DOI:10.13436/j.mkjx.2013.06.101 第 34 2013 卷第 年 06 06 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.34No.06 Jun. 2013 设计 计算 · 掘进机履带行走系统液压控制器设计研究 * 阜新高等专科学校 辽宁 阜新 ， 123000； 2. (1. 姚继权 3 郭向阳 2， 朱会东 1， 阜新矿业集团 ， 辽宁 阜新 123000) 辽宁 阜新 ， 123000； 3. 辽宁工程技术大学 机械工程学院 ， 摘 要 ： 介绍了纵轴式掘进机履带行走机构的结构组成， 通过建立其行走机构中的张紧油缸 液压系统控制模型，编制 Matlab 程序 ，利用 Matlab 软件功能，进行 P、PI、PID 控制器设计并比较 ， 确立了系统采用 PID 为最优控制器，并得到了最优控制参数。 通过对系统的稳定性进行分析，结果 表明，PID 控制使系统具有较好的动态性能和较高的稳态精度。 关键词 中图分类号 ： 掘进机； 履带； 行走系统； 控制器； Matlab 文献标志码 文章编号 ： TD421.5 ： A ： 1003 － 0794（2013）06 － 0001 － 02 Design of Hydraulic Controller for Roadheader Crawler Track Walking System ZHU Hui-dong1， GUO Xiang-yang2， YAO Ji-quan3 (1. Fuxin Junior College，Fuxin 123000， China； 2. Fuxin Mining Industry Limited Company， Fuxin 123000， China； 3. Liaoning Technology University， Mechanical Engineering College， Fuxin 123000， China) Abstract: This paper briefly introduces the structure of longitudinal roadheader crawler track walking system. By its tension cylinder hydraulic system control model building,Matlab program writing, using the function of Matlab and designing P，PI，PID controller and comparing,we found that PID controller is an optimum controller and got an optimum control parameter. Through the analysis of the system’s stability show that PID control system has a good dynamic property and high steady accuracy. Key words: roadheader; crawler track; walking system; controller;Matlab 掘进机及其履带行走机构的组成 所 示 纵轴式掘进 机结构如图 ， 悬 臂 装 载 机 构 液压系统等组成 张紧油缸液压系统建模 张紧油缸系统采用张力控制方式 该系统主要 张紧油缸及驱动负 其控制系统的方块图如 伺服阀 2 、 、 、 。 、 、 机 身 行 走 机 构 主 要 由 截 割 后 支 撑 及 电 部 控 履带式掘进机行走机构的功 用是支 撑机体并将 液压马达传 到驱动轮上 的 扭 矩 转变为机械行驶和进行作业所需的牵引力 1 、 。 、 、 伺服放大器 由控制器 载和油压力传感器等构成 图 所示 、 。 3 。 1 。 张力给定值 控制器 伺服放大器 伺服阀 液压缸 2 3 4 5 6 7 压力传感器 张力控制方式下系统方块图 为了进行系统的动态分析 ， 并推导其传递函数 的数学模型 。 图 3 ， 首先建立各个环节 伺服放大器一般视为一个纯比例放大环节 其 ， G1（s）= Δi Δuc =Ka 本系统伺服阀的频宽与液压固有频率相近时 伺服阀可以近似地看成二阶振荡环节 ， ， 其传递函数为 G2（s）= Qsv（s） Δi（s） = s2 ωsv Ksv 2 + 2ξsv ωsv 伺服阀的阻尼系数 伺服阀增益 伺服阀固有角频率 ，m3/s·A； ξsv——— Ksv——— ωsv——— s+1 ，ξsv＝0.7； ，rad/s。 张紧油缸缸的输出压力对流量的传递函数 "1 s+ "1 s+ ! s2 2 + 2ξm ωm ωm "1 ! s2 2 + 2ξ0 ω0 ω0 G3（s）= pL（s） Qv（s） 1 Kce +! s ωr = 1 图 1 截割部 支撑 装载机构 1. 2. 9 8 纵轴式掘进机结构简图 悬臂 机身 4. 驱动装置 行走机构 5. 张紧轮 履带 6. 后 7. 9. 3. 8. 传递函数为 2 所示 掘进机行走机构如图 动力和扭矩传递到驱动轮上 实现机器行走 走减速机将运动 终传递到履带上 就是靠张紧油缸来提供的 走机构中的张紧油缸液压控制器的设计意义重大 液压马达通过行 最 而履带的张紧力 因此对于掘进机履带行 。 、 ， 。 ， ， 1 2 3 4 5 6 。 式中 张 紧 轮 1. 履 带 2. 3. 图 张 紧 装 置 履带行走机构 支 重 轮 2 4. 行走减速机 轮 、 张 紧 油 缸 驱 动 6. 5. 辽宁省高等学校科研项目 * 目 (MTKJ2009-261) （LS2010073)； 中国煤炭工业科技计划项 1 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

