CN109946961A - 一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊pid控制方法 - Google Patents

Abstract

一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，属于变频泵控技术领域。变频泵控液压钻机钻臂旋转系统，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，液压马达出油口的低压油经换向阀，流回到油箱。基于液压锚杆钻机钻臂摆角控制要求，构建变频泵控锚杆钻机钻臂旋转系统；建立新型钻机钻臂旋转系统的数学模型；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控制系统应用中具有较好的控制性能，同时验证了变频泵控钻臂旋转系统模型的正确性和有效性。

Description

一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法

技术领域

本发明涉及变频泵控技术领域，具体涉及一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法。

背景技术

随着综采技术水平的提高，快速、安全、高效地实施巷道掘进是影响煤矿开采效率和生产安全的重要环节。然而，煤矿安全生产离不开高效的巷道支护，巷道支护技术的快速发展是提高煤矿现代化、机械化和自动化采煤效率的重要保障。另外，在锚护技术快速提高的同时，也促使锚护装置朝机械化、自动化和智能化方向快速发展。作为锚杆/锚索支护的主要施工设备，锚杆钻机自然成为锚固工程技术发展的重点，其钻臂摆角的有效控制便成为实施巷道锚杆/锚索高效支护的有力保证。

目前，国内大部分煤矿仍在使用单体式或钻车式锚杆钻机，广泛采用工人操纵手柄的操作方式，通过人工定位，将钻臂移至锚杆/锚索预安装位置。这种锚护方式效率低下，定位精度低。此外，偏离方位的锚护，往往会导致围岩应力发生较大的变化，直接加剧围岩松垮程度，显然不符合现代化煤矿开采作业。因此，如何改进锚护设备的工作方式，提高工作效率，成为现阶段解决问题的关键。

液压动力传动一般是通过液压泵将电动机的机械能转化为液压能来传递能量，再通过液压执行机构将液压能转化为机械能，最终实现负载的旋转或直线往复运动，其具有传动性能平稳、调速便捷等优点，但在传递过程中能量损失严重。

传统的节流调速液压系统主要采用电液比例阀、电液伺服阀等作为液压控制元件，通过调节阀门的开度，控制液压执行机构实现相应功能。

容积调速液压系统主要是通过改变变量液压泵或变量液压马达的排量，控制液压执行机构，完成调速任务。节流调速比容积调速效果好。但是，节流调速回路一般存在较大溢流和节流损失，能量利用率不高；容积调速通常没有溢流和节流损失，节能效果更好。但是，容积调速回路使用的变量泵或变量马达机械结构一般较为复杂，并且调速范围有限。而变频调速液压系统则是通过改变供电电源的电压/频率来控制电机转速，间接驱动定量泵泵出一定流量的高压油流进液压执行机构，最终实现对液压执行机构速度的调节，同时异步电机始终工作在高效率状态。

发明内容

本发明的目的是要提供一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，解决解决常规PID控制器在使用过程中，控制器参数不能自适应调节的问题，验证所建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统数学模型的合理性。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，包括以下步骤：

步骤1：依据变频泵控液压钻机钻臂旋转系统工作原理及其特性，构建钻臂系统数学模型；

步骤2：结合步骤1所建变频泵控液压钻机钻臂系统数学模型，基于钻臂摆角控制要求，设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器；

步骤3：基于Matlab2012a/simulink的仿真实验研究，验证所构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统模型的合理性和所提控制策略有效性。

所述的构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统的钻臂系统数学模型，具体步骤如下：

步骤1-1、变频器包括：整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路四部分，将电压/频率固定不变的工频交流电转变为电压/频率可变的交流电；与交流电动机结合，改变交流电动机的工作方式；将变频器应用于钻机钻臂摆角控制中，通过改变异步电动机输出电压的相序，实现异步电动机的可逆控制；变频器的数学模型为：

f₁＝k_uu_c (1)

U₁＝k_Nf₁ (2)

式中，f₁、k_u、u_c分别为变频器输出频率、频率/电压转换系数和输入控制电压；k_N、U₁分别为额定电压条件下的电压/频率转换系数和异步电机的定子相电压；

步骤1-2、变频泵控钻臂旋转系统的变频器输出与三相异步电动机连接；通过联轴器，将三相异步电动机与定量泵连接起来；所使用的三相异步电动机部分参数为：额定电压为380V，额定功率为45KW；

