羅光壽，張國平

（1. 三一起重機械有限公司，湖南 長沙 410600；2.湖南機電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410151）

中國從20世紀90年代初即開展了深海礦產資源開采技術的研究[1]。采礦車系統(tǒng)是整個深海采礦系統(tǒng)最前沿、最復雜、最關鍵的系統(tǒng)。由于深海底沉積物是完全不同于陸地的極稀軟基質，其剪切強度低，內聚力極小，內摩擦角幾乎為零，且具有流動特性[2]；因此，對履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)的性能提出了更高要求。為優(yōu)化海底履帶采礦車的行走性能，筆者建立了基于AMESim平臺的行走液壓系統(tǒng)仿真模型，對履帶速度和馬達壓力的響應特性進行分析，現(xiàn)將結果報道如下。

1 采礦車行走液壓系統(tǒng)工作原理

海底履帶采礦車的行走液壓系統(tǒng)是由變量液壓泵、電液比例閥、定位油缸、電液換向閥、液壓馬達、速度傳感器等組成的電液比例控制系統(tǒng)（圖1）。它采用電液比例閥控制定位油缸位移，改變液壓泵的斜盤傾角，調節(jié)液壓回路流量，控制液壓馬達轉速和方向，從而達到控制海底履帶采礦車前進、后退和轉彎的目的。利用速度傳感器反饋馬達轉速，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。

圖1 海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of walking hydraulic system of seabed crawler mining vehicle

2 采礦車行走液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型

在AMESim中，首先建立變量液壓泵、電液比例閥、定位油缸、電液換向閥、液壓馬達等仿真模型，然后連接各個液壓元件構成完整的液壓系統(tǒng)回路，并將液壓馬達的輸出角速度作為海底履帶采礦車控制預定行走速度的對象，從而建立起海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)的仿真模型（圖2）。該行走液壓系統(tǒng)模型的輸入量為比例閥的控制電流，輸出量為液壓馬達的角速度。通過調節(jié)輸入電信號的大小，可以改變電液比例閥的電流，調節(jié)進入定量馬達的流量，從而改變定量馬達的轉速，實現(xiàn)采礦車左右履帶速度的可控性。

圖2 采礦車行走液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of walking hydraulic system of mining vehicle

3 采礦車速度PⅠD控制器設計

以馬達轉速為控制變量，對海底履帶采礦車進行PID行走控制。采用試湊法對海底作業(yè)車速度環(huán)PID控制器的控制參數(shù)進行了設計，得到的PID參數(shù)為：Kp=5.5；Ki=0.1；Kd=0.02。在AMESim元件庫中，也提供了PID控制器模型[4]，所搭建的PID閉環(huán)控制部分如圖2所示。

4 行走液壓系統(tǒng)的仿真

由于筆者建立的海底履帶采礦車左、右液壓行走系統(tǒng)模型及PID控制器是完全相同的、獨立的，因此仿真的結果也是一樣的，所以本文以左行走液壓系統(tǒng)進行仿真分析。

4.1 行走液壓馬達轉速和履帶速度仿真分析

分別將輸入信號（k）設置為 5、10、15、20、25、30的階躍信號，利用AMESim的批處理功能[5]進行仿真試驗，得到液壓馬達相應的角速度響應曲線（圖3）。

由圖3可知，加入PID控制器后，雖然出現(xiàn)一定的超調，但是液壓馬達角速度響應速度明顯加快，0.2 s后馬達的轉速即達到設定轉速，穩(wěn)態(tài)誤差為零，因此，設計的海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)液壓馬達具有良好的動態(tài)響應特性。

圖3 液壓馬達角速度響應曲線Fig.3 Curve of angular velocity response about hydraulic motor

由于履帶驅動輪半徑為0.32 m，液壓馬達轉速范圍為0～30 r/min。據(jù)此，可以得到履帶行走速度調速范圍為0～1 m/s，滿足了多金屬結核采礦系統(tǒng)對海底帶式采礦車的要求。

4.2 行走液壓馬達壓力仿真分析

在海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)仿真模型中，加入不同階躍值的負載轉矩（2、4、6…16 kNm）。從而得到一組液壓馬達壓力對應于系統(tǒng)負載轉矩的響應曲線（圖4）。由圖4可知，液壓馬達壓力響應是完全跟隨系統(tǒng)負載轉矩而變化的。

圖4 液壓馬達壓力響應曲線Fig.4 Curve of pressure response about hydraulic motor

4.3 液壓馬達轉速對負載轉矩的階躍響應

海底履帶采礦車在海底復雜地形行走時，經常會遇到系統(tǒng)負載轉矩突變的情況，因此，要求液壓馬達對系統(tǒng)負載轉矩的變化有較好的響應能力。分別設定負載轉矩從4 kNm階躍到2 kNm和6 kNm，得到液壓馬達轉速對應于系統(tǒng)負載轉矩的階躍響應曲線（圖 5）。在加/減載的過程中，液壓馬達轉速在0.2 s內恢復到設定值，瞬態(tài)調整率為4%。

圖5 液壓馬達轉速對負載轉矩的階躍響應Fig. 5 The rotating velocity of hydraulic motor while load torque working as step signal

5 試驗驗證

為了驗證所建海底履帶采礦車的行走液壓系統(tǒng)模型的正確性，對履帶車模型機進行了大量試驗，獲得了行走過程中履帶速度與馬達壓力等參數(shù)數(shù)據(jù)。筆者從中選取了2次試驗數(shù)據(jù)，試驗結果與仿真結果對比曲線見圖6和圖7。

試驗曲線圍繞仿真曲線上下波動，誤差率均低于 5%，因此，仿真試驗中設定的速度控制量以及馬達負載轉矩是有效的，兩者誤差是由于海底履帶采礦車試驗環(huán)境惡劣造成的，誤差在可接受范圍內。這說明建立的仿真模型能夠正確地模擬實際的液壓回路系統(tǒng)，可進一步利用該模型進行海底履帶采礦車行走控制研究。

圖6 試驗結果與仿真結果對比（1）Fig.6 The comparison between experimental results and simulation results （1）

圖7 試驗結果與仿真結果對比（2）Fig.7 The comparison between experimental results and simulation results（2）

6 結 論

基于仿真軟件 AMESim建立了由變量液壓泵、電液比例閥、定位油缸、電液換向閥、液壓馬達、速度傳感器等元件組成的海底履帶采礦車的行走液壓系統(tǒng)模型。設計了PID控制器，并通過液壓馬達角速度作為負反饋組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真和試驗對比分析結果表明，所建行走液壓系統(tǒng)模型正確，海底履帶采礦車行走液壓系統(tǒng)液壓馬達具有良好的動態(tài)響應特性，能夠滿足多金屬結核采礦系統(tǒng)的要求。

[1] 肖林京，方湄，張文明．大洋多金屬結核開采研究進展與現(xiàn)狀[J]．金屬礦山，2000（8）：11-14．

[2] 丁六懷，高宇清．深海采礦集礦機的研究與開發(fā)[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006 （B10）：52-56．

[3] Herzog K，Schulte E，Atmanand M A．Slip control system for a deep sea mining machine [J]．IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2007，4（2）：282-286．

[4] 萬理想，丁保華，周洲, 等．基于 AMESim和 Simulink的液壓伺服系統(tǒng)動態(tài)仿真[J]. 煤礦機械, 2007（9）: 40- 42．

[5] 邢科禮，馮玉，金俠杰, 等．基于AMESim/Matlab的電液伺服控制系統(tǒng)的仿真研究[J]．機床與液壓，2004 （10）：57-58．

英文編輯：羅文翠