壓馬達轉(zhuǎn)速對應于系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩的階躍響應曲線，見圖5。由圖5可以看出，加/減載的過程中，液壓馬達轉(zhuǎn)速在0.2 s內(nèi)恢復到設定值，瞬態(tài)調(diào)整率為4。圖5 液壓馬達轉(zhuǎn)速對負載轉(zhuǎn)矩的階躍響應6 試驗驗證為了驗證所建海底履帶采礦車的行走液壓系統(tǒng)模型的正確性，對履帶車模型機進行了大量試驗，獲得了行走過程中履帶速度與馬達壓力等參數(shù)數(shù)據(jù)。本文從中選取了兩次試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比曲線見圖6和圖7。圖6 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比1圖7 試

11、驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比2由圖6和圖7可知，試驗曲線圍繞仿真曲線上下波動，誤差率均低于5%，因此仿真試驗中設定的速度控制量以及馬達負載轉(zhuǎn)矩是有效的，兩者誤差是由于海底履帶采礦車試驗環(huán)境惡劣造成的，但其誤差是可以接受的。這說明本文對海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)建立的仿真模型能夠正確地模擬實際的液壓回路系統(tǒng)，可進一步利用該模型進行海底履帶采礦車行走控制研究。7 結(jié)論本文基于仿真軟件AMESim建立了由變量液壓泵、電液比例閥、定位油缸、電液換向閥、液壓馬達、速度傳感器等元件組成海底履帶采礦車的行走液壓系統(tǒng)模型。設計了PID控制器，并通過液壓馬達角速度作為負反饋組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過仿真和實驗對比研究，表明

12、本文提出的海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)液壓馬達具有良好的動態(tài)響應特性，能夠滿足多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)的要求，驗證了海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)建模的正確性。參考文獻1 肖林京，方湄，張文明.大洋多金屬結(jié)核開采研究進展與現(xiàn)狀J.金屬礦山，2000，8:1114.2 陽寧，高宇清，陳新明等. 大洋多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)1000m海上試驗總體系統(tǒng)技術(shù)設計. 中國大洋協(xié)會，2004.3 丁六懷，高宇清.深海采礦集礦機的研究與開發(fā)J.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26(z1):5256.4 Li Li, Zhong Jue. Research of Chinas pilot-miner in the mining

13、system of poly-metallic noduleG. The Proceedings of The Fifteenth International Offshore and Polar Engineering Conference. California; ISOPE, 2006: 124-131.5 S.Ramji，S.Rajesh，N.R. Ramesh. Design and testing of Control and Positioning System for Underwater mining Machine C. OCEANS 2007，Sept.29-Oct.4，Vancouver，BC：IEEE，2007：1-56 K. Herzog， E. Schulte， M. A. Atmanand. Slip Control System for a DeepSea Mining Machine J. IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATION SCIENCE AND ENGINEERING，VOL 4， NO.2， APRIL 2007：2822867 萬理想，丁保華，周洲等. 基于AMESim和Simulink的液壓伺服系統(tǒng)動態(tài)仿真J. 煤礦機械，2007,9：4042.8 邢科禮，馮玉，金俠杰等. 基于AMESim/