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    錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法

    555   編輯:中冶有色技術網   來源:中國礦業大學  
    2024-01-18 16:28:16
    權利要求書: 1.一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,包括如下步驟:步驟1)建立錨桿鉆機推進系統數學模型;

    101)當電液比例溢流閥的比例電磁鐵線圈通電時,產生的電磁力作用在先導閥芯上;

    乳化液經阻尼孔R1分流,分流后的一部分通過阻尼孔R2,作用于主閥閥芯上腔,另一部分通過阻尼孔R3,作用于先導閥;

    如果作用于先導閥上的乳化液壓力不能克服電磁力,主閥閥芯上腔和下腔壓力近似相等,在主閥彈簧初始作用力下,主閥保持關閉狀態;當乳化液壓力超過先導閥電磁力,先導閥開啟;經阻尼孔R1后,乳化液壓力下降,導致主閥下腔壓力大于上腔壓力,主閥開啟;

    102)記比例電磁鐵輸入電流為I、輸出電磁力為Fem、增益為Kb,拉普拉斯算子為s,比例電磁鐵的數學模型為:

    103)記先導閥閥芯及推桿質量之和為m2,先導閥粘性阻尼系數為Bv、等效彈簧剛度為Kv,先導閥閥芯位移為X2,先導級的比例系數為Km=1/Kv、固有頻率為 阻尼系數為先導控制級的數學模型為:

    104)記主閥的下腔和上腔壓力分別為p1、p2,主閥下表面和上表面受力面積分別為A1、A2,主閥閥芯及推桿質量之和為m1,主閥閥芯彈簧剛度為K,彈簧的初始壓縮量為X10,主閥閥芯位移為X1,穩態液動力為Fh,則 為X1的二階導數;

    記ΔFh、ΔX1、Δp1和Δp2分別為Fh、X1、p1和p2的變化量, 表示Fh關于X1的一階偏導,則 經線性化處理后,表示為ΔFh=Kh1ΔX1+Kh2(Δp1?Δp2);

    105)記油液有效彈性模量為βe,固定液阻的流量壓力系數為GR1,先導閥的流量增益與流量—壓力系數分別為Kq2和Kc2,先導閥干路流量和先導閥支路流量分別為Q2和Q4,主閥上腔流量為Q3,主閥上腔容積為2,則 Q4=Kq2X2+Kc2p2,t表示時間;

    106)記主閥固有頻率為 主閥上腔轉折頻率為ωc=(GR1+Kc2)βe/2,主2

    閥主導轉折頻率為ωv=(K+Kh1)(GR1+Kc2)/A2,有效作用面積為則主閥閥芯位移X1表示為: 其中p1(s)為比例溢流閥的輸出壓力;

    107)基于ωM和ωc遠大于液壓推進系統固有頻率,忽略其對系統控制性能的影響,將X1(s)進行簡化,有

    108)記比例溢流閥溢流流量為Q,主閥下腔流量為Q1,主閥下腔容積為1,主閥的流量增益與流量—壓力系數分別為Kq1和Kc1,則主閥的閥口流量為: t表示時間;

    109)記K0=K1/(1+K1Kc1),K1=(K+Kh1)/AKq1,ω1=Kc1βe/1, D(s)=K0(1+s/ωv),忽略具有高頻特性的轉折頻率Kq1/A1的影響,得到比例溢流閥的輸出壓力p1(s)與先導閥芯位移X2,以及溢流閥輸入流量Q1之間的傳遞函數關系為:

    110)記推進系統輸出力和負載力分別為F和FL,鉆頭位移量為x,鉆桿與推進油缸總重量為m,推進油缸回油腔壓力為p3,推進油缸兩腔有效作用面積分別為A3和A4,推進系統負載等效彈簧剛度為KL,鉆機進鉆過程中的摩擦力、振動干擾以及難以建模的阻力之和為F1,推進油缸的數學模型為: 為x的二階導數;

    111)根據比例溢流閥數學模型和推進油缸數學模型,綜合得到推進系統輸出力與電液比例溢流閥輸入電流之間滿足以下函數關系為:步驟2)利用鉆機隨鉆信息,設定鉆機當次鉆進的最優推進力;

