【毕业学位论文】深海集矿机模型车行走控制研究与虚拟仿真-控制理论与控制工程

分类号 密级 U D C 编号 中 南 大 学 士学位论文 论文题目 深海集矿机模型车行走控制 研究与虚拟仿真 学科、专业 控制理论与控制工程 研究生姓名 冯磊华 导师姓名及 专业技术职称 桂卫华 教授 中南大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 集矿机是一种在水深 5000 6000 米的海底采集锰结核的一种智能机械，集矿机行走的好坏直接关系到大洋采矿的成败。由于深海集矿机体积庞大，不便于反复试验研究。因此，本课题组成员研制了一台集矿机模型车，来作为实验室研究的对象。基于集矿机模型车，开展集矿机液压系统建模和控制器设计，具有工程指导意义。 本文以深海集矿机为背景， 分析了集矿机行走控制机构的结构和工作原理，并在此基础上设计了集矿机模型车的液压控制系统，建立了各部分的数学模型，以便对控制算法进行仿真，为集矿机行走控制器的设计提供基础。由于模型车行走采用电液 比例阀控液压马达驱动，是复杂的非线性高阶系统，无法用精确的数学模型描述其控制规律。因此，单一的控制无法达到集矿机行走的要求。针对集矿机的履带速度控制，设计了模糊 履带速度内环控制器。针对集矿机行走偏差，设计了模糊的外环控制器，并加入一智能积分器与模糊控制并联以消除静差和极限环振荡。 由于数字仿真与实验都是建立在模型车的基础上， 与原系统存在一定的差距。论文使用虚拟仿真技术，将模型车的数学模型与集矿机虚拟世界结合。通过获得直观的控制效果，可使模型车更加逼近实际系统，并优化控制器的参数。 关键词 ： 深海采矿，液压系统，模糊中南大学硕士学位论文 I he is an up on 000s It or of of is or is it is to of a is as of on of of to of of s in of on up of in to on to of in of of is by it is we t s is to of In to of of In to of s of in an to up on of of of of 目录 录 第一章 绪论 .内外研究现状. 集矿机研究现状 . 液压传动技术 .集矿机行驶控制方法. 虚拟现实仿真技术 . 深海采矿的工艺流程 . 深海采矿对集矿机行走的要求 .文组成.二章 深海集矿机行走系统.矿机行驶系统概述. 集矿机行走方式 .集矿机行走装置分析.集矿机行走控制过程. 集矿机行走液压驱动系统 .第三章 集矿机模型车的行驶控制系统.型车行走液压系统原理与设备选型.型车行走液压系统建模.定量泵的分析.阀控液压马达系统分析.型车行走控制器的设计. 模型车行走控制过程 . 模糊. 模型车外环模糊积分控制器 . 模型车控制系统的数字仿真分析 .南大学硕士学位论文 目录 节.第四章 集矿机行驶的虚拟仿真.拟现实仿真动画系统的技术特征. 虚拟现实仿真动画的生成原理 . 虚拟现实仿真动画建模工具的要求 .于. . 采用.集矿机虚拟环境的实现.型车动画仿真的实现. 在.利用.结.第五章 总结与展望.参考文献. 致 谢. 读学位期间主要研究成果.中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 题来源及研究意义 本课题属于 “中国大洋矿产资源研究开发 十五 深海资源研究开发专项 深海采矿系统监控、动力配置技术设计研究开发”子项目。 我国已探明的 45 种主要矿产，到 2010 年可满足需求的有 21 种，而到 2020年仅为 6 种。