启动工作电源，三相异步电动机带动定量泵旋转；三相异步电动机驱动定量泵的数学模型为：

式中，J₁、B₁、m_p、R_r、n₁分别表示异步电机的转动惯量、黏性阻尼系数、磁极对数、定子侧的转子每相绕组等效电阻和输出转速；D₁、P_B、η₁分别表示为定量泵的排量、出口压力和机械传动效率；所有符号上方带几个点表示该符号的几阶导数；

步骤1-3、定量泵通过油管与双向液压马达连接，在油管间安装手动换向阀，实现液压马达的正/反转，改变液压马达进出油口压力；变频电机通过改变定量泵的转速，改变定量泵出油口流量和压力，控制液压马达的加速和减速，实现负载的平滑动作；

基于定量泵和液压马达的泄露对变频泵控钻臂旋转系统性能的影响，以及温度对泄露量的影响，则定量泵驱动液压马达的数学模型为：

式中，μ_T0、γ、β_e分别表示为液压油温度为T₀时的动力黏度、黏温系数和油液有效体积弹性模量；D₂、n₂分别为液压马达排量和转速；λ、V₀分别为定量泵与液压马达的总泄漏系数和高压腔容积；P_B为出口压力；

步骤1-4、液压马达通过联轴器与蜗轮/蜗杆减速机构相连；当系统正常工作时，减速机构可以大幅降低系统输出转速，同时成倍增加扭矩；对惯性负载控制而言，具有较好的降速效果；蜗轮/蜗杆驱动钻臂的负载特性模型为：

式中，η₂、B₂、J₂分别为液压马达的机械传动效率、黏性阻尼系数和转动惯量；J₃、i、B₃、η₃分别为蜗轮/蜗杆的转动惯量、传动比、黏性阻尼系数和机械传动效率；T_f为未建模负载转矩和外界扰动；

步骤1-5、根据机械传动原理，蜗轮/蜗杆侧摆角与液压马达转速之间的关系可描述为：

式中，θ_l为钻机钻臂转角。

步骤2中，所述设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器，设计步骤如下：

步骤2-1、在常规PID控制器基础上，将传感器检测到的钻臂摆角θ_l与摆角设定值θ_d进行比较，采用得到的误差e和误差变化率ec作为模糊输入量，依据建立的模糊规则，对PID参数进行实时整定，以更好满足系统控制性能要求；

步骤2-2、针对模糊PID控制器的设计，首先需要确定模糊输入/输出量的隶属度函数和基本论域选取；设计输入变量e、ec和输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，对应的模糊语言为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；设定模糊离散论域值:e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}；

步骤2-3、根据煤炭规程要求，锚杆/锚索设计安装位置偏移角允许最大偏差为±5°即±0.0873rad，钻臂摆角允许最大误差为±0.0873rad；因此，选取变频泵控钻臂摆角误差e的基本论域为[-0.0873,0.0873]，误差变化率的基本论域为[-0.1,0.1]；

步骤2-4、结合变频泵控钻臂旋转系统特性，将模糊输入/输出量的隶属度函数用线性分布的三角形表示；

步骤2-5、模糊PID控制器内待整定的三个参数Kp，Ki和Kd的初始值，采用人工方式进行PID控制器内的调整参数，选取控制性能较好的三个参数作为初始值；确定PID控制器参数初始值为：Kp＝1.51、Ki＝0.008、Kd＝0.005；当Kp，Ki和Kd的取值范围分别为：[0,3]、[0,0.02]、[0,0.01]；ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊基本论域分别为：[-1.5,1.5]、[-0.01,0.01]、[-0.01,0.01]；

步骤2-6、确定变频泵控钻臂摆角误差e、误差变化率ec的量化因子分别为：34.364、30；ΔKp、ΔKi和ΔKd的比例因子分别为：0.5、0.0033、0.033；

步骤2-7、结合变频泵控钻臂摆角控制要求，建立Kp、Ki、Kd的模糊整定规则表。

变频泵控液压钻机钻臂旋转系统，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，液压马达出油口的低压油经换向阀，流回到油箱。

有益效果，由于采用了上述方案，在传统的综掘巷道支护系统中：首先，传统的钻臂控制主要基于阀控方式，对油质要求较高，存在较大的溢流和节流损失，且系统运行时发热严重，易导致设备停机降温，从而影响掘进速度；其次，液压锚杆钻机钻臂在偏转的时候存在较大惯性，难以有效控制；最后，基于人工手动操作手柄实现钻臂位置偏转的方式，效率低下，不适用于现代化巷道支护。