掘进机履带行走系统液压控制器设计研究 ——— 朱会东 等 第 ， 34 校正整响应速度最慢 卷第 期 06 而对比 PI 控制作用下系统超调量相对 。 控制器对本系统校正比较好 。 控制器作用下动态性能指标 正响应速度次之 和 校正来看 PID 小一些 说明 ，P ，PID PID 和 PID 。 系统在 所示 1 。 PI 如表 表 1 系统动态性能指标比较 控制名称 PI PID 通过表 tr/s σp/% 1.20 0.25 0.15 1.18 同样可以说明 更快的动态响应 更小的超调量 1 , : PID 。 tp/s 0.28 0.20 控制对本系统有 ts/s 0.42 0.35 为了进一步验证 控制的效果 作出 ， PID 控 制作用下系统的伯德图 如图 PID ， 所示 。 5 B d / 值 幅 50 0 -50 -100 0 ） ° （ / -90 位 相 -180 -270 10-2 10-1 100 频率 102 101 /rad·s-1 103 104 控制作用下系统开环伯德图 由图 5 PID 可以看出 图 5 ，PID 相位裕量 控制作用下系统的幅 值 可见系统的相对 Pm=119。 裕量 稳定性也很好 Gm=17 dB， 。 4 结语 通过应用 仿真技术 Matlab 系统张紧油缸进给系统为例 控制器的方法 并进行 比较 PI、PID 最优控制器的设计 ， 。 以掘进机履带行走 ， 介绍了一种设计 P、 从而得 出系统 ， ， 参考文献 周阳 ， ［1］ ： 房安军 掘进机履带行走部的设计 工程技 术 ［J］. ，2011(2): . Vol.34 No.06 式中 ； - 压力系数 总的流量 负载弹簧系统无阻尼自振频率 负载弹簧系统阻尼比 惯性环节转角频率 二阶振荡环节无阻尼自振频率 振荡环节阻尼比 液压缸的工作压力 油压传感器一般为比例环节 Kce——— ωm——— ξm——— ωr——— ω0——— ξ0——— pL——— ； ； ； ； ； 。 其传递函数为 ， 式中 G4（s）=Kf Kf——— 力传感器的反馈系数 。 本系统张紧油缸系统的力传感器 所以本系统开环传递函数 G（s）=G1（s）G2（s）G3（s）G4（s）= Kf=0.2×10-6 V/Pa。 "1 s+ Kf= "1 s+ = "1 s+ "1 s+ Ka s+1 s2 ωsv +! s ωr Ksv 2 + 2ξsv ωsv ! s2 2 + 2ξm 1 ωm ωm Kce ! +! "1 s2 2 + 2ξ0 s ωr ω0 ω0 "1 ! s2 2 + 2ξm s+ （KaKsvKf/Kce） ωm ωm ! ! "1 "1 s2 s2 2 + 2ξ0 2 + 2ξsv s+ ωsv ω0 ωsv ω0 ! "1 s2 2 + 2ξm s+ KV ωm ωm ! +! "1 s2 2 + 2ξsv 2 + 2ξ0 s s+ ω0 ωsv ω0 ωr 其中系统开环增益 KV= KaKsvKf 系统 ! "1 s2 ωsv 基于 Kce MATLAB P、PI、PID 根 据 上 述 液 压 系 统 模 型 3 函 数 cohen() 通过 调 用 函 数 来 实 现 cohen() MATLAB 算法 器的设计 ， 其仿真阶跃响应曲线如图 控制器设计及仿真 通 过 编 写 一 个 整 定 控 制 Cohen-coonPID ， 来 实 现 P、PI、PID 4。 。 值 幅 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 3 2 1 2 3 4 时间 5 /s ［2］ ［3］ 6 7 8 9 10 103-104. 卢长耿 ， 业出版社 强宝民 ， 运输机械 ，1991. 刘保杰 李金良 液压控制系统的分析与设计 ［M］. 北京 ： 煤炭工 . 电液比例阀控液压缸系统建模与仿真 起重 ［J］. . ，2011(11):35-38. 图 4 P、PI、PID 校正后系统阶跃响应曲线 由图 4 1. PID 2. PI 3. P 可以看出 校正响应速度最快 ，PID 作者简介 朱会东 （1979- ）， 电子工程方面的研究与教学工作 ： 辽宁阜新 人 讲 师 ， ， 主 要 从 事 机 械 电子信箱 ：lnfxzhd@126.com. ， 责任编辑 ： 王海英 收稿日期 ：2012－12－03 校 ，PI ############################################# 版权声明 ： 本刊已许可中国学术期刊 光盘版 （ ） 电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制 、 作者向本刊提交文章发表的行 汇编 发行 、 、 信息网络传播本刊全文 。 为即视为同意我社上述声明 。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付 。 煤矿机械杂志社 2011 年 7 月 12 日 2 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net