严重的是：除煤炭以外，需求量大的石油、铁、铜、铝、硫、钾盐等矿产品的缺口，进一步扩大，长期短缺己成定局，而在占地球表面 71的浩瀚洋底，蕴藏着丰富的多金属的锰结核资源，含有大量的镍、钴、铜、锰、铅、锌、金、银、铝等矿产资源。随着陆地资源的枯竭，围绕海洋的国际竞争已日趋激烈1随着 联合国海洋法公约 的生效， 新一轮的开发海洋矿产的热潮正在形成，二十一世纪它将成为新兴的高技术产业。美国、日本、德国、法国等发达国家在这方面已经展开了激烈地竞争3我国在深海采矿方面起步较晚，获得了在东太平洋 15 万平方公里的海底资源先行开发区；最终圈定了一块 平方公里的“战略金属资源基地” ，今后享有这一区域的开采优先权；研制成功在 6000 米深海进行矿产调查的无缆水下机器6。与此同时，我国自 90 年代就已经投入了集矿机这方面的研究，取得了阶段性的成果。在六千米深海开发矿产已经不是梦。 大洋采矿系统主要包括水上监控系统和水下采矿系统两部分， 而水下采矿系统主要就是集矿机。集矿机是一种在水深 50006000 米的海底软泥上行走，采集锰结核的一种智能机械，并能够耐 60压，连续无故障工作 2000 小时。集矿机除了要适应恶劣的环境外，还要适应海底的地形地貌的复杂变化，所以对集矿机的行走控制要求很严。否则一旦偏离轨迹，在茫茫的深海中很难寻找。 由于缺乏深海环境，再加上深海集矿机体积庞大，无法在实验室做试验。为了更加方便实验室研究，找出更好的控制算法，本课题组成员设计并交由厂家制造了一台集矿机模型车。 通过在模型车上反复做试验，可以找出最佳的控制算法。 将虚拟现实用于计算机仿真，可以以一种人为创造的情景式仿真环境，拉长或加速系统进程，模拟不同条件和环境下的系统状态。另一方面，虚拟现实仿真与一般的仿真相比，增加了虚拟现实交互性的优点，可以辅助管理决策行为的仿真研究。因此，在虚拟现实仿真的研究和应用中，这两种技术是相辅相成，不能替代的7。中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 在研究模型车的基础上，采用虚拟现实技术模拟海底环境，进行虚拟仿真，进而调整控制算法，可使控制更加符合实际系统。 内外研究现状 矿机研究现状 目前国外进行过深海试验的海底作业车主要有以下几种：（ 1） 1977 1978 年期间， 用“ R/V 深海采矿 ”在 矿区内进行了四个主要的海上试验， 所用的集矿机为水力式集矿头和托拽式行走机构的模型机8。 该模型机为生产型机的 1/4。 整个试验过程包括三次浅水 （ 1000m）试验，一次深水尝试（ 4600m） 。于 1978 年成功地完成最后一次深水试验。第一次深水试验为期 29 天，这次试验由于故障而被迫中断。第二次试验为期 41 天，集矿机放至海底并成功地在深海底被托拽，但由于电源故障而没能采集到结核。在第三次试验中，第一次采集到结核，然而采集作业是断断续续。第四次试验为期 46 天，在连续 22 小时采矿作业中，大约采集到 500 吨结核。 （ 2） 1978 年， 功地利用钻探船“ 深海进行了 3 次试验，供采集结核 800 余顿9。使用的集矿机为水力集矿头和托拽式行走机构（日本研制）以及机械式集矿头和托拽式行走机构（德国研制，下放时掉入海底） 。 （ 3） 1978年秋天至 1979年春天， 行了深海采矿试验，使用机械集矿头和阿基米德螺旋自行式海底作业车，采集结核 1000 余吨10。 目前，我国的深海采矿研究工作处于西方发达国家 20 世纪 70 年代起至 90年代初期阶段。我国采用了复合式水利提升采矿系统，深海集矿机控制系统是采矿系统的关键。我国在进行了八五、九五计划后，深海采矿技术已有了较大的进步， 基本上实现了采矿系统各机构的控制， 但集矿机控制系统仍有许多的不足11。 压传动技术 近代液压控制技术的发展起源于第二次世界大战。 