    步驟3)結合粒子群優化算法,設計最優自抗擾控制器;

    步驟4)基于Matlab和AMESim的聯合仿真平臺,驗證所提錨桿鉆機推進系統控制方法的有效性和合理性。

    2.根據權利要求1所述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述錨桿鉆機推進系統包括三相異步電機、定量泵、高壓濾油器、安全閥、電液比例溢流閥、電磁方向閥和液壓油缸;所述三相異步電機與定量泵相連接;所述定量泵泵出的高壓油,經過高壓濾油器后,分別流向電液比例溢流閥和電磁方向閥;所述電液比例溢流閥和定量泵還連接有同一油箱;所述電磁方向閥與液壓油缸雙向連接;所述液壓油缸還連接有負載;

    所述電液比例溢流閥包括阻尼孔、依次連接的比例電磁鐵、先導控制級和主閥控制級;

    所述先導控制級中設置有先導閥芯,主閥控制級中設置有主閥閥芯;所述阻尼孔用于分流乳化液。

    3.根據權利要求1所述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是:將先導閥的固有頻率ωm設計為主閥等效頻率ω0的100倍以上,將推進系統數學模型進行簡化,有

    4.根據權利要求1所述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟2)的具體內容為:

    根據檢測得到的鉆機在k?1階段的鉆進過程中的推進力F(k?1)、推進位移x(k?1)、轉速n(k?1)和轉矩信息T(k?1),預估本次k階段的鉆進過程中巖石硬度系數f(k);

    記鉆桿直徑為D,調節常數為λ,設定k階段最優推進力Fv(k)為:Fv(k)=λDf(k)。

    5.根據權利要求4所述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟3)的具體內容為:

    31)采用二階自抗擾控制器,實現錨桿鉆機推進系統推進力控制;自抗擾控制器包括微分跟蹤器、擴張狀態觀測器和非線性狀態誤差反饋控制率;

    微分跟蹤器的速度因子r和濾波因子h0,擴張狀態觀測器增益β01,β02,β03和參數b0,以及非線性反饋控制器中增益β11和β12;

    32)采用粒子群優化算法整定上述自抗擾控制器的參數;

    記粒子群中粒子個數為m0,每個粒子的維數為D,則第i個粒子的位置表示為xi=(xi1,xi2,…,xiD),i=1,2,…,m0;其速度為vi=(vi1,vi2,…,viD);第i個粒子搜索到的最優位置為pi=(pi1,pi2,…,piD),整個粒子群搜索到的最優位置為pg=(pg1,pg2,…,pgD);

    慣性權重為w,加速度常數為c1和c2,r1和r2為[0,1]之間均勻分布的隨機變量,則每個粒子通過式 更新其速度,通過式 更新其位置,實現進化搜索; 表示第N次迭代過程中第i個粒子的第d個最優位置, 表示第N次迭代過程中第i個粒子的第d個最優位置的速度, 表示第N次迭代過程中第i個粒子的第d個位置, 表示第N次迭代過程中整個粒子群的第d個最優位置;

    33)第i個粒子表示為x'i=(r,h0,β01,β02,β03,β11,β12,b0),其中,r,h0,β01,β02,β03,β11,β12,b0均采用實數編碼;

    34)考慮鉆機推進力控制系統的快速性和準確性要求,采用絕對誤差乘時間的積分準則作為目標函數,在目標函數中增加度量超調量的性能指標:記權值為ω1和ω2,系統的瞬時誤差為e(t),超調量為Mp,獲得綜合目標函數

    35)針對上述目標函數,構建自抗擾控制器參數的粒子群優化整定方法。

    6.根據權利要求5所述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述

    35)的具體內容為:

    351)初始化粒子群所有粒子的初始位置和速度;

    352)將每個粒子位置所對應的自抗擾控制器參數,引入推進力控制系統的物理仿真系統,運行并計算其目標值;

    353)根據每個粒子的目標值,更新局部最優粒子、全局最優粒子,及其局部極值和全局極值;

