潜孔钻机智能换杆机械手控制浅析＊

豆 龙，闫 杰，李东明

（1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012；2.湖南有色重型机器有限责任公司，湖南长沙 410205）

潜孔钻机智能换杆机械手控制浅析＊

豆 龙1，2，闫 杰1，2，李东明1，2

（1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012；2.湖南有色重型机器有限责任公司，湖南长沙 410205）

随着潜孔钻机智能化的快速发展和钻孔深度的增加，实现随机携带智能化的换杆机械手已迫在眉睫。换杆机械手智能化实现的核心和关键在于控制方式的选择。采用电液伺服技术作为机械手的主要控制方式，并对该电液伺服系统进行数学建模，得到了该模型简化后的传递函数。最后采用PID控制器对其进行优化调节，通过仿真实验，发现性能得到大幅提高。

潜孔钻机；机械手；电液伺服系统；PID

0 引 言

大型的地下矿山，往往采用高分段开采工艺，以达到提高采矿效率，降低采矿成本的目的。这就要求采矿凿岩设备能够穿凿更大深度的爆破孔，一般要求达到数十米。但受到巷道影响，设备尺寸和钻杆长度都受到限制，从而只能增加钻杆的数量以达到钻进更大深度的要求。但是随着钻杆数量的增加，随机携带将有很大的困难，从而只能为钻机配备专门的钻杆车和机械手来实现钻杆的加接和拆卸［1］。

无人操作下的接卸杆一直是采矿凿岩设备实现智能化过程中的一个难题，国内外对该领域的研究并不多。本文依托国家“863”计划和十二五项目“地下高气压智能潜孔钻机”，对智能换杆系统进行研究探讨。该项研究对推进我国潜孔钻机的智能化发展具有很大的意义。

1 机械手模型

由于钻杆车独立于潜孔钻机之外，这样要将钻杆从钻杆车送到钻架，必须经过多个平移和旋转动作才能实现。对钻杆车和潜孔钻机分别建立一个坐标系，将钻杆从钻杆车送往钻架，即将钻杆车的坐标系转化到潜孔钻机的坐标系，同时让钻杆车坐标系中的钻杆位置和钻架上钻杆的安装位置重合。两个坐标系之间的转化需要有3个旋转自由度和3个平移自由度，现采用6组油缸对机械手进行控制，每组油缸对应控制一个自由度，并将单个液压缸作为控制对象进行研究。由于对机械手控制系统的动态、静态性能要求都较高，所以采用电液伺服系统实现对液压缸的控制。

2 电液伺服系统数学模型

2.1 电液伺服系统

电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。电液伺服系统除了反馈介质采用电气以外，与其它伺服系统一样具有以下工作特点［2］：

（1）伺服系统的输出和输入之间存在反馈连接，所以伺服系统本身也是一个闭环控制系统；

（2）伺服系统的主反馈是一个负反馈，也就是说反馈信号与输入信号相反，根据两者相比较得的偏差信号控制输入到液压元件的能量，使其向减小偏差的方向移动，即以偏差来减小偏差；

（3）系统输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大，因此它是一个功率放大装置，功率放大所需的能量由液压能源供给，供给能量的控制是根据伺服系统偏差大小自动进行的。

该电液伺服系统采用计算机作为控制核心，各种信号的处理计算全部由机载计算机实现。计算机和液压系统之间的信号传递通过D／A和A／D转换器实现。系统方案如图1所示。

图1 电液伺服系统结构

2.2 电液伺服系统数学模型

2.2.1 伺服阀数学模型

伺服阀模型是一个具有高阶非线性的复杂模型。实际应用中，通常在高频时把伺服阀模型看作二阶系统［3］：

其中，Q为伺服阀输出流量，xv为伺服阀的阀芯位移，ζn为伺服阀的阻尼系数，ωn为伺服阀的固有频率。其中阻尼系数和自然频率等参数都能从阀厂商提供的相关手册中获得。

另外，为简化伺服阀模型，忽略其动态性能，从而可以得到伺服阀阀芯位移xv与输入电压控制信号u之间的关系：

式中，Kv为伺服阀的流量增益，u为电压控制信号。

2.2.2 阀控液压缸数学模型

根据伺服阀流量方程、液压缸连续性方程、负载的力平衡方程，同时忽略弹性负载和粘性摩擦力带来的影响，得到阀控液压缸的简化数学模型为：

其中，xp液压缸的活塞位移，Kq为流量增益，Ap为活塞平均面积，详细的推导过程参照文献［4］和［5］。

2.2.3 电液伺服系统数学模型

由公式（1）、（2）、（3）可以得到电液伺服系统的开环传递函数为：

式中，Ka为总流量增益

加入传感器的反馈信号H（s）后，得到系统的闭环传递函数为：

传感器的反馈信号一般为常量，即H（s）＝C。

3 PID控制器设计

3.1 PID

PID全称Proportion Integration Differentiation，意指比例、积分和微分调节。PID控制器是一种简单实用的线性控制器［6］，其良好的控制性能已在长期的使用过程中得到了验证。具体的控制传递函数如下：

3.2 仿真分析

现采用PID控制器对原闭环系统进行调节，并对加入PID前后的系统阶跃响应情况进行对比，通过MATLAB仿真［7］得到的结果见图2和图3。

图2 使用PID前的响应

图3 使用PID后的响应

图2中为未加入PID调节的仿真结果，其中超调量达到峰值的近60%，经过2s时间才趋向于稳定。加入PID控制器之后，仿真结果未见有超调现象，而且没有经过震荡，在大概1s之后直接进入了稳定状态。

4 结 论

（1）电液伺服控制基本满足了潜孔钻机无人操作下的换杆动作，不过仿真发现超调量较大，响应过程较长；加入PID调节后，未出现超调，响应时间也有明显缩短。

（2）由于巷道内环境比较恶劣，光线不足，另外受传感器的数量和精度的影响，机械手抓取的精度和准确度都会存在差异，因此在传感器的布置位置上需要进一步研究。

（3）整个系统采用了多个油缸同时动作，难免在控制过程中出现耦合和误差叠加等问题，该方面还需要研究改进。

（4）机械手的动作过程的路径最优化方面的研究还未能涉及，这将是智能换杆系统后续研究的一个重要方面。

［1］汪正南.T150潜孔钻机液压系统的设计与分析［J］.采矿技术，2010，10（4）：98－99.

［2］杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术［M］.北京：清华大学出版社，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.液压控制系统［M］.北京：机械工业出版社，1999：40－47.

［5］邢宗义，张 媛，侯远龙.电液伺服系统的建模方法研究与应用［J］.系统仿真学报，2009，21（6）：1719－1725.

［6］刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真［M］.北京：电子工业出版社，2011：359－380.

［7］刘卫国.MATLAB程序设计教程［M］.北京：中国水利水电出版社，2005：62－85.

国家＇863＇计划资助项目（2011AA060402）.

2012－08－22）

豆 龙（1986－），男，湖南安仁人，硕士研究生，从事机械设计及理论研究工作。