但是对武器和飞行器的自动控制系统的研究已经取得了很大的进展，尤其是喷气式飞行器速度很高，因此对控制系统的快速性、动态精度和功率重 量比都提出了很高的要求。 1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机驱动，伺服电机的惯量很大，成为限制系统动态特性的主要环节。 50 年代出现了出现了以喷嘴挡板阀为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控制精度最高的系统。 70 年代集成电路技术的发明和由此而出现的微处理器更进一步促进了电中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 液伺服技术的发展12。同其他类型的控制系统相比较，电液伺服控制具有很多独特的特性。具有很高的输出力重量比，一个体积比较小的油缸（马达）可以输出很大的力（扭矩） 。而且电液伺服系统的动态响应速度和刚性都比电系统高。因此在许多地方液压伺服系统的地位是其他系统无法代替的13。液压系统仿真是计算机技术在液压系统中的一种应用。国外在 70 年代开始液压系统和元件的计算机数字仿真研究，由于受计算机性能的限制，仅能进行动态特性的数字仿真，输入数据复杂。随着液压流体力学、控制理论的发展，特别是计算机运算能力的提高，通过理论或试验的方法建立液压系统的分析数学模型，利用计算机进行仿真，对有关参数进行优化和预测系统的性能，从而给液压系统的设计提供了有利的工具14。80 年代后期，开发了很多精度高、速度 快、功能多的各类液压系统通用仿真软件包。如美国麦道飞机公司（ 先开发用来预测液压系统元件和系统性能的 真软件包， 使液压系统的设计从经验估计提高到定量分析的水平。该软件经修改、补充，构成一个通用液压系统国巴斯大学（制了 ，并进一步发展成为更广泛功能的液压系统自动仿真程序 程序充分考虑液压系统中较复杂交互作用的静态和动态问题15。日本机械学会、日本空压学会从1983年到1992年间，研究、开发了动力系统仿真软件 ，以对机、电、液动力系统的键合图作数学模型处理、数值模拟计算与仿真结果显示，尤其适用于非线性机、电、液综合流体动力系统的解析16。九十年代英国 学推出了基于 的液压仿真软件包 软件包括图形库、元件参数库等。 随着仿真技术的不断发展， 进几年来出现的通用液压系统动态仿真软件包都是在多年来的基础上不断改进逐步发展起来的。这些软件各有其特点，很适合开发者和系统仿真方面的专家使用。 但是这些软件在推广上却遇到了前所未有的困难。其主要原因有： 1. 基于液压元器件参数数据库的建模方法难以满足元件不断改进的现状。 2. 建模过程的复杂性。液压系统本身的复杂性决 定了液压系统模型的复杂性。 3. 性能价格比的问题。一般液压系统的设计任务 比较少，市场容量有限，中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 而设计所用的软件和高性能计算机则价格昂贵。 矿机行驶控制方法 集矿机是大洋采矿系统中技术最复杂、难度最大、最关键的部分之一。它要求在水深 50006000 米的大洋软底正常可靠地高效进行采矿作业。因此行走控制的好坏直接关系到大洋采矿的成败。 国内外学者对集矿机的行走控制做了大量的研究工作，以期望实现集矿机能够在深海中安全的自动行走。很多研究采用了是这种控制很难适应海洋的复杂环境，各种干扰量多，而且集矿机的精确数学模型难以建立，很难取得较好的控制效果17即使建立了数学模型，但是由于种种原因，模型不准确，是在实际运行中却不行19。模糊 控制器不仅可以解决简单线性系统的控制问题，而且对于许多复杂非线性、高阶、时延等系统具有很好的效果。 