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。