深海履帶式采礦車運(yùn)動控制仿真

深海履帶式采礦車運(yùn)動控制仿真

履帶式采購機(jī)構(gòu)以其自身的固有結(jié)構(gòu)特征廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)和采購機(jī)械等特殊道路環(huán)境。對于深海6km多金屬結(jié)核及鈷結(jié)殼采礦領(lǐng)域而言,德國、印度、韓國、中國等眾多國家,相繼研制出了包含海底履帶式采礦車的深海采礦系統(tǒng)。深海采礦的工作環(huán)境極為特殊。深海底海泥的力學(xué)特性直接影響到采礦車的行走性能。Zvi等對于履帶車輛進(jìn)行了理論建模和分析,但此模型僅適應(yīng)于一般陸地,對于深海底特殊復(fù)雜環(huán)境下的履帶車輛行駛力學(xué)的研究缺乏研究。針對軟路面車輛行駛地面力學(xué),Bekker提出確定剪切應(yīng)力與剪切位移之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法;德國的Schulte等通過模擬海泥的沉陷和剪切實(shí)驗(yàn),獲得了剪切應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系;中南大學(xué)的李力等利用膨潤土模擬我國深海礦區(qū)海泥特性,通過實(shí)驗(yàn)得到了我國深海表層海泥的剪切應(yīng)力和位移關(guān)系。上述研究著重于履帶驅(qū)動力和打滑之間的關(guān)系,對于深海履帶采礦車行走過程中遇到的阻力問題未過多涉及。采礦車在行走過程中會受到來自海底沉積物的壓實(shí)阻力、推土阻力、轉(zhuǎn)彎阻力以及水動力和與之相連的輸送軟管等作用力的影響。這些阻力在深海履帶式采礦車行走過程動力學(xué)分析研究中是極其重要的,這也是本文研究的重點(diǎn)之一。深海履帶式采礦車的行走動力是通過履帶相對地面打滑產(chǎn)生的剪切力獲得的,打滑率直接影響到采礦車的行駛性能。傳統(tǒng)陸地車輛的打滑控制方法主要有邏輯門法、PID控制法、模糊控制法以及滑?？刂品?Herzog等對于深海環(huán)境下履帶車輛打滑控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,缺乏一定的理論分析。本文作者對深海履帶式采礦車行走過程中打滑率進(jìn)行了控制研究,通過模擬海泥的特性,結(jié)合我國深海表層海泥的剪切應(yīng)力與位移之間的關(guān)系,得到了深海履帶式采礦車牽引力與打滑之間的關(guān)系;通過對深海履帶式采礦車行走過程的動力學(xué)分析提出采礦車打滑率的控制要求(i≤20%),并設(shè)計(jì)了模糊PID控制系統(tǒng),對打滑率進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明,采礦車行走過程打滑率可以滿足控制要求,確保了深海特殊環(huán)境下履帶式采礦車的行駛性能。1酶切應(yīng)力我國深海履帶式采礦車行走時履帶齒達(dá)到200mm深的海泥層。為了模擬該層海泥的土力學(xué)特性,選取膨潤土和水以一定的比例混合作為模擬海泥。表1所示為深海海底200mm深海泥與模擬海泥的物理力學(xué)特性。根據(jù)Wong的車輛地面力學(xué)理論,土壤所提供的驅(qū)動力為:其中:F1為土壤驅(qū)動力;b為履帶寬度;l為履帶接地長;τ為土壤剪切強(qiáng)度;x為接觸點(diǎn)履帶前端距離。李力等通過實(shí)驗(yàn)獲得了模擬海泥剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系表達(dá)式:其中:τ為水平剪切應(yīng)力;j為履帶前端接觸點(diǎn)距離的剪切位移,j=ix,i為打滑率;τmax為最大剪切應(yīng)力;τr為殘余剪切應(yīng)力;k1=55;k2=3。由式(1)和(2)可以得到深海履帶式采礦車履帶總牽引力的計(jì)算式為:式中:F2為履帶總牽引力;取模擬海泥最大剪切應(yīng)力τmax=4.9kPa,殘余剪切應(yīng)力τr=1.4kPa,同時,根據(jù)我國1000m海試系統(tǒng)深海履帶采礦車的設(shè)計(jì)參數(shù)(見表2),可以得到深海采礦車履帶總牽引力計(jì)算式為:由式(4)可以繪制得到深海履帶式采礦車履帶總牽引力與打滑率之間的關(guān)系曲線。從圖1可知:當(dāng)模擬深海底沉積物剪切強(qiáng)度為4.9kPa時,采礦車的履帶牽引力隨著打滑率的增加而急劇減小,當(dāng)打滑率大于20%時,牽引力基本穩(wěn)定在30kN附近。