    354)更新每個粒子的位置和速度;

    355)判斷是否達到最大的迭代次數,如果滿足判斷條件,則終止搜索,并且輸出全局最優解;否則,跳轉到352)。

    7.根據權利要求1所述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟4)的具體內容為:

    41)基于Matlab和AMESim的聯合仿真平臺,實現最優自抗擾控制器以及錨桿鉆機推進系統搭建;

    42)實驗驗證所提的錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法有效性和合理性。

    說明書: 一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法技術領域[0001] 本發明涉及一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,屬于工程機械自動控制技術領域。

    背景技術[0002] 錨桿鉆機是巖土錨固工程施工中的關鍵設備之一,其設備性能直接決定了整個工程的進度和質量。本專利主要研究錨桿鉆機的軸向推進力控制。鉆進作業中,推進機構對鉆

    頭施加一定的軸向力,使鉆頭與巖石緊密接觸,有效輔助回轉機構破碎巖石。研究表明,恰

    當的推進力,會使鉆機工作于巖石最優鉆削區,可獲得最大的鉆進效率以及鉆進速度。如果

    推進力過小,鉆頭與孔底巖石將不能緊密接觸,會大幅降低鉆進速度。反之,過大的推進力,

    會加劇鉆頭磨損,甚至出現彎桿或斷桿。因此,對推進力的準確控制成為提高鉆機鉆進速度

    的關鍵。

    [0003] 針對錨桿鉆機推進力的控制,文獻(胡志堅,彭嵩,耿莉.工程地質鉆機回轉鉆進比例控制系統的模擬分析[J].機床與液壓,2009,37(10):219–221.)采用比例調壓泵,實現推

    進系統控制,但產生的推進力存在高頻抖動。

    [0004] 文獻(WuWR,XuZ.MechanicalMechanicsandApplicationofHighSpeedOn/OffalvetoFeedingSystemofHydraulicDrillingRig[J].Advanced

    MaterialsResearch,2014,908:330–334.)利用PWM信號,通過控制高速開關閥動作,實現

    鉆機推進力的比例調節,為優化鉆井平臺液壓系統提供了可靠參考依據。但是,高速開關閥

    價格偏高,目前在錨桿鉆機上應用極少。

    [0005] 文獻(適應復雜工況的液壓鉆機推進回轉控制系統研究[D].中南大學,2014)采用模糊控制,自動調節潛孔鉆機的推進壓力,使之與鉆機回轉壓力相匹配,從而實現潛孔鉆機

    的快速鉆進,并預防卡鉆。但控制量是基于模糊規則設計的,因此,具有控制精度差,響應速

    度慢的缺陷。

    [0006] 專利(盧建波,吳成,潘開方等.馬達負載與推進力自適應液壓鉆機[P],CN201358708.2009.12.9)在推進回路中設置遠控減壓閥;該遠控減壓閥通過其負載感應體連

    接到鉆機回轉回路。當回轉回路檢測出鉆機負載增大時,推進回路能自動地降低推進力和

    推進速度;反之,當鉆機負載降低時,能自動增加推進力;從而提高鉆機的巖層自適應能力。

    [0007] 專利(王士坤,李寶貴,高英杰,蔣寅剛.高效鉆機自動控制系統[P],CN203223215U,2013.10.2)在鑿巖機回轉回路和推進回路分別增加回轉壓力傳感器和進給壓

    力傳感器。通過實時工況檢測,利用控制器自動調節鑿巖機的沖擊能量、回轉速度和進給液

    壓缸推進力,控制釬桿的運動,達到減少釬桿損壞和提高工作效率的目的。

    [0008] 專利(盧建波,潘開方,胡仁春等.鉆機輕推開孔、自適應能力和自動防卡轉功能的實現[P],CN101358522A,2009.02.4)通過改造原有鉆機結構,利用機械方式,解決手動鉆

    機控制方式不能適應巖層變化的不足。

    [0009] 目前,鉆機推進力的研究主要集中在兩方面:一方面,利用比例調壓泵、負載敏感器件、高速開關閥等部件,實現對鉆機推進力的自適應控制,該方法可靠性低;另一方面,根