本发明将变频液压技术应用到钻机摆臂控制中，采用变频泵控方式取代阀控方式，能够有效提高钻机的工作效率，且系统发热量小；同时，针对液压锚杆钻机钻臂偏转难以有效控制问题，提出一种模糊PID控制策略，实验结果表明所提控制策略能够满足钻臂允许最大摆角误差要求。此外，本专利采用的模糊PID控制方法，能够有效改善传统巷道支护方式，提高支护效率，对锚杆钻机的自动化、智能化发展具有重要现实意义。

附图说明

图1是本发明的变频泵控液压钻机钻臂旋转系统原理图。

图2是本发明的变频泵控液压钻机钻臂摆角的模糊PID控制框图。

图3是本发明的e、ec的隶属度函数图。

图4是本发明的ΔKp、ΔKi和ΔKd的隶属度函数图。

图5是本发明的钻臂摆角设定值图。

图6是本发明的钻臂跟踪位置曲线图。

图7是本发明的控制器输出电压曲线图。

图8是本发明的负载扰动变化曲线图。

图9是本发明的阶跃信号下钻臂摆角模糊PID控制响应曲线图。

图10是本发明的阶跃信号下钻臂摆角模糊PID控制系统跟踪误差曲线图。

附图1中标记的含义：1、变频器；2、异步电机；3、定量泵；4、溢流阀；5、过滤器；6、单向阀；7、电液换向阀；8、双向液压马达；9、锚杆钻机钻臂；10、蜗轮蜗杆减速机构；11、油箱。

具体实施方式

变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，包括以下步骤：

步骤1：依据变频泵控液压钻机钻臂旋转系统工作原理及其特性，构建钻臂系统数学模型；

步骤2：结合步骤1所建变频泵控液压钻机钻臂系统数学模型，基于钻臂摆角控制要求，设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器；

步骤3：基于Matlab2012a/simulink的仿真实验研究，验证所构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统模型的合理性和所提控制策略有效性。

步骤1中，所述的构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统的钻臂系统数学模型，具体步骤如下：

步骤1-1、变频器包括：整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路四部分，将电压/频率固定不变的工频交流电转变为电压/频率可变的交流电；与交流电动机结合，改变交流电动机的工作方式；将变频器应用于钻机钻臂摆角控制中，通过改变异步电动机输出电压的相序，实现异步电动机的可逆控制；变频器的数学模型为：

f₁＝k_uu_c (1)

U₁＝k_Nf₁ (2)

式中，f₁、k_u、u_c分别为变频器输出频率、频率/电压转换系数和输入控制电压；k_N、U₁分别为额定电压条件下的电压/频率转换系数和异步电机的定子相电压；

步骤1-2、变频泵控钻臂旋转系统的变频器输出与三相异步电动机连接；通过联轴器，将三相异步电动机与定量泵连接起来；所使用的三相异步电动机部分参数为：额定电压为380V，额定功率为45KW；

启动工作电源，三相异步电动机带动定量泵旋转；三相异步电动机驱动定量泵的数学模型为：

式中，J₁、B₁、m_p、R_r、n₁分别表示异步电机的转动惯量、黏性阻尼系数、磁极对数、定子侧的转子每相绕组等效电阻和输出转速；D₁、P_B、η₁分别表示为定量泵的排量、出口压力和机械传动效率；所有符号上方带几个点表示该符号的几阶导数；

步骤1-3、定量泵通过油管与双向液压马达连接，在油管间安装手动换向阀，实现液压马达的正/反转，改变液压马达进出油口压力；变频电机通过改变定量泵的转速，改变定量泵出油口流量和压力，控制液压马达的加速和减速，实现负载的平滑动作；

基于液压马达的泄露对变频泵控钻臂旋转系统性能的影响，以及温度对泄露量的影响，则定量泵驱动液压马达的数学模型为：

式中，μ_T0、γ、β_e分别表示为液压油温度为T₀时的动力黏度、黏温系数和油液有效体积弹性模量；D₂、n₂分别为液压马达排量和转速；λ、V₀分别为定量泵与液压马达的总泄漏系数和高压腔容积；P_B为出口压力；

