深海采矿升沉补偿系统的物理建模仿真

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目前.国内外公认的比较适用于深海多金属结核开采、应用潜力较大的采矿方案是流体提升式采矿法。其中最被看好的是如图 1所示的水力流体提升式采矿系统.它也是我国工业开采时初步拟定及将可能采用的采矿系统 深海采矿系统在深海 5000m左右的深度作业。

所处的环境十分复杂.易受到海洋风、浪、流、潮的影响，不可避免地产生显著的升沉亿运动.有时甚至要牵引长达5000m以上的扬矿管随船身运动.造成海底集矿装置的不稳定.甚至导致管系连接间的疲劳损坏。严重影响采矿作业的顺利进行。为此，在扬矿管的上部与采矿船之间安装-套升沉补偿系统，以保证采矿船的正常作业l1]。

1升沉补偿系统原理深海采矿升沉补偿系统工作原理如图 2所示。利用活塞缸 1的运动来模拟采矿船的运动 .用负载 5来模拟扬矿管以下采矿装置的运动.活塞缸2就相当于在采矿船和扬矿管中间安装的升沉补偿系统 采用质量块 5来模拟升沉补偿系统的负载即采矿装置.质量作者简介 ：曾贵娥 (1980-)，硕 士，讲 师，研究方向为工业过程计算机控制。

收稿 日期 ：2012.11.1924 nnⅣ.chinacaaa.com l自动化应用海图 1 水力流体提升式采矿系统块 5的质量可以随意更改.这样就可轻易地实现升沉补偿系统的负载的变化 通过改变升沉补偿系统的负载 ，来验证其控制策略的鲁棒性和 自适应能力 ；采用液压缸 l、2和电液比例方向阀 3、4来模拟升沉补偿系统。液压缸 2通过-块连接板安装在液压缸 1的活塞杆上.当液压缸 l的活塞伸出或退回时 .如果不对液压缸 2的活塞的运动加以补偿 .则它们的活塞杆就会带着质量块组5-起下降或上升.从而模拟采矿装置随采矿船的升沉运动。该系统最终的目的：当升沉运动模拟液压缸 1上下运动时 .通过升沉补偿液压缸 2的补偿 .使得采矿装置模拟部分--质量块 5的升沉位移为零 。其具体控制过程 ：当液压缸 1活塞杆伸出f或退 回1时 ，会带动整个液压缸 2的缸筒和活塞杆下沉(或上升)，使得质量块组 5下沉f或上升)；这时，光栅位移传感器 6会输出-个负f或正1的升沉位移信号：升沉位移信号经 A/D转换送入计算机：在-定的控制策略作用下 。计算机就会输出-个负f或正)的控制电压 ：控制电压经 D/A转换后输入给电液比例方向阀4，在控制电压的作用下 .电液比例方向阀 4工作 ，于右位f或左位)向液压缸 2的下f或上)油腔补油，则液压缸 2的活塞杆退 回f或伸出1.从而使质量块的升沉位移趋向于零 .实现补偿的目的l2图2升沉补偿系统原理图系 统 解 决 方 案 2升沉补偿系统 Sinscape物理模型根据升沉补偿系统原理图，利用 Sinscape拈下的液压、机械及其它模型库中的各个元件搭建好其物理模型 ，如图 3所示。引入 SIMULINK里面的正弦波形作为输入信号 .用来模拟采矿船在海上作业时受到的海浪作用 ：引入限幅拈来限制控制器的输出电压 .使阀工作在10V范围内：加入滤波环节来消除高频噪声对系统的影响：加入经典 PID控制器构成闭环控制.提高系统的跟踪及补偿精度。然后根据需要，设置好阀、缸、负载、PID控制器等各个子拈的物理参数。

3仿真及结果分析仿真之前.先将选择开关拨到上端与常数拈相连 ，即系统在开始阶段不进行补偿 ，待其运行到 38s图 3 升沉补偿系统 Simscape物理仿真模左右.暂停系统.将选择开关拨到下端构成位移反馈闭环控制系统.即进行升沉补偿.然后再启动开始按钮 系统补偿效果如图4、5、6中38 0s时间段的图形所示升沉补偿系统跟踪及补偿曲线如图4所示.可知仿真实验已经达到了补偿控制目的 采矿船升沉运动模拟跟踪及误差曲线如图 5所示.可知采矿船能够精确跟踪海浪的波动(正弦信号).其跟踪误差在-3.5～2.5ram之间。当不对系统进行补偿时 (图4中 0～38s时间段 )，负载跟随采矿船-起作升沉运动 ，其运动轨迹和采矿船的运动轨迹基本重合 ：在 38s后 .启动补偿 .此时负载运动轨迹立即回到零附近震荡 ，即补偿缸起到了补偿作用 负载在补偿前后的运动曲线如图6所示.可知负载位移在零附近-个极小的误差范围内波动，说明补偿精度高，达到了补偿的目的。

- 0 1 L- 0图 4lO 20 30 4o 50 60t/s升沉补偿系统跟踪及补偿曲线(下转第 41页)自动化应用 2013 l 3期 25移 移位 位 移 移望 际 位 位期 实 望 际船 船 期 实矿 矿 载 载采 采 负 负-～～- 1360.到参考标记的最大位移：34070PEFP VELO POS3。

参考点定位速率可适当调整 36000、36010、36020、36030、36040和增益参数 32200.使主轴在其不同档位下运行都能达到系统稳定性和定位精度的较高要求 以上操作完成后 ，主轴 回原点，或是执行 SPOS0，找到位置编码器的标识脉冲后.将主轴位置调整到两个铣轴定位键垂直水平面.记录操作面板里显示的c轴角度.将该值输入到 MD34090 REFP MOVE DIST CORR参考 点偏移。生效后 .主轴参考点就变为该位置了。记为坐标原点 S0。

铣头的主轴由机床主轴通过 2个端键带动 A轴的转角度.都是由主轴提供动力并掌控角度精度.这就要求主轴本身的定位精度必须非常高.双闭环数控系统能够满足这种要求4数控铣头变角度问题 f以TXl THE型全自动直角铣头为例)通过4个拉钉和 2个定位键将直角铣头的连接盘与机床滑枕的过渡连接盘拉紧 直角铣头的主轴传动系 统 解 决 方 案 装置通过 Hirth啮合连接环与直角铣头的连接盘装置由液压装置实现夹紧.油压为 100 bar通过 Hirth啮合连接环实现 A轴 144等分定位直角铣头的主轴锥柄连接装置采用液压装置松开在直角铣头的 A轴未夹紧期间 .直角铣头的主轴锥柄传动装置与机床主轴的传动装置是夹紧的。

机床主轴的马达转动带动直角铣 头的主轴锥柄转动 直角铣头的角位移是通过机床主轴的同-个定位编码器控制实现的。当直角铣头的角位移到达时。

机床主轴的电机停止转动.同时直角铣的A轴被夹紧 直角铣头的主轴锥柄传动装置被夹紧 .直角铣头就可以用来旋转和工作 A轴旋转角度为 nx360(可连续旋转)垂直铣头和直角铣头原理类似 而万用铣头较为复杂，除了 A角度变换 ，还增加了 AC角度变换 ，需要逐 级调试