    據采集的回轉壓力信息,利用比例閥和變量泵,實現推進力的邏輯控制。由于缺乏在不同圍

    巖下的最優推進力估計,所以不能實現推進力的自適應控制。

    發明內容[0010] 為解決現有技術的不足,本發明的目的在于提供一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,實現鉆機推進力根據圍巖性狀的自適應調節,達到提高錨固速度和支護質量,以

    及減少鉆機故障的目的。

    [0011] 為了實現上述目標,本發明采用如下的技術方案:[0012] 一種錨桿鉆機推進系統,其特征是,包括三相異步電機、定量泵、高壓濾油器、安全閥、電液比例溢流閥、電磁方向閥和液壓油缸;所述三相異步電機與定量泵相連接;所述定

    量泵泵出的高壓油經過高壓濾油器后分別流向電液比例溢流閥和電磁方向閥;所述電液比

    例溢流閥和定量泵還連接有同一油箱;所述電磁方向閥與液壓油缸雙向連接;所述液壓油

    缸還連接有負載;所述電液比例溢流閥包括阻尼孔、依次連接的比例電磁鐵、先導控制級和

    主閥控制級;所述先導控制級中設置有先導閥芯,主閥控制級中設置有主閥閥芯;所述阻尼

    孔用于分流乳化液。

    [0013] 一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,包括如下步驟:[0014] 步驟1)建立上述錨桿鉆機推進系統數學模型;[0015] 步驟2)利用鉆機隨鉆信息,設定鉆機當次鉆進的最優推進力;[0016] 步驟3)結合粒子群優化算法,設計最優自抗擾控制器;[0017] 步驟4)基于Matlab和AMESim的聯合仿真平臺,驗證所提錨桿鉆機推進系統控制方法的有效性和合理性。前述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步

    驟1)的具體內容為:

    [0018] 101)當電液比例溢流閥的比例電磁鐵線圈通電時,產生的電磁力作用在先導閥芯上;乳化液經阻尼孔R1分流,分流后的一部分通過阻尼孔R2,作用于主閥閥芯上腔,另一部分

    通過阻尼孔R3,作用于先導閥;

    [0019] 如果作用于先導閥上的乳化液壓力不能克服電磁力,主閥閥芯上腔和下腔壓力近似相等,在主閥彈簧初始作用力下,主閥保持關閉狀態;當乳化液壓力超過先導閥電磁力,

    先導閥開啟;經阻尼孔R1后,乳化液壓力下降,導致主閥下腔壓力大于上腔壓力,主閥開啟;

    [0020] 102)記比例電磁鐵輸入電流為I、輸出電磁力為Fem、增益為Kb,拉普拉斯算子為s,比例電磁鐵的數學模型為:

    [0021] 103)記先導閥閥芯及推桿質量之和為m2,先導閥粘性阻尼系數為Bv、等效彈簧剛度為Kv,先導閥閥芯位移為X2,先導級的比例系數為Km=1/Kv、固有頻率為 阻尼系數分別

    為 先導控制級的數學模型為:

    [0022] 104)記主閥的下腔和上腔壓力分別為p1、p2,主閥下表面和上表面受力面積分別為A1、A2,主閥閥芯及推桿質量之和為m1,主閥閥芯彈簧剛度為K,彈簧的初始壓縮量為X10,主

    閥閥芯位移為X1,穩態液動力為Fh,則

    [0023] 記ΔFh、ΔX1、Δp1和Δp2分別為Fh、X1、p1和p2的變化量, 表示Fh關于X1的一階偏導,則 經線性化處理后,表示為ΔFh=Kh1ΔX1+

    Kh2(Δp1?Δp2);

    [0024] 105)記油液有效彈性模量為βe,固定液阻的流量壓力系數為GR1,先導閥的流量增益與流量—壓力系數分別為Kq2和Kc2,先導閥干路流量和先導閥支路流量分別為Q2和Q4,主閥上腔流量為

