深海履带式集矿机打滑及路径跟踪控制问题研究

摘要

履带式行走机构由于其自身特殊的结构特点经常被应用在军事、农业以及采矿领域。对于深海多金属结核及钴结壳采矿而言，众多国家都相继研制出了海底履带式采矿系统。履带式集矿机作为深海采矿系统的关键子系统，其作业环境下的运动控制问题成为研究热点。
　　集矿机行走在海底极其稀软的底质上，其行走动力来自于履带与海底软底质之间的相互剪切作用。由于软底质固有的土力学特性，集矿机海底作业过程中履带会产生一定的打滑作用，打滑率的变化将直接影响到集矿机海底行走动力性能。同时，集矿机海底作业过程需按照预先设定路径进行开采行走。但由于受到布放偏差、海底软底质、洋流等作用的影响，集矿机实际行走路径与预定路径存在一定的偏差。为保证集矿效率，路径跟踪问题成为集矿机作业过程关键运动控制问题之一。对深海采矿系统而言，为保证整体系统的稳定性，集矿机与采矿船之间的随动控制问题也尤为关键。本文针对上述三种关键运动控制问题，提出了相应的控制策略和算法，并通过仿真和实验验证了算法的可行性和正确性。
　　论文主要研究成果如下:
　　1.以履带车辆地面力学特性研究为理论基础，利用以膨润土和水的混合物作为海底模拟软底质，推导出海底稀软底质压力—沉陷关系和剪切应力—剪切位置关系计算公式，建立了集矿机驱动力与打滑率之间的关系。
　　通过对集矿机行走过程各运动阻力的分析，建立了完善的集矿机力学和运动学模型。提出了方便研究的简化力学模型，并对简化可能导致的误差进行了分析，为履带式集矿机运动控制研究提供了理论基础。
　　2.基于驱动力与打滑率之间的关系，提出了匀底质条件下最佳打滑率判断标准。通过对集矿机牵引效率分析，建立了非匀底质条件下最佳打滑率辨识方法。建立了履带式集矿机液压驱动模型，通过仿真验证了模型的正确性。提出了模糊PID打滑控制策略，建立了打滑控制系统模型。通过对匀底质和非匀底质条件下打滑仿真结果的分析，证明了控制策略的有效性和稳定性。
　　3.通过对集矿机路径跟踪控制问题的描述，建立了集矿机路径偏差模型。综合考虑了集矿机行走动力约束、跟踪路径平滑性以及跟踪时间最优三个因素，提出了以三次样条曲线为跟踪路径的时间最优控制策略。通过构造李雅普诺夫函数，提出了满足算法稳定性要求，针对由于布放偏差导致的算法不稳定的四种情况，提出了相应的控制策略。建立了路径跟踪控制系统模型，通过对同一路径不同跟踪系数仿真结果对比分析，确定了0.66为最佳路径跟踪系数。通过对直线、圆形、实际开采路径的跟踪控制仿真结果分析，验证了控制算法的正确性。通过与PID控制算法的仿真结果的对比，验证了算法的时间最优特性。
　　4.以我国中试1000m海试总体方案为研究基础，分析比较了横纵两种折返作业方式的优缺点。出于整体系统运动复杂性以及对海底环境破坏等因素的考虑，确定纵向折返为整体系统折返方式。分析了整体系统中采矿船、中间仓、集矿机各自的运动安全域，考虑到输送软管马鞍构形的要求，最终确定采矿船与集矿机投影水平距离240m为整体系统联动控制目标。建立了整体联动控制系统，并分别在顺流和逆流条件下对整体系统联动进行了仿真，仿真结果表明整体系统能够满足控制要求。
　　5.进行了集矿机打滑及路径跟踪控制实验。利用沙土与水的混合物作为模拟软底质，通过对比不同配比比例下混合物力学特性，最终确定砂水最佳比例为1.5∶1。通过6组打滑牵引实验验证了理论推导方法的正确性。通过跟踪直线、圆形以及开采路径三次实验，验证了路径跟踪算法的可性能与正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源与研究背景

1．2 国内外深海采矿技术发展及现状

1．3 国内外履带车辆运动控制问题研究现状

1．3．1 履带车辆地面力学研究现状

1．3．2 车辆打滑控制研究

1．3．3 车辆路径跟踪控制研究方法

1．4 本文主要研究内容

2 深海履带式集矿机力学分析研究

2．1 履带车辆地面力学特性研究

2．1．1 压力—沉陷关系

2．1．2 剪切应力—剪切位移关系

2．2 深海履带式集矿机地面力学特性研究

2．2．1 压力—沉陷关系

2．2．2 剪切应力—剪切位移关系

2．3 履带驱动力与打滑关系计算

2．4 深海履带式集矿机力学模型

2．4．1 集矿机行走过程受力分析

2．4．2 深海履带式集矿机运动阻力分析

2．5 深海履带式集矿机运动学模型

2．6 深海履带式集矿机运动学方程分析

2．7 深海履带式集矿机运动学离散时间模型

2．8 本章小结

3 深海履带式集矿机行走打滑控制研究

3．1 最佳打滑率辨识

3．2 深海履带式集矿机液压驱动系统建模

3．2．1 电液比例阀模型

3．2．2 阀控液压缸模犁

3．2．3 柱塞式变量泵模型

3．2．4 液压马达模型

3．2．5 深海履带式集矿机液压驱动系统模型

3．3 打滑控制系统设计

3．3．1 最佳打滑率计算模块

3．3．2 模糊PID控制器模块

3．3．3 液压驱动系统模块

3．3．4 集矿机模型

3．3．5 实际打滑率计算模块

3．4 打滑控制仿真结果与分析

3．4．1 匀质软底质打滑控制仿真

3．4．2 非匀质软底质打滑控制仿真

3．5 本章小结

4 深海履带式集矿机路径跟踪控制研究

4．1 集矿机路径跟踪控制问题描述

4．2 集矿机的路径跟踪控制

4．2．1 集矿机路径偏差模型

4．2．2 集矿机行走动力约束

4．2．3 路径跟踪算法

4．2．4 算法稳定性分析

4．2．5 路径跟踪控制系统设计

4．2．6 跟踪系数对比仿真与确定

4．2．7 路径跟踪仿真结果与分析

4．3 本章小结

5 深海采矿系统开采作业过程整体联动控制研究

5．1 中试采矿系统1000m海试总体方案

5．2 整体系统联动作业方式

5．2．1 横向折返方式

5．2．2 纵向折返方式

5．2．3 横纵折返作业方式的选择及说明

5．3 整体系统开采作业联动控制要求

5．4 整体联动控制系统研究

5．5 整体系统联动仿真研究

5．5．1 顺流条件下整体系统联动仿真

5．5．2 逆流条件下整体系统联动仿真

5．6 本章小结

6 深海履带式集矿机运动控制实验研究

6．1 实验目的

6．2 实验装置

6．2．1 履带车行走实验场地

6．2．2 模拟软底质

6．2．3 履带式实验车

6．2．4 检测传感装置

6．3 实验内容

6．4 实验结果与讨论

6．4．1 打滑率与驱动力实验

6．4．2 拉力装置

6．4．3 路径跟踪控制实验

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果

致谢