对于集矿机履带的速度给定控制，目前共有4种不同的操作方式： （1） 2个手柄分别控制两条履带； （2） 一个两维手柄控制两条履带； （3） 设定方向，一个单维手柄控制集矿机的速度； （4） 方向、速度均设定，由控制系统根据实际的速度、方向、 位置，自动控制两条履带的速度。 2001 年抚仙湖200两个履带的速度由两个手柄分别给定。在深海系统中，采用的是第四种方法。 拟现实仿真技术 虚拟现实技术和仿真技术的结合首先就给用户一个直观上的 “惊喜” ， 其 “真实”感受妙不可言。因此，虚拟现实技术应用于仿真的研究工作很快地就被世界各地的仿真工作者所重视起来了。 有关虚拟现实仿真的研究开展的很快，每年均有相关的论著和文献出现。我们可以将它们分为两类，一种是按照软硬件设备进行分类。但是目前，作者发现这些有关虚拟现实研究的论著内容大量集中在有关建立“逼真”的可视化三维仿真环境上，也就是集中于第一类中。 1984）首次畅想了人漫游在计算机产生的模拟世界中， 并提出了 个单词； 1989）真正赋予了 学的涵义，阐明了其人机交互的本质； （ 1990）探讨了可视仿真的发展前景20； （ 1994）初步提出了用三维图中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 形渲染二维动画仿真环境的机制； 1996）论述了虚拟现实和仿真结合所需的工具和方法，主要集中于有关的感观传感器等硬件设备21； 授（ 1996）在离散系统仿真机制的基础上，研究开发了一种基于 2，可用于一般民用企事业的网上仿真建模。基于对目前网络技术的发展和仿真界“免编程”思想的重新认识，提出了一种依靠 身的平台无关性的高通用化的仿真包，通过面向过程的机制集成了一个可以在任意 发环境中应用的仿真支持包，从而免去了重新学习一门仿真语言的麻烦23。鉴于本课题的研究重点和控制 算法仿真需求，本文采用了 拟现实建模语言）和 具箱来实现虚拟动画仿真，提供直观动画效果。 海采矿的工艺流程及对集矿机行走的要求 海采矿的工艺流程 深海采矿系统的方案主要有三种：连续绳斗式开采系统、自动穿梭式采矿车采矿系统、集矿机加管道输送采矿系统。我国采用的采矿系统方案是深海复合式水力提升采矿系统， 它属于集矿机加管道输送采矿系统中的一种， 由集矿子系统、水力提升子系统、水面支持子系统和监控与动力子系统等组成。位于洋底的集矿机，将散布在海底表面的多金属结核收集，破碎后，通过数百米的软管输送至中继仓，再由中继仓的给料机送至扬矿硬管，最后由两台多级泵提升到海面采矿船上，如图 1示。 图 1合式水力提升深海采矿系统工艺流程图采矿船 扬矿管复合电缆 提升泵中间仓输送软管 集矿机中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 集矿子系统主要由集矿机和与之相配套的控制系统及动力系统构成。 集矿机主要包括自行式履带作业车、集矿机构、破碎机构、液压系统、控制系统、动力装置、软管连接装置。 整个集矿机行走、姿态调整、采集、破碎的动力都由液压系统提供，采用 2台高压水下电机驱动油泵提供压力油。其中集矿机的液压动力驱动机构如图 1 集矿机是履带式的自行走作业车，采用高尖齿的履带行走，两条履带由安装在后轮上的两台液压马达分别驱动，用变量泵调节速度。同时，为了在集矿机收放时控制其姿态，防止其旋转，在集矿机的前后各安装了一台液压马达驱动的螺旋桨。 集矿机构安装在作业车的前端，由前后两排相对斜向海底射流的喷嘴、附壁喷嘴、封闭输送管道和排泥隔栅等组成。采用低压大流量水力冲抬输送原理采集结核，压力水由液压马达驱动的水泵提供。 