    Q3,主閥上腔容積為2,則

    [0025] 106)記主閥固有頻率為 主閥上腔轉折頻率為ωc=(GR1+Kc2)βe/2

    2,主閥主導轉折頻率為ωv=(K+Kh1)(GR1+Kc2)/A2,有效作用面積為

    則主閥閥芯位移X1表示為: 其中

    [0026] 107)基于ωM和ωc遠大于液壓推進系統固有頻率,忽略其對系統控制性能的影響,將X1(s)進行簡化,有

    [0027] 108)記比例溢流閥溢流流量為Q,主閥下腔流量為Q1,主閥下腔容積為1,主閥的流量增益與流量—壓力系數分別為Kq1和Kc1,則主閥的閥口流量為:

    [0028] 109)記K0=K1/(1+K1Kc1),K1=(K+Kh1)/AKq1,ω1=Kc1βe/1, D(s)=K0(1+s/ωv),忽略具有

    高頻特性的轉折頻率Kq1/A1的影響,得到比例溢流閥的輸出壓力p1與先導閥芯位移X2,以及

    溢流閥輸入流量Q1之間的傳遞函數關系為:

    [0029] 110)記推進系統輸出力和負載力分別為F和FL,鉆頭位移量為x,鉆桿與推進油缸總重量為m,推進油缸回油腔壓力為p3,推進油缸兩腔有效作用面積分別為A3和A4,推進系統

    負載等效彈簧剛度為KL,鉆機進鉆過程中的摩擦力、振動干擾以及難以建模的阻力之和為

    F1,推進油缸的數學模型為:

    [0030] 111)根據比例溢流閥數學模型和推進油缸數學模型,綜合得到推進系統輸出力與電液比例溢流閥輸入電流之間滿足以下函數關系為:

    前述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟112)中將先導閥的

    固有頻率ωm設計為主閥等效頻率ω0的100倍以上,將推進系統數學模型進行簡化,有

    [0031] 前述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟2)的具體內容為:

    [0032] 根據檢測得到的鉆機在k?1階段的鉆進過程中的推進力F(k?1)、推進位移x(k?1)、轉速n(k?1)和轉矩信息T(k?1),預估本次k階段的鉆進過程中巖石硬度系數f(k);

    [0033] 記鉆桿直徑為D,調節常數為λ,設定k階段最優推進力Fv(k)為:Fv(k)=λDf(k)。[0034] 前述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟3)的具體內容為:

    [0035] 31)采用二階自抗擾控制器,實現錨桿鉆機推進系統推進力控制;自抗擾控制器包括微分跟蹤器、擴張狀態觀測器和非線性狀態誤差反饋控制率;

    [0036] 微分跟蹤器的速度因子r和濾波因子h0,擴張狀態觀測器增益β01,β02,β03和參數b0,以及非線性反饋控制器中增益β11和β12;

    [0037] 32)采用粒子群優化算法整定上述自抗擾控制器的參數;[0038] 記粒子群中粒子個數為m0,每個粒子的維數為D,則第i個粒子的位置表示為xi=(xi1,xi2,…,xiD),i=1,2,…,m0;其速度為vi=(vi1,vi2,…,viD);第i個粒子搜索到的最優位

    置為pi=(pi1,pi2,…,piD),這里的pi可直接用等式右邊的向量來表示,與上述中出現的p1、

    p2不同,整個粒子群搜索到的最優位置為pg=(pg1,pg2,…,pgD);

    [0039] 慣性權重為w,加速度常數為c1和c2,r1和r2為[0,1]之間均勻分布的隨機變量,則每個粒子通過式 更新其速度,通過式

    更新其位置,實現進化搜索; 表示第N次迭代過程中第i個粒子的第d個最優位置, 表示

    第N次迭代過程中第i個粒子的第d個最優位置的速度, 表示第N次迭代過程中第i個粒子

    的第d個位置, 表示第N次迭代過程中整個粒子群的第d個最優位置;

    [0040] 33)粒子采用實數編碼形式,記為xi=(r,h0,β01,β02,β03,β11,β12,b0);[0041] 34)考慮鉆機推進力控制系統的快速性和準確性要求,采用絕對誤差乘時間的積分準則作為目標函數,在目標函數中增加度量超調量的性能指標:

