时变负载下旋挖钻机行走系统抗干扰控制研究

doi:10.3901/JME.2025.08.413

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (8): 413-422.doi: 10.3901/JME.2025.08.413

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时变负载下旋挖钻机行走系统抗干扰控制研究

贾存德^1,2,3, 赵喆伟^1,2,3, 孔祥东^1,2,3, 张珍年^1,2,3, 许宏宇⁴, 艾超^1,2,3

1. 燕山大学起重机械关键技术全国重点实验室秦皇岛 066004;
2. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004;
3. 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛 066004;
4. 北京三一智造科技有限公司北京 100005

收稿日期:2024-05-16 修回日期:2024-11-23 发布日期:2025-05-10
作者简介:贾存德，男，1994年出生，博士研究生。主要研究方向为流体传动与控制、工程机械数字孪生与智能控制。E-mail：ysu-jia@qq.com;艾超(通信作者)，男，1982年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为电液伺服控制系统、流体振动与抑制、智能液压风电、液压元件优化设计。E-mail：aichao@ysu.edu.cn

Anti-interference Control of Rotary Drilling Rig Running System Based on External Time-varying Load

JIA Cunde^1,2,3, ZHAO Zhewei^1,2,3, KONG Xiangdong^1,2,3, ZHANG Zhennian^1,2,3, XU Hongyu⁴, AI Chao^1,2,3

1. State Key Laboratory of Crane Technology, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
3. Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
4. Beijing Sany Intelligent Manufacturing Technology Co., Ltd., Beijing 100005

Received:2024-05-16 Revised:2024-11-23 Published:2025-05-10

摘要/Abstract

摘要： 针对旋挖钻机在非平整路面行驶阶段，左右履带负载时变引起的行驶稳定性与倾覆风险问题，提出一种基于负载扰动观测和线性二次型最优(Linerar quadratic regulator, LQR)的抗干扰复合控制策略。以某型旋挖钻机行走系统为研究对象，分析坑洼路况下行走马达的负载变化情况。建立液压系统数学模型，通过负载扰动观测器在线估计负载力矩，并设计基于LQR的行走加速度控制器，将负载估计量与系统状态变量前馈到系统输入，形成对阀芯位移进行前馈补偿的旋挖钻机行走系统抗干扰复合控制策略。仿真与试验结果表明，所设计的控制器能有效抑制负载扰动对行驶稳定性的影响，在相同路况下，与原主机相比，采用抗干扰控制后的主机速度波动峰值降低了84.7%，加速度波动峰值降低了81.3%，桅杆最大晃动量降低了52.5%。

关键词: 行走液压系统, 稳定性, 负载扰动观测器, 抗干扰复合控制

Abstract: A disturbance resistant composite control strategy based on load disturbance observation and linear quadratic regulator (LQR) is proposed to address the issues of driving stability and overturning risk caused by time-varying loads on the left and right tracks of rotary drilling rigs during the driving phase on uneven road surfaces. Taking the walking system of a certain type of rotary drilling rig as the research object, the load variation of the walking motor under bumpy road conditions is analyzed. Established a mathematical model of hydraulic system, by using a load disturbance observer to estimate the load torque online, and designing a walking acceleration controller based on LQR, the load estimation and system state variables are feedforward to the system input, forming an anti-interference composite control strategy for the rotary drilling rig walking system that compensates for the valve core displacement through feedforward. The simulation and experimental results show that the designed controller can effectively suppress the impact of load disturbance on driving stability, compared with the original equipment, the equipment with anti-interference control reduces the peak speed fluctuation by 84.7%, the peak acceleration fluctuation by 81.3%, and the maximum mast sway by 52.5% under the same road conditions.

Key words: hydraulic walking system, stability, load disturbance observer, anti-interference composite control

中图分类号:

TU67

贾存德, 赵喆伟, 孔祥东, 张珍年, 许宏宇, 艾超. 时变负载下旋挖钻机行走系统抗干扰控制研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 413-422.

JIA Cunde, ZHAO Zhewei, KONG Xiangdong, ZHANG Zhennian, XU Hongyu, AI Chao. Anti-interference Control of Rotary Drilling Rig Running System Based on External Time-varying Load[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(8): 413-422.

参考文献

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