步骤1-4、液压马达通过联轴器与蜗轮/蜗杆减速机构相连；当系统正常工作时，减速机构可以大幅降低系统输出转速，同时成倍增加扭矩；对惯性负载控制而言，具有较好的降速效果；蜗轮/蜗杆驱动钻臂的负载特性模型为：

式中，η₂、B₂、J₂分别为液压马达的机械传动效率、黏性阻尼系数和转动惯量；J₃、i、B₃、η₃分别为蜗轮/蜗杆的转动惯量、传动比、黏性阻尼系数和机械传动效率；T_f为未建模负载转矩和外界扰动；

步骤1-5、根据机械传动原理，蜗轮/蜗杆侧摆角与液压马达转速之间的关系可描述为：

式中，θ_l为钻机钻臂转角。

步骤2中，所述设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器，设计步骤如下：

步骤2-1、在常规PID控制器基础上，将传感器检测到的钻臂摆角θ_l与摆角设定值θ_d进行比较，采用得到的误差e和误差变化率ec作为模糊输入量，依据建立的模糊规则，对PID参数进行实时整定，以更好满足系统控制性能要求；

步骤2-2、针对模糊PID控制器的设计，首先需要确定模糊输入/输出量的隶属度函数和基本论域选取；设计输入变量e、ec和输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，对应的模糊语言为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；设定模糊离散论域值:e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}；

步骤2-3、根据煤炭规程要求，锚杆/锚索设计安装位置偏移角允许最大偏差为±5°即±0.0873rad，钻臂摆角允许最大误差为±0.0873rad；因此，选取变频泵控钻臂摆角误差e的基本论域为[-0.0873,0.0873]，误差变化率的基本论域为[-0.1,0.1]；

步骤2-4、结合变频泵控钻臂旋转系统特性，将模糊输入/输出量的隶属度函数用线性分布的三角形表示；

步骤2-5、模糊PID控制器内待整定的三个参数Kp，Ki和Kd的初始值，采用人工方式进行PID控制器内的调整参数，选取控制性能较好的三个参数作为初始值；确定PID控制器参数初始值为：Kp＝1.51、Ki＝0.008、Kd＝0.005；当Kp，Ki和Kd的取值范围分别为：[0,3]、[0,0.02]、[0,0.01]；ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊基本论域分别为：[-1.5,1.5]、[-0.01,0.01]、[-0.01,0.01]；

步骤2-6、确定变频泵控钻臂摆角误差e、误差变化率ec的量化因子分别为：34.364、30；ΔKp、ΔKi和ΔKd的比例因子分别为：0.5、0.0033、0.033；

步骤2-7、结合变频泵控钻臂摆角控制要求，建立Kp、Ki、Kd的模糊整定规则表。

变频泵控液压钻机钻臂旋转系统，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，液压马达出油口的低压油经换向阀，流回到油箱。

实施例1：本发明所涉及变频泵控液压钻机钻臂旋转系统工作原理，如图1所示，变频器1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2；异步电机2带动定量3泵旋转，输出一定流量高压油；经过滤器5、单向阀6、电液换向阀7，驱动双向液压马达8旋转；进而，通过蜗轮/蜗杆减速机构10带动锚杆钻机钻臂9发生偏转；随后，双向液压马达8出油口的低压油经换向阀，流回到油箱11。

采用变频泵控液压钻机钻臂旋转系统后，提出的摆角控制方法如下：

在本方法的描述中，在未知数字母上方出现几个点即表示该字母的几阶导数，带点的未知数字母与相对应的字母的定义相同；

步骤1：依据变频泵控液压钻机钻臂旋转系统工作原理及其特性，构建其各关键环节的数学模型；

步骤1-1、变频器一般包括整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路四部分，通常具有稳压、调频、调速、调压等特点，其作用是将电压/频率固定不变的工频交流电转变为电压/频率可变的交流电；因此，其常与交流电动机结合，用来改变交流电动机的工作方式；将变频器应用于钻机钻臂摆角控制中，通过改变异步电机输出电压的相序，实现电机的可逆控制；变频器的数学模型为：

f₁＝k_uu_c (1)

U₁＝k_Nf₁ (2)

式中，f₁、k_u、u_c分别为变频器输出频率、频率/电压转换系数和输入控制电压；式中，k_N、U₁分别为额定电压条件下的电压/频率转换系数和异步电机的定子相电压。