集矿机构利用水射流将赋存在海底表面的多金属结核扰动、捕获，经过脱泥后输送到破碎机构的料仓中； 破碎机构将多金属结核破碎成满足扬矿输送要求的图 1矿机动力传输示意图 左大排量变量泵 左履带马达左电动马达 左小排量定量泵 1 左小排量定量泵 2 左螺旋桨马达左水泵马达1 左水泵马达2 破碎机马达破碎机油缸排料油缸左履带驱动轮左螺旋桨左水泵1 左水泵2 破碎机构1 破碎机构2 排料装置右大排量变量泵 右履带马达右电动马达 右小排量定量泵 1右小排量定量泵 2 右螺旋桨马达右水泵马达1 右水泵马达2 摆角油缸履带张紧油缸升降油缸右履带驱动轮右螺旋桨右水泵1 右水泵2 摆角装置履带张紧装置升降装置中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 大小的矿石粒径后进入扬矿输送管道，完成整个集矿作业。 破碎机构采用单齿辊式破碎，由液压马达驱动，同时具有液压自动防卡排除大块装置。 基于以上对深海采矿工艺流程的分析， 集矿机控制系统首先应该解决集矿机在海底的行走问题，研究集矿机行走液压驱动系统，并采用一定的控制算法来保证集矿机在深海底正常的行驶。 海采矿对集矿机行走的要求 我国在太平洋海底有 75000求集矿机的行走轨迹如图14所示。其中，集矿机长6m，矿速度为01m/s， 要求偏差范围控制在在设计控制系统时， 要严格按照此要求进行，否则就会出现采集不全或采矿效率低等后果。 图 14 集矿机在海底的行走轨迹示意图 其主要控制难点体现在以下几个方面： （1） 集矿机为非线性、大惯性系统，要求控制精度高：1m； （2） 履带车无专门转向机构，转向困难； （3） 履带打滑严重，速度不易测量； （4） 泵矿软管扰动严重。 文组成 由前面对集矿机的行走要求可知，集矿机不易控制。因此，研究集矿机的行海底多金属结核集矿机 集矿机采矿路径 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 8 走控制对本课题的研究将是非常有意义的。从而引入了本文的主要研究内容如下： 第一章简要说明了该课题的研究背景、国内外研究现状、深海采矿的工艺流程及论文组成。 第二章介绍深海集矿机行走系统，重点介绍了湖试系统中集矿机行走控制过程，为后面介绍模型车行驶系统打下基础。 第三章介绍集矿机模型车行驶控制系统， 重点介绍了模型车驱动系统中液压元件的选型及三个主要元件的数学模型和模型车行驶控制器的设计， 并由仿真结果和试验结果来验证控制器的合理性。 第四章介绍集矿机行驶的虚拟仿真，着重介绍了基于 集矿机行驶虚拟世界的建立及仿真动画的实现。 第五章总结与展望，总结研究成果以及对后继研究的展望。中南大学硕士学位论文 第二章 深海集矿机行走液压控制系统 9 第二章 深海集矿机行走系统 深海开采是一项高难度的综合技术 ， 深海的作业环境恶劣， 海深50006000米，无氧、高压、腐蚀，人员难以进入；海底地形复杂，半流态海底的承压能力很低、仅 27 千帕，集矿机在海底行驶控制性能要求较高；深海微光环境给海底观测带来困难，对海底设备的控制就更难。 集矿机除了要适应海底恶劣环境外，还需要适应海底地形地貌的变化。本章针对 2001 年抚仙湖湖试系统中集矿机行驶的液压驱动系统，重点研究集矿机的行走方式和行走控制机构。 矿机行驶系统概述 矿机行走方式 在过去30年间，国际上开发和试验的集矿机行走方式主要有拖曳式、螺旋桨式、阿基米德式和履带自行式四种类型。如图2名称 示意图 雪橇拖曳式 阿基米德螺旋式 螺旋桨推进式 履带自行式 图 2集矿机行走方式 70 年代的海上试验证明：拖曳式行走难 以控制，回采损失率太高，采用自行方式已是大势所趋。最初试验的阿基米德螺旋式行走底盘虽然结构简单，但螺旋线凹槽容易被沉积物敷住，行走打滑严重，转向更困难，与地面接触小，承载能力低，对海底搅动大。