    [0042] 記權值為ω1和ω2,系統的瞬時誤差為e(t),超調量為Mp,獲得綜合目標函數[0043] 35)針對上述目標函數,構建自抗擾控制器參數的粒子群優化整定方法。[0044] 前述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟35)的具體內容為:

    [0045] 351)初始化粒子群所有粒子的初始位置和速度;[0046] 352)將每個粒子位置所對應的自抗擾控制器參數,引入推進力控制系統的物理仿真系統,運行并計算其目標值;

    [0047] 353)根據每個粒子的目標值,更新局部最優粒子、全局最優粒子,及其局部極值和全局極值;

    [0048] 354)更新每個粒子的位置和速度;[0049] 355)判斷是否達到最大的迭代次數,如果滿足判斷條件,則終止搜索,并且輸出全局最優解;否則,跳轉到352)。

    [0050] 前述的一種錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法,其特征是,所述步驟4)的具體內容為:

    [0051] 41)基于Matlab和AMESim的聯合仿真平臺,實現最優自抗擾控制器以及錨桿鉆機推進系統搭建;

    [0052] 42)實驗驗證所提的錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法有效性和合理性。[0053] 本發明所達到的有益效果:本發明適用于錨桿鉆機推進力的最優控制,解決了傳統鉆機控制對操作人員工作經驗依賴性大的問題;鉆機根據鉆進圍巖性狀,自適應調整推

    進力,從而減少鉆機斷桿、別桿等故障,提高工作效率和掘進速度,為鉆機自動化、智能化奠

    定基礎。

    附圖說明[0054] 圖1是錨桿鉆機推進系統示意圖;[0055] 圖2是電液比例溢流閥結構組成;[0056] 圖3是推進系統傳遞函數框圖;[0057] 圖4是推進系統控制框圖;[0058] 圖5是基于Matlab和AMESim的聯合仿真平臺;[0059] 圖6是基于PSO的ADRC和PI控制器參數優化過程;[0060] 圖7是不同圍巖性狀下微分跟蹤器輸出參考軌跡;[0061] 圖8是不同ADRC控制器性能比較;[0062] 圖9是面向漸變圍巖的兩類推進力控制器性能曲線。[0063] 圖中附圖標記的含義:[0064] 1?三相異步電機,2?定量泵,3?高壓濾油器,4?電液比例溢流閥,5?電磁方向閥,6?液壓油缸,7?負載,8?比例溢流閥控制信號,9?油箱。

    具體實施方式[0065] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案,而不能以此來限制本發明的保護范圍。

    [0066] 本方法首先根據圍巖性狀來設定最優推進力;其次,考慮到錨桿鉆機液壓系統的非線性、參數時變性以及多干擾特性,采用自抗擾控制器實現鉆機推進力控制;最后,考慮

    系統響應快速性和動態穩定性要求,采用粒子群優化算法,自適應調整自抗擾控制器參數,

    保證鉆機推進系統獲得最佳的響應性能。

    [0067] 本實施例中,錨桿鉆機系統中設備核心參數取值,如表1所示。[0068]參數[單位] 數值 參數[單位] 數值

    Kb[N/A] 20 m2[kg] 0.00185

    2 8 3

    Be[N/m] 7×10 ρ[kg/m] 850

    Bv[N/(m·s)] 1.63 Kv[N/m] 2921

    2 2

    A1[mm] 804 A2[mm] 804

    3

    m1[kg] 0.092 1[cm] 5080

    3 3

    2[cm] 504 GR1[cm/(MPa·s)] 51.2

    [0069] 表1錨桿鉆機推進系統核心參數取值[0070] 實際采集的晉城寺河煤礦巷道圍巖數據,如表2所示。[0071] 巖性 累計厚度/m 厚度/m 抗壓強度/MPa 巖石硬度系數細砂巖 6.33 1.1 114.9 11.5