步骤1-2、变频泵控钻臂旋转系统所使用的三相异步电动机部分参数为：额定电压为380V，额定功率为45KW；通过联轴器，将异步电机与定量泵连接起来，当电源启动后，变频电机开始带动定量泵旋转；异步电机驱动定量泵的数学模型为：

式中，J₁、B₁、m_p、R_r、n₁分别表示异步电机的转动惯量、黏性阻尼系数、磁极对数、定子侧的转子每相绕组等效电阻和输出转速；D₁、P_B、η₁分别表示为定量泵的排量、出口压力和机械传动效率。

步骤1-3、定量泵通过油管与双向液压马达连接，若要实现液压马达的正/反转，还需要在油管间安装手动换向阀，用来改变液压马达进出油口压力；变频电机通过改变泵的转速，进而改变泵出油口流量和压力，来控制液压马达的加速和减速，最终实现负载的平滑动作；考虑到泵和液压马达的泄露对系统性能的影响，以及温度对泄露量的影响，则定量泵驱动液压马达的数学模型为：

式中，μ_T0、γ、β_e分别表示为液压油温度为T₀时的动力黏度、黏温系数和油液有效体积弹性模量；D₂、n₂分别为液压马达排量和转速；λ、V₀分别为定量泵与液压马达的总泄漏系数和高压腔容积。

步骤1-4、液压马达一般通过联轴器与蜗轮/蜗杆减速机构相连；当系统正常工作时，减速机构可以大幅降低系统输出转速，同时成倍增加扭矩；对惯性负载控制而言，具有较好的降速效果；蜗轮/蜗杆驱动钻臂的负载特性模型为：

式中，η₂、B₂、J₂分别为液压马达的机械传动效率、黏性阻尼系数和转动惯量；J₃、i、B₃、η₃分别为蜗轮/蜗杆的转动惯量、传动比、黏性阻尼系数和机械传动效率；T_f为未建模负载转矩和外界扰动。

步骤1-5、根据机械传动原理，蜗轮/蜗杆侧摆角与液压马达转速之间的关系可描述为：

式中，θ_l为钻机钻臂转角。

步骤2：结合步骤1所建变频泵控液压钻机钻臂系统数学模型，基于钻臂摆角控制要求，设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器；

步骤2-1、在常规PID控制器基础上，将传感器检测到的钻臂摆角θ_l与钻臂摆角设定值θ_d进行比较，得到的误差e和误差变化率ec作为模糊输入量，依据建立的模糊规则对PID参数进行实时整定，以更好满足系统控制性能要求。

步骤2-2、针对模糊PID控制器的设计，首先需要确定模糊的输入输出量的隶属度函数和基本论域选取；定义输入变量e、ec和输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，对应的模糊语言为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；设定模糊离散论域值:e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

步骤2-3、根据煤炭规程要求，锚杆/锚索设计安装位置偏移角允许最大偏差为±5°(0.0873rad)，意味着钻臂摆角允许最大误差为±0.0873rad，因此，选取变频泵控钻臂摆角误差e的基本论域为[-0.0873,0.0873]，误差变化率的基本论域为[-0.1,0.1]。

步骤2-4、结合本章研究的变频泵控钻臂旋转系统特性，将模糊输入/输出量的隶属度函数表示为图2、图3所示。

步骤2-5、模糊PID控制器内待整定的三个参数Kp，Ki和Kd的初始值，通常采用人工方式，手动调整PID控制器的参数，最终选取控制性能较好的三个参数作为初始值；根据前期大量实验分析后，确定PID控制器参数初始值为：Kp＝1.51、Ki＝0.008、Kd＝0.005，由此，设定Kp，Ki和Kd的取值范围分别设为：[0,3]、[0,0.02]、[0,0.01]；进而，确定ΔKp、ΔKi和ΔKd模糊基本论域分别为：[-1.5,1.5]、[-0.01,0.01]、[-0.01,0.01]。

步骤2-6、根据上述分析，确定变频泵控钻臂摆角误差e、误差变化率ec的量化因子分别为：34.364、30，ΔKp、ΔKi和ΔKd的比例因子分别为：0.5、0.0033、0.033。