随后试验的螺旋桨式行走机构结构简单，但牵引力小、能耗大，对海底破坏严重，甚至将临近采集路径内的结核矿石吹走或埋入沉积层中，不适应采矿和环保要求24。进入 80 年代后，德国、法国开始研究履带式。水槽试验表明履带式牵引力大，承载能力高，跨越或绕过海底障碍物容易，对海中南大学硕士学位论文 第二章 深海集矿机行走液压控制系统 10 底搅动小，操纵及性能良好，能满足软海底采矿作业的要求，成为目前最有发展前途的行走方式。 因此选择自行履带行走方式成为集矿机行走机构研究的主攻方向25。本文也主要研究履带式集矿机行驶系统。 矿机行走装置分析 集矿机的行走底盘由履带、驱动轮、从动轮、负重轮、支撑轮、履带架、车架和动力装置组成，如图22所示。为了满足结构简单、重量轻、压陷深度浅、牵引力或附着力大，采用钢绳或尼龙绳增强连接橡胶履带。 图 22 集矿机整体图片 集矿机的行走速度是影响采矿效率的重要因素。根据所做试验，在结核矿石粒径分布均匀的条件下，行进速度 时，采矿效率最高；当 时，牵引力随高而明显增大。同时，集矿机行进速度还受采矿船拖曳提升管道系统航速的限制。70 年代在太平洋海域中试验时，由于对其系统的水力动力学了解不够，采取不超过 2 km/h(s)的谨慎 集矿航速。因此，s。 接地比压是集矿机行驶性能的重要指标，它取决于沉积物的承压强度。根据目前所掌握的海底表层沉积物力学性质测定数据分析表明：海底表层以下 1015剪切强度急剧增加，从 35升到 10过 15后有一段平稳值。为了充分利用这一值，设计压陷深度定在 15右较为适宜。在 15虑履带压实作用，承压强度还会增加。所以试验中中南大学硕士学位论文 第二章 深海集矿机行走液压控制系统 11 取海底沉积物承压强度7此，设计的集矿机应满足: (2式中 W 车辆重力，N; b履带宽度，m; l履带接地长度，m; 由公式知机重对行驶性影响极大，应尽量降低。 在车辆作用下，由地面发生形 变而产生的最大牵引力由土壤的抗剪强度决定的。根据库仑定律： ( ) (2式中 A履带接地面积，履刺高度，m； 剪切强度，由式 22 知，履刺的作用很显著，改善其形状和大小可使集矿机在软海底的可行驶性大大增加。 为满足结构简单、重量轻、压陷深度浅、牵引力或附着力大及对海底破坏轻的要求，采用了渐开线高齿环形橡胶履带。驱动轮、从动轮、负重轮采用双浮动悬挂，以满足越障要求。两条履带采用液压马达分别驱动，利用速度差转向。车架采用后横梁中间绞接，实现两条履带的上下浮动，保证集矿机在不平地面上正常行走。集矿机在模拟海泥抗剪强度为 0 10水池中进行实验时，最大牵引力为 28高边速为 s，行驶平稳，直线性好，刮泥量少。 矿机行走液压控制系统 矿机行走控制过程 2001 年抚仙湖湖试系统中所用集矿机，其行走控制有手动和自动两种方式：手动是采用两个手柄分别给定左右履带速度，不需要控制器；自动是采用一个手柄同时给定集矿机的车体速度 V 和航向角 ，其控制框图如图 2 3 所示。在自动控制下，将手柄扳到一定的位置，就可得到车体速度 经智能控制器可分解为左右履带的给定速度，其分解原理如图 2 4 所示。 中南大学硕士学位论文 第二章 深海集矿机行走液压控制系统 12 图 23 湖试系统集矿机行走自动控制框图 图38 手柄给定速度分解图 图 2矿机手柄控制速度分解图 图 2 4 说明： 1. X、 Y 表示两维手柄的水平、垂直分量； 2. L、 R 表示左右履带速度控制值； 3. 两条虚线之间表示死区，在此区间认为相应的分量为 0。 集矿机驱动部分采用的是液压传动，主要由电液比例阀、变量泵、液压马达组成；速度智能控制器根据给定航向角和反馈航向角的差值来调整左右履带速度。 