為使采礦車在深海軟底質(zhì)環(huán)境行駛過程中具有良好的動力性能,需要對采礦車進(jìn)行動力學(xué)分析,并對其行走過程的打滑率進(jìn)行控制。2海底未來采礦車轉(zhuǎn)向驅(qū)動結(jié)構(gòu)方程深海履帶式采礦車采用履帶自行式。行走機(jī)構(gòu)包括履帶、履帶架、驅(qū)動輪、張緊輪與張緊裝置、支重輪、拖鏈輪、動力裝置等,用于載運(yùn)集礦機(jī)構(gòu)在海底自動行走作業(yè)。2條履帶分別選用液壓馬達(dá)驅(qū)動,利用速度差實(shí)現(xiàn)采礦車轉(zhuǎn)向。深海履帶式采礦車在海底直行過程中,其單側(cè)履帶的動力學(xué)方程為:式中:J為履帶驅(qū)動輪相對于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量;ωl為履帶的轉(zhuǎn)動角速度;Tw為單側(cè)履帶液壓馬達(dá)的驅(qū)動力矩;FL為內(nèi)外側(cè)履帶的牽引力;R為驅(qū)動輪半徑;Mi為深海履帶式采礦車單側(cè)模型質(zhì)量;v為履帶速度,即驅(qū)動輪線速度;Rb和Rc分別為履帶受到的推土阻力和壓實(shí)阻力;Fw為水阻力。3在工作環(huán)境下計(jì)算阻力3.1推土阻力與生履帶式采礦車行駛在海底稀軟沉積物上,沉陷較大,不可避免地將產(chǎn)生較大的壓實(shí)阻力與推土阻力。壓實(shí)阻力可由下列公式得到:其中:kc和kφ分別為內(nèi)聚變形模量和摩擦變形模量;m為車體質(zhì)量;n為單條履帶支重輪數(shù);b為履帶寬度;p為履帶板節(jié)距;D為支重輪直徑。3.2沉陷量表z推土阻力可由參考文獻(xiàn)得到:其中:γ為沉積物濕密度;z為沉陷量;Kc和Kγ為被動土系數(shù),其中,這里,Nc和Nγ為太沙基承載能力系數(shù),由土壤內(nèi)摩擦角φ2唯一確定,可通過太沙基承載力系數(shù)表獲得。3.3走車速度、行駛溫度和海流速度的計(jì)算水下履帶式采礦車有較大的迎水體積及迎水面積,海水密度較大,且海底存在著一定的洋流,這些都對采礦車有一定的動力影響。水動力可以由水阻力和慣性力線性疊加而成:其中:Cd為水阻力系數(shù)(dragco-efficiency);Cm為附加質(zhì)量系數(shù);ρw為海水密度;Am為采礦車的迎水面積;vm和vw分別為采礦車的行駛速度與海流速度。根據(jù)我國深海采礦系統(tǒng)對采礦車行走速度的要求,本文以0.5m/s作為采礦車行走控制速度;海底洋流速度根據(jù)我國大洋多金屬結(jié)核中試系統(tǒng)1000m海試區(qū)域的介紹,約為0.15m/s。3.4行駛阻力及滑動率對于履帶式采礦車而言,其轉(zhuǎn)向是通過左右履帶差速來實(shí)現(xiàn)的,在轉(zhuǎn)彎的過程中由于偏心的存在導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎阻力的產(chǎn)生,轉(zhuǎn)彎阻力可通過下式計(jì)算得到式中:m為履帶車質(zhì)量,B為履帶間距,L為車體長度,E為縱向偏心距,阻力系數(shù)μ取0.23。阻力計(jì)算參數(shù)見表3。由表1～3和計(jì)算式(7)～(12)可以得到深海履帶式采礦車行駛過程受到的行駛阻力約為31510N,對應(yīng)牽引力與打滑率關(guān)系曲線可知,此時的打滑率為29%。由于采礦車在行駛的過程中還會受到與之相連的輸送軟管的作用力,所以履帶的打滑率應(yīng)該有一定的余量。故本文取20%作為履帶式采礦車打滑率的控制標(biāo)準(zhǔn)。4液壓回路系統(tǒng)組成深海履帶式采礦車左右履帶的行走均采用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該液壓系統(tǒng)是一個液壓閥控馬達(dá)系統(tǒng),由變量泵、電液比例閥、定位油缸、液壓馬達(dá)等組成,如圖3所示。它通過改變電液比例閥控制油缸位移,進(jìn)而改變液壓泵斜盤傾角,調(diào)節(jié)液壓回路流量來控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和方向,從而達(dá)到深海履帶式采礦車前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎的目的。液壓馬達(dá)為深海履帶式采礦車提供動力,液壓行走系統(tǒng)模型的輸入量為比例閥的控制電流,輸出量為液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩,通過控制比例閥的輸入電流就對液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)整,進(jìn)而控制驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩,從而達(dá)到調(diào)節(jié)履帶的打滑率的目的。