步骤2-7、结合变频泵控钻臂摆角控制要求，建立Kp、Ki、Kd的模糊整定规则表，分别如表1、表2和表3所示。

表1 Kp的模糊整定规则表

表2 Ki的模糊整定规则表

表3 Kd的模糊整定规则表

步骤3：针对图1所示变频泵控液压钻机钻臂旋转系统，基于Matlab2012a/simulink软件进行仿真实验，通过建立合适的模糊整定规则，按负载运行情况，自适应调节PID控制器参数，以验证所构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统模型的合理性和所提控制策略有效性。

下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

基于变频泵控液压钻机钻臂摆角的模糊PID控制系统框图如图2所示。基于Matlab2012a仿真平台实现所设计控制器，图5所示为变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器的Simulink仿真模型。控制器输入端为摆角误差e和误差的变化率ec,输出端为控制电压uc。当钻臂摆角控制系统工作时，根据负载运行变化，通过模糊逻辑控制器不断修正PID控制器参数，使系统能够维持在高效率工作状态。变频泵控液压钻机钻臂旋转系统核心参数及其取值如表1所示。

表1钻臂旋转系统参数及其取值

为了验证所建变频泵控钻机钻臂旋转系统模型合理性，不考虑负载扰动的情况下，按锚护网络布局方式，以图5所示曲线作为锚杆/锚索预安装位置，即钻臂给定位置。令钻臂摆角从垂直位置开始偏转，以0.6弧度为设定摆角，每隔20秒，钻臂摆动一次。通过仿真实验，由图6所示钻臂跟踪位置曲线可以看出，系统启动后，钻臂能够在不同阶段有效跟踪钻臂转角给定值，同时稳态积累误差较小，符合锚杆/锚索设计安装位置偏移角允许最大偏差。此时，模糊PID控制器输出电压曲线入如图7所示，即随着钻臂跟踪位置的变化而变化。

由上述实验分析可知，钻臂有效跟踪系统设定值，验证了所构建变频泵控钻臂旋转系统模型的合理性。为进一步研究本章设计的模糊PID控制器控制效果，通过对比工业常规PID控制器，来分析钻臂摆角控制系统的稳定性和动态控制性能。假设未建模摩擦转矩为2N·m，在该固定负载扰动下，钻臂旋转到锚杆/锚索设计的安装位置，进行钻进作业。当t＝20s时，旋转到位的钻臂与顶板或两帮接触，在非平滑煤岩块的作用下，外部负载扰动突增至52N·m，并持续2s，负载扰动变化曲

线如图8所示。

采用阶跃信号测试控制器控制性能，通过实验仿真可得阶跃信号下钻臂摆角模糊PID控制响应曲线和系统跟踪误差曲线，分别如图9和图10所示。从图中可以看出，采用模糊PID控制算法控制效果明显优于PID控制算法，能够根据负载运行情况，自适应调整PID控制器内参数。由图9和图10可知，无论在哪种负载扰动下，变频泵控钻臂模糊PID控制系统较常规PID控制系统都具有响应速度快、调节时间短、超调量小等优点，同时稳态误差满足钻臂允许最大摆角误差要求。因此，采用模糊PID控制算法，能够有效提高变频泵控液压钻机钻臂摆角控制系统的动静态控制性能。

Claims (4)

1.一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，其特征是：变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，包括以下步骤：

步骤1：依据变频泵控液压钻机钻臂旋转系统工作原理及其特性，构建钻臂系统数学模型；

步骤2：结合步骤1所建变频泵控液压钻机钻臂系统数学模型，基于钻臂摆角控制要求，设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器；

步骤3：基于Matlab2012a/simulink的仿真实验研究，验证所构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统模型的合理性和所提控制策略有效性。

2.根据权利要求1所述的一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，其特征是：步骤1中，所述的构建变频泵控液压钻机钻臂旋转系统的钻臂系统数学模型，具体步骤如下：

步骤1-1、变频器包括：整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路四部分，将电压/频率固定不变的工频交流电转变为电压/频率可变的交流电；与交流电动机结合，改变交流电动机的工作方式；将变频器应用于钻机钻臂摆角控制中，通过改变异步电动机输出电压的相序，实现异步电动机的可逆控制；变频器的数学模型为：

f₁＝k_uu_c (1)

U₁＝k_Nf₁ (2)

式中，f₁、k_u、u_c分别为变频器输出频率、频率/电压转换系数和输入控制电压；k_N、U₁分别为额定电压条件下的电压/频率转换系数和异步电机的定子相电压；

步骤1-2、变频泵控钻臂旋转系统的变频器输出与三相异步电动机连接；通过联轴器，将三相异步电动机与定量泵连接起来；所使用的三相异步电动机部分参数为：额定电压为380V，额定功率为45KW；

