Control system for drilling rig machine electrohydraulic feed drive

The objective of research is to develop a scientifically based approach to the synthesis of a positional control sys­tem for the hydraulic drive of a roller cone drilling machine, which ensures increased positioning accuracy, stability of transient processes, and drive efficiency under variable loads typical of the drilling process. The study has been conducted based on: the application of differential equations of hydraulic drive dynamics (equations describing the movement of the executive hydraulic cylinder, pressure dynamics in cavities, working fluid flow, and elastic properties of the hydraulic line are used); linearization of nonlinear equations (for stability analysis and controller synthesis, the hydraulic system is reduced to a linearized model in the vicinity of the operating point); modeling using transfer functions and block diagrams; Laplace transforms are used in the formation of drive transfer functions and controllers for system analysis in the frequency and time domains; methods of automatic control the­ory (stability analysis; controller structure selection; synthesis of P-, PI-, PID-controllers for positional control) were applied; optimization synthesis methods for calculating controller parameters that allow setting the desired eigenval­ues of the closed system and ensuring the required positioning accuracy of the drive; modeling in MATLAB/Simulink (used to verify the obtained mathematical model and check the operation of the synthesized control algorithm). Theoretical and experimental research yielded the following scientific and practical results: a mathematical mod­el of the hydraulic drive for a roller cone drilling machine was developed, considering the nonlinear characteristics of hydraulic equipment, the compressibility of the working fluid, hydraulic losses, and the dynamics of the actuating hydraulic cylinder. The model allowed us to investigate the influence of system parameters on positioning accuracy; we analyzed the dynamic properties of the drive and identified the main factors that limit the accuracy and speed of the position control system, in particular: hydraulic delays, force disturbances from the drilling process, and pres­sure fluctuations in the hydraulic lines; a synthesis of the positional control system was carried out using methods of automatic control theory; based on a linearized model, the choice of the regulator structure was justified and its optimal parameters were determined; an algorithm for positional feed control was proposed, which ensures stable transient processes and high accuracy of the specified position of the actuator under variable loads; a structural dia­gram of the control system was developed, including a feedback module, corrective links, and an executive hydraulic drive, and its operability was confirmed by modeling; the system was modeled in MATLAB/Simulink, the results of which showed: a reduction in drive positioning error improvement of system stability to disturbances; a reduction in the transition process time; a reduction in feed fluctuations during drilling.

Метою дослідження є науково обґрунтований підхід до синтезу позиційної системи управління гідравлічним приводом подачі станка шарошечного буріння, який забезпечує підвищення точності позиціонування, стабільність перехідних процесів та ефективність роботи приводу в умовах змінних навантажень, властивих технологічному процесу буріння. Дослідження здійснено на підставі застосування диференціальних рівняння динаміки гідравлічного привода (використовуються рівняння, що описують рух виконавчого гідроциліндра, динаміку тиску в порожнинах, витрату робочої рідини та пружні властивості гідролінії); лінеаризації нелінійних рівнянь (для аналізу стійкості та синтезу регулятора гідравлічна система наводиться до лінеаризованої моделі в околицях робочої точки); моделювання із застосуванням передавальних функцій та структурних схем; застосовуються перетворення Лапласа під час формування передавальних функції приводу та регуляторів для аналізу системи в частотній та часовій областях; методи теорії автоматичного керування (аналіз стійкості; вибір структури регулятора; синтез П-, ПІ-, ПІД-регуляторів за позиційного регулювання); оптимізаційні методи синтезу для розрахунку параметрів регулятора, що дають можливість задати бажані власні значення замкнутої системи та забезпечити необхідну точність позиціонування приводу. моделювання в MATLAB/Simulink (застосовується для верифікації отриманої математичної моделі та перевірки роботи синтезованого алгоритму керування). За результатами виконаних теоретичних та експериментальних досліджень отримано такі наукові та практичні результати: розроблено математичну модель гідравлічного привода подачі станка шарошкового буріння, що враховує нелінійні характеристики гідроапаратури, стисливість робочої рідини, гідравлічні втрати та динаміку виконавчого гідроциліндра. Модель дала можливість дослідити вплив параметрів системи на точність позиціонування; виконано аналіз динамічних властивостей привода та визначено основні фактори, які обмежують точність та швидкодію системи позиційного керування, зокрема гідравлічні затримки, силові збурення від процесу буріння та коливання тиску в гідролініях; проведено синтез позиційної системи управління з використанням методів теорії автоматичного керування; на основі лінеаризованої моделі обґрунтовано вибір структури регулятора та визначено його оптимальні параметри; запропоновано алгоритм позиційного регулювання подачі, який забезпечує стабільні перехідні процеси та високу точність відпрацювання заданого положення виконавчого органу в умовах змінних навантажень; розроблено структурну схему системи управління, що має модуль зворотного зв’язку, коригувальні ланки та виконавчий гідропривід, та підтверджено її працездатність за допомогою моделювання; проведено моделювання роботи системи в MATLAB/Simulink, результати якого показали: зменшення похибки позиціонування привода, покращення стійкості системи до збурень, скорочення часу перехідного процесу, зниження коливань подачі під час буріння.