5管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為使采礦車在直線行駛過程打滑率滿足控制要求,設(shè)計(jì)帶模糊PID控制器的打滑率控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)如圖4所示。在模糊PID控制器中,控制變量為打滑率i,調(diào)節(jié)變量為履帶液壓行走系統(tǒng)比例閥的輸入電流I,打滑率偏差e以及偏差變化率e(5)可以實(shí)時計(jì)算,根據(jù)模糊關(guān)系可調(diào)整此PID控制器的參數(shù)kp,ki和kd。5.2模糊pid控制器參數(shù)的模糊規(guī)則模型模糊控制的輸入為控制變量i的偏差以及偏差變化率,輸出為PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp,ki,kd;E和EC為e和e(5)的模糊變量,KP,KI和KD為模糊變量。它們的論域均為{±6,5,4,3,2,1,0},模糊集均為{PB,PM,PS,Z,NS,NM,NB}。圖5所示為各個模糊變量的隸屬度函數(shù)曲線。在模糊PID調(diào)節(jié)器中,KP,KI和KD模糊參數(shù)由控制規(guī)則得出。表4給出了模糊規(guī)則模型,由表4可知,在|E|比較大的情況下,采用PD控制,可以達(dá)到加快相應(yīng)速度并快速消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用;在|E|適中的情況下,以保證控制精度為目標(biāo);而在|E|較小的情況下,KP和KD取大值,用以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用重心法進(jìn)行反模糊化,最終得到PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp,ki,kd。(a)E的隸屬度函數(shù);(b)EC的隸屬度函數(shù);(c)KP的隸屬度函數(shù);(d)KI的隸屬度函數(shù);(e)KD的隸屬度函數(shù)圖5各模糊變量隸屬度函數(shù)Fig.5Degreeofmembershipoffuzzyvariables5.3液壓行駛模型的建立由于采礦車行駛在極其稀軟的海底,其行走過程必然存在一定的打滑。采礦車打滑率的計(jì)算可通過下式得到:根據(jù)我國深海采礦系統(tǒng)對采礦車行走速度的要求,vm=0.5m/s。根據(jù)上述模糊PID控制系統(tǒng),在Matlab/Simulink中建立仿真模型,如圖6所示。此系統(tǒng)的輸入為期望打滑率(20%),輸出為深海履帶式采礦車驅(qū)動輪的線速度。液壓行走模塊根據(jù)圖3建立,限于文章篇幅,液壓行走模型的Simulink建模過程參考文獻(xiàn)。打滑反向計(jì)算模塊根據(jù)式(13)建立。6液壓動力系統(tǒng)的驗(yàn)證圖7和8分別為打滑率控制仿真曲線和履帶式采礦車驅(qū)動輪速度仿真曲線。由圖7可以看出:在模糊PID控制器的作用下,深海履帶式采礦車直線行駛啟動階段打滑率較高,最高達(dá)到54%,之后在控制器的作用下迅速逼近理想打滑率(20%),大約在0.65s達(dá)到穩(wěn)定(20%),此后一直穩(wěn)定在理想打滑率附近,符合控制要求。由圖8可以看出:采礦車啟動階段驅(qū)動輪速度由0m/s迅速增大,約在0.65s時達(dá)到穩(wěn)定,速度穩(wěn)定在0.625m/s左右,對應(yīng)采礦車設(shè)定的行駛速度0.5m/s可知,打滑率基本穩(wěn)定在20%左右。圖8的仿真結(jié)果與圖7打滑率的變化規(guī)律吻合,由此驗(yàn)證了履帶式采礦車行走液壓動力系統(tǒng)模型的正確性。綜上仿真結(jié)果,整個控制系統(tǒng)能使深海履帶式采礦車迅速穩(wěn)定在最佳工作狀態(tài),確保了采礦車行駛過程中的動力性能。7指導(dǎo)作業(yè)模型材料建立,建立了規(guī)范的采礦車編碼機(jī)構(gòu)(1)基于我國深海采礦特定海泥層土力學(xué)特性分析,得到深海履帶式采礦車牽引力與打滑率之間的關(guān)系:牽引力隨打滑率增加而急劇減小,最終穩(wěn)定在30kN。為我國深海采礦車動力學(xué)分析提供理論基礎(chǔ)。(2)建立完整的履帶式采礦車動力學(xué)模型,根據(jù)采礦車牽引力與打滑