启动工作电源，三相异步电动机带动定量泵旋转；三相异步电动机驱动定量泵的数学模型为：

式中，J₁、B₁、m_p、R_r、n₁分别表示异步电机的转动惯量、黏性阻尼系数、磁极对数、定子侧的转子每相绕组等效电阻和输出转速；D₁、P_B、η₁分别表示为定量泵的排量、出口压力和机械传动效率；

步骤1-3、定量泵通过油管与双向液压马达连接，在油管间安装手动换向阀，实现液压马达的正/反转，改变液压马达进出油口压力；变频电机通过改变定量泵的转速，改变定量泵出油口流量和压力，控制液压马达的加速和减速，实现负载的平滑动作；

基于定量泵和液压马达的泄露对变频泵控钻臂旋转系统性能的影响，以及温度对泄露量的影响，则定量泵驱动液压马达的数学模型为：

式中，μ_T0、γ、β_e分别表示为液压油温度为T₀时的动力黏度、黏温系数和油液有效体积弹性模量；D₂、n₂分别为液压马达排量和转速；λ、V₀分别为定量泵与液压马达的总泄漏系数和高压腔容积；P_B为出口压力；

步骤1-4、液压马达通过联轴器与蜗轮/蜗杆减速机构相连；当系统正常工作时，减速机构可以大幅降低系统输出转速，同时成倍增加扭矩；对惯性负载控制而言，具有较好的降速效果；蜗轮/蜗杆驱动钻臂的负载特性模型为：

式中，η₂、B₂、J₂分别为液压马达的机械传动效率、黏性阻尼系数和转动惯量；J₃、i、B₃、η₃分别为蜗轮/蜗杆的转动惯量、传动比、黏性阻尼系数和机械传动效率；T_f为未建模负载转矩和外界扰动；

步骤1-5、根据机械传动原理，蜗轮/蜗杆侧摆角与液压马达转速之间的关系可描述为：

式中，θ_l为钻机钻臂转角。

3.根据权利要求1所述的一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法，其特征是：步骤2中，所述设计变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制器，设计步骤如下：

步骤2-1、在常规PID控制器基础上，将传感器检测到的钻臂摆角θ_l与摆角设定值θ_d进行比较，采用得到的误差e和误差变化率ec作为模糊输入量，依据建立的模糊规则，对PID参数进行实时整定，以更好满足系统控制性能要求；

步骤2-2、针对模糊PID控制器的设计，首先需要确定模糊输入/输出量的隶属度函数和基本论域选取；设计输入变量e、ec和输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，对应的模糊语言为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；设定模糊离散论域值:e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}；

步骤2-3、根据煤炭规程要求，锚杆/锚索设计安装位置偏移角允许最大偏差为±5°即±0.0873rad，钻臂摆角允许最大误差为±0.0873rad；因此，选取变频泵控钻臂摆角误差e的基本论域为[-0.0873,0.0873]，误差变化率的基本论域为[-0.1,0.1]；

步骤2-4、结合变频泵控钻臂旋转系统特性，将模糊输入/输出量的隶属度函数用线性分布的三角形表示；

步骤2-5、模糊PID控制器内待整定的三个参数Kp，Ki和Kd的初始值，采用人工方式进行PID控制器内的调整参数，选取控制性能较好的三个参数作为初始值；确定PID控制器参数初始值为：Kp＝1.51、Ki＝0.008、Kd＝0.005；当Kp，Ki和Kd的取值范围分别为：[0,3]、[0,0.02]、[0,0.01]；ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊基本论域分别为：[-1.5,1.5]、[-0.01,0.01]、[-0.01,0.01]；

步骤2-6、确定变频泵控钻臂摆角误差e、误差变化率ec的量化因子分别为：34.364、30；ΔKp、ΔKi和ΔKd的比例因子分别为：0.5、0.0033、0.033；

步骤2-7、结合变频泵控钻臂摆角控制要求，建立Kp、Ki、Kd的模糊整定规则表。

4.权利要求1所述的一种变频泵控液压钻机钻臂摆角模糊PID控制方法的专用钻臂旋转系统，其特征是：变频泵控液压钻机钻臂旋转系统，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，液压马达出油口的低压油经换向阀，流回到油箱。