[發明專利]一種變頻泵控液壓鉆機鉆臂擺角模糊PID控制方法

在審

• 申請號: 201910347544.8
• 申請日: 2019-04-28
• 公開（公告）號: CN109946961A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 郭一楠;陸希望;鞏敦衛;張振;夏煌煌;張揚
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

1.一種變頻泵控液壓鉆機鉆臂擺角模糊PID控制方法，其特征是：變頻泵控液壓鉆機鉆臂擺角模糊PID控制方法，包括以下步驟：

步驟1：依據變頻泵控液壓鉆機鉆臂旋轉系統工作原理及其特性，構建鉆臂系統數學模型；

步驟2：結合步驟1所建變頻泵控液壓鉆機鉆臂系統數學模型，基于鉆臂擺角控制要求，設計變頻泵控液壓鉆機鉆臂擺角模糊PID控制器；

步驟3：基于Matlab2012a/simulink的仿真實驗研究，驗證所構建變頻泵控液壓鉆機鉆臂旋轉系統模型的合理性和所提控制策略有效性。

2.根據權利要求1所述的一種變頻泵控液壓鉆機鉆臂擺角模糊PID控制方法，其特征是：步驟1中，所述的構建變頻泵控液壓鉆機鉆臂旋轉系統的鉆臂系統數學模型，具體步驟如下：

步驟1-1、變頻器包括：整流器、逆變器、中間直流環節和控制電路四部分，將電壓/頻率固定不變的工頻交流電轉變為電壓/頻率可變的交流電；與交流電動機結合，改變交流電動機的工作方式；將變頻器應用于鉆機鉆臂擺角控制中，通過改變異步電動機輸出電壓的相序，實現異步電動機的可逆控制；變頻器的數學模型為：

f₁＝k_uu_c (1)

U₁＝k_Nf₁ (2)

式中，f₁、k_u、u_c分別為變頻器輸出頻率、頻率/電壓轉換系數和輸入控制電壓；k_N、U₁分別為額定電壓條件下的電壓/頻率轉換系數和異步電機的定子相電壓；

步驟1-2、變頻泵控鉆臂旋轉系統的變頻器輸出與三相異步電動機連接；通過聯軸器，將三相異步電動機與定量泵連接起來；所使用的三相異步電動機部分參數為：額定電壓為380V，額定功率為45KW；

啟動工作電源，三相異步電動機帶動定量泵旋轉；三相異步電動機驅動定量泵的數學模型為：

式中，J₁、B₁、m_p、R_r、n₁分別表示異步電機的轉動慣量、黏性阻尼系數、磁極對數、定子側的轉子每相繞組等效電阻和輸出轉速；D₁、P_B、η₁分別表示為定量泵的排量、出口壓力和機械傳動效率；

步驟1-3、定量泵通過油管與雙向液壓馬達連接，在油管間安裝手動換向閥，實現液壓馬達的正/反轉，改變液壓馬達進出油口壓力；變頻電機通過改變定量泵的轉速，改變定量泵出油口流量和壓力，控制液壓馬達的加速和減速，實現負載的平滑動作；

基于定量泵和液壓馬達的泄露對變頻泵控鉆臂旋轉系統性能的影響，以及溫度對泄露量的影響，則定量泵驅動液壓馬達的數學模型為：

式中，μ_T0、γ、β_e分別表示為液壓油溫度為T₀時的動力黏度、黏溫系數和油液有效體積彈性模量；D₂、n₂分別為液壓馬達排量和轉速；λ、V₀分別為定量泵與液壓馬達的總泄漏系數和高壓腔容積；P_B為出口壓力；

步驟1-4、液壓馬達通過聯軸器與蝸輪/蝸桿減速機構相連；當系統正常工作時，減速機構可以大幅降低系統輸出轉速，同時成倍增加扭矩；對慣性負載控制而言，具有較好的降速效果；蝸輪/蝸桿驅動鉆臂的負載特性模型為：

式中，η₂、B₂、J₂分別為液壓馬達的機械傳動效率、黏性阻尼系數和轉動慣量；J₃、i、B₃、η₃分別為蝸輪/蝸桿的轉動慣量、傳動比、黏性阻尼系數和機械傳動效率；T_f為未建模負載轉矩和外界擾動；

步驟1-5、根據機械傳動原理，蝸輪/蝸桿側擺角與液壓馬達轉速之間的關系可描述為：

式中，θ_l為鉆機鉆臂轉角。