矿机行走液压驱动系统 深海集矿机履带液压系统是一个液压泵控马达系统， 泵控马达由于其最大工作效率在实际使用中可以高达 90%，因此在大功率控制时都优先采用它作为动力给智能控制 左驱动左履带右驱动 右履带集 矿 机 中南大学硕士学位论文 第二章 深海集矿机行走液压控制系统 13 元件。但是，由于这类元件的响应速度比较低，因而限制了它们在高性能系统中的应用。 泵控马达系统由一个恒速能源驱动， 并能使液流反向的变量泵直接与一个定排量的液压马达相联。变量泵由一个电液比例阀控制其斜盘倾角，从而控制其排量，改变泵的行程。因此，马达的速度和旋转方向就可以通过改变泵的行程来加以控制。 为补充各个管道中的泄漏损耗以及在各管道中能建立起最低的压力， 一般都需要装设一个补充油源。这种辅助油源通常都是小容量的恒压油源，因为它只需供应泄漏量就够了。补油压力般都定得很低以保证功率消耗最小，同时还可保证当有负载作用在马达上时管道压降较低。 补充油源可防止出现空穴现象同时还可防止空气渗入系统，因为它能使各个管道增压，并且当它供应冷的油液来顶替泄漏量时能帮助热量消散。 在管道中设有安全溢流阀以保护系统不受压力峰的损坏。 这种阀可对管道压力建立一个上限，并调整到在系统正常工作压力以上工作。这类阀必须能够迅速响应并具有很大的容量，因为它们必须在系统处于极度过载时通过泵的最大流量。这种阀应跨接在两根管道上，因而使过载流可注入另一根管道从而阻止空穴现象的发生。 对泵的行程控制可以是直线运动也可以是旋转运动，本系统采用后者，同时需要有一个电液伺服机构来定位。 行程控制伺服系统是由电液伺服阀、 执行活塞、某种适当的电反馈元件以及电子误差放大器所组成。 补充油源的容量可作适当的增加，以便对行程控制伺服系统供油。 图 25 履带液压系统框图 2变量泵 定量马达马达和负载总惯量负载力矩安全溢流阀止回阀溢流阀补油泵油箱 壳体回油管 壳体回油管中南大学硕士学位论文 第二章 深海集矿机行走液压控制系统 14 当正常工作时，一个管道中的压力将为补油压力，而另一个管道中的压力将配合负载而进行调整。如果负载要求压力反向，则两根管道将转换其功能。如果瞬变状态很急速，同时负载发生反向，那么两根管道中的压力同时发生变化也是可能的。 但我们假定在同一时间只有一根管道的压力发生变化， 因为这种情况最常见。履带液压系统框图如图 2 5 所示，其基本液压元件为电液比例阀、变量泵、液压马达，如图 2 6 所示。 图 26 集矿机履带液压系统基本框图 由于该系统体积庞大，且做实验时要求深水环境，不便于实验室研究。因此本课题组成员在原系统的基础上研制了一辆集矿机模型车， 以后的内容将主要介绍模型车。 结 本章介绍了集矿机的行走方式和行走要求， 并主要分析了湖试系统中集矿机行走液压驱动系统的组成，其主要液压元件为电液比例阀、变量泵和液压马达。由于原系统不便于试验研究， 本课题组在研究湖试系统的基础上研制了一台集矿机模型车。该模型车基本上是由原系统按比例缩小的，其行走部分也是液压驱动的。后面内容将主要介绍集矿机模型车的行驶控制系统。控制器 电液比例阀 变量泵 液压马达 履带 右给 右中南大学硕士学位论文 第三章 集矿机模型车的行驶控制系统 15 第三章 集矿机模型车的行驶控制系统 由于集矿机原系统比较庞大，不便于做试验，因此本课题组成员研制一辆集矿机模型车。研制该模型车的主要目的有两个： （1）为控制系统和控制算法研究提供合适的实验平台； （2）验证控制算法的可行性，优化参数。 型车行走液压系统原理与设备选型 由于制造模型车的目的就是仿真原系统， 因此模型车中的履带也是由液压器件来驱动的。由于模型车比原系统小很多，不需要变量泵，所以模型车中主要采用阀控液压马达驱动，并由定量泵作为能源，其液压驱动系统设计原理如图31所示。 下面介绍一下该系统中三个主要液压元件：定量泵、电液比例阀、液压马达的型号及各参数。 （1）