基于联合仿真的旋挖钻机钻孔作业系统性能分析

旋挖钻机(Rotary Drilling Rig, RDR)是一种具有多功能及高效率特征的工程施工机械，被广泛应用于建筑基础施工成孔灌桩等作业工作中。尽管旋挖钻机已在实际工程中得到了诸多实际应用，然而对其性能特征的研究尚未得到足够的重视。为了使工业界及学术界对旋挖钻机这一典型机电液混合系统有更为深入的认知，本文通过联合仿真系统研究了旋挖钻机钻孔作业系统的工作特征。基于AMESim搭建了钻孔作业液压系统主要元件模型，并采用数值仿真方法研究了卷扬系统中平衡阀结构参数对其工作性能的影响规律。针对传统PID控制器用于旋挖钻机回转系统快速精准定位存在的诸多不足，采用分数阶PID控制策略进行其定位控制，并利用一种改进的差分进化算法实现了分数阶PID控制参数的最优整定。在构建旋挖钻机液压系统和动力学模型的基础上，进行了AMESim与ADAMS联合仿真。研究并讨论了三种土壤及两种负载工况下，旋挖钻机钻孔作业系统的性能。本文的主要研究内容包括如下：1、建立了恒功率变量泵、平衡阀和马达-负载AMESim模型，阐述了每个模型组成单元用法及功能。搭建了恒功率泵液压测试系统，并以台阶负载信号对该液压系统进行了性能测试以验证所搭建的恒功率变量泵模型的正确性。依赖于所建立的卷扬系统平衡阀AMESim模型，采用数值仿真方法研究了阀结构参数对其工作性能的影响规律，分别研究了平衡阀节流孔径、弹簧刚度及过流面积对液压系统关键性能参数的影响，据此给出了相对最优的阀结构参数选择依据。2、采用分数阶PID控制提高回转系统定位控制性能。以系统阶跃响应作为测试条件，辨识了液压回转系统的数学模型。提出采用分数阶PID控制器增强回转控制系统的鲁棒性及响应速度。针对分数阶PID参数整定问题，采用一种改进的混沌自适应差分进化策略，从时域角度结合ITSE指标对分数阶PID控制器参数进行了最优整定。在AMESim环境下，仿真比较了分数阶PID控制及PID控制下旋挖钻机液压回转系统控制性能，对比结果得出分数阶PID控制系统在鲁棒性、响应时间及定位精度等性能指标上均优于传统PID控制。3、采用三维商业化建模软件CATIA构建旋挖钻机各组成部件的三维实体模型，实现了该模型与ADAMS模型的转换。为提高主卷扬系统、钻进系统、加压和回转系统工作性能，提出对其均进行分数阶PID控制，进一步在AMESim环境下搭建了液压系统模型。在构建旋挖钻机液压系统和动力学模型的基础上，进行了AMESim与ADAMS联合仿真。在三种土壤及两种典型负载工况下，对采用分数阶PID控制的钻孔作业系统性能进行了研究与讨论，验证了分数阶PID控制器用于旋挖钻机钻孔作业系统的可行性及优越性。
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