    砂巖 7.28 2.7 89.6 9

    中砂巖 4.91 0.55 77.3 7.7

    泥質砂巖 10 3.67 45.2 4.5

    泥質砂巖 5.23 0.32 35.6 3.6

    泥質砂巖 4.36 2.96 32.35 3.2

    煤層 1.4 1.4 21.9 2.2

    [0072] 表2晉城寺河煤礦巷道圍巖強度[0073] 采用粒子群優化算法,分別對自抗擾控制器和PI控制器進行參數尋優。設定待整定參數的搜索范圍為:r∈[10,100000],h0∈[0.001,1],β01∈[0,1000],β02∈[0,10000],

    β03∈[0,10000],β11∈[0,100],β12∈[0,2],b0∈[0.1,3];KP∈[0.1,1],KI∈[0.1,0.8]。

    [0074] 選取粒子群規模為100,最大迭代次數為100。粒子群尋優過程如附圖6所示。利用先驗知識,設定PI控制參數可調區間。因此,相比于PI控制器參數尋優過程,ADRC控制器尋

    優過程較慢。

    [0075] 獲得的控制器參數取值為:PSO?ADRC:β01=878.8375,β02=8435.8676,β03=6022.1461,β11=199.8151,β12=3.5746,b0=1.1956。

    [0076] PI:KP=0.624,KI=0.283。[0077] 驗證不同圍巖性狀下,微分跟蹤器輸出參考軌跡對控制器性能影響??紤]鉆機從砂質泥巖鉆進入中砂巖,根據最優推進力計算公式,折算出砂質泥巖最優推進力為Fv=

    576N;中砂巖最優推進力為Fv=985.6N。

    [0078] 根據傳統自抗擾控制器參數整定方法,確定傳統自抗擾控制器微分跟蹤器參數為:r=20000,h0=0.01??刂破鞯钠渌麉挡捎肞SO整定得到,與上述PSO?ADRC一致。

    [0079] 基于粒子群優化算法整定的微分跟蹤器參數如表3所示。[0080][0081] 表3不同圍巖性狀下PSO?ADRC與傳統ADRC控制性能比較[0082] 顯然,不同圍巖下的期望響應軌跡有所不同。對比傳統ADRC控制器和PSO?ADRC控制器的微分跟蹤器輸出參考軌跡如附圖7所示,相應的推進力控制性能,如附圖8所示。當鉆

    機從砂質泥巖鉆進入中砂巖時,傳統ADRC控制器調節時間均在1.2s以上,并且具有較大超

    調。這是因為,傳統ADRC中微分跟蹤器的速度因子憑經驗選取,未考慮系統其他部分的關聯

    影響。較大的速度因子,可以保證較快的響應速度。但是,鉆機推進系統的固有特性,導致其

    實際響應過程不能很好的跟蹤期望響應軌線,產生較大的動態誤差,形成超調。特別是,當

    鉆進圍巖性狀存在較小程度的變化時,系統響應的超調量更為明顯。對比附圖8可知,本專

    利所提最優自抗擾控制器,通過基于PSO的整定模塊,可以在不同圍巖性狀下,獲得最佳微

    分跟蹤器參數,顯著提高控制系統的響應速度,并且能夠保證響應過程無超調,使鉆機系統

    獲得最優的動態性能。

    [0083] 驗證漸變圍巖條件下最優推進力的跟蹤性能。當鉆機在鉆進過程中,遇到的圍巖性狀存在漸變時,要不斷調節比例溢流閥出口壓力,使鉆進推進力滿足最佳性能要求。假設

    圍巖存在砂質泥巖和中砂巖兩類,估算最優推進力為409.6?985.6N的斜坡信號,如附圖9所

    示。當鉆機運行在漸變圍巖,不存在其他外部干擾時,最優自抗擾控制器的響應速度快,且

    無穩態誤差;同時,在調節過程中,無超調。但是,PI控制器存在19.78N的穩態誤差,并且存

    在小幅往復調整。最優自抗擾控制器具有比傳統PI控制更加優越的控制性能。

    [0084] 以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明技術原理的前提下,還可以做出若干改進和變形,這些改進和變形

    也應視為本發明的保護范圍。



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    “錨桿鉆機推進力最優自抗擾控制方法” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究,如用于商業用途,請聯系該技術所有人。
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