基于等价输入干扰方法的钻孔机器人给进力跟踪控制

煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中,钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题,首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺,根据其给进系统的工作原理,建立了减压阀控制数学模型,获得了控制输入量电磁铁电流与控制输出量减压阀出口压力的映射关系,并在明确给进力驱动方式的基础上对整个给进系统进行控制建模。随后设计了钻孔机器人给进力跟踪控制系统,使用Luenburger全维状态观测器重构被控对象状态,建立基于等价输入干扰估计(EID)与补偿的控制结构,设计了状态反馈控制器、状态观测器和干扰估计器增益矩阵,实现给进力闭环控制系统稳定的同时具有满意的跟踪与扰动抑制性能。最后利用Matlab软件搭建数值仿真模型,以某煤矿井下实际钻进施工时给进系统的实测钻进数据信号为例进行仿真研究,以给进力为控制目标,实测减压阀输出压力波动为依据设计外部扰动信号,分别采用所提EID控制方法和PID控制方法进行了对比仿真。结果表明:所提方法获得了比PID方法更小的稳态跟踪误差峰峰值,且跟踪误差更小,保证了给进系统稳定运行,具有较好的跟踪与扰动抑制性能。研究结果对提高钻孔机器人适应复杂煤层负载变化,保证其工作性能和安全高效施工提供了控制理论基础。