[发明专利]一种锚杆钻机推进回转系统及其协同自适应控制方法

权利要求书

1.一种基于锚杆钻机推进回转系统的协同自适应控制方法，所述锚杆钻机推进回转系统包括三相异步电机、双联齿轮定量泵、推进系统和回转系统；所述三相异步电机以额定转速带动双联齿轮定量泵旋转，泵出高压油一路供给推进系统，另一路供给回转系统；所述双联齿轮定量泵与推进系统和回转系统之间均设置有高压滤油器；所述回转系统包括三位四通电液比例阀和双向液压马达；所述回转系统的高压油经过三位四通电液比例阀，驱动双向液压马达旋转，进而带动钻杆旋转，通过调节三位四通电液比例阀的开度控制进入双向液压马达的油液流量，进而控制钻杆转速；所述双向液压马达的两端均连接在三位四通电液比例阀上；所述双向液压马达还连接有回转负载；所述推进系统依次包括比例溢流阀、电磁方向阀、液压油缸和推进负载，驱动油缸动作，使钻杆产生轴向推进力；所述推进系统通过调节比例溢流阀的阀开度，控制推进力大小；所述三位四通电液比例阀和电磁方向阀上均连接有冷却器；所述冷却器的另一端连接油箱；其特征是，包括如下步骤：

步骤1)根据锚杆钻机系统，建立钻机回转系统数学模型；

步骤2)根据锚杆钻机系统，建立钻机推进系统数学模型，将比例溢流阀控液压缸力伺服系统简化为二阶系统；

步骤3)利用钻机随钻信息获取岩石硬度系数；

步骤4)根据预估的岩石硬度系数，设定钻机当次钻进的最优推进力和最优旋转速度；

步骤5)融合同等和主从结构的复合方式，设计锚杆钻机推进回转协同控制结构；

步骤6)针对锚杆钻机系统存在的非线性、参数时变性和多干扰特性，且基于步骤1)和步骤2)构建的系统数学模型，分别设计锚杆钻机推进与回转系统的自抗扰控制器；

步骤7)基于Matlab和AMESim的联合仿真平台，验证所提钻机推进回转协同控制方法的有效性和合理性；

所述步骤3)的具体内容为：

31)根据锚杆钻机推进系统检测获得的推进力F和钻速v，以及回转系统的旋转速度n和旋转转矩T，计算得出岩石破碎比功其中，钻孔横截面积为A，钻机单位时间有效破岩消耗功率为P，钻孔体积为V；

32)考虑到岩石破碎比功与岩石硬度系数成正比，根据检测得到的钻机在上一钻进过程中的推进力F(k-1)、推进位移x(k-1)、转速n(k-1)和转矩信息T(k-1)，获得岩石硬度系数，指导本次钻进过程；记本次钻进过程为k阶段，预估的k阶段岩石硬度系数f(k)为：其中，μ为比例系数，为推进位移x(k-1)关于时间t(k-1)的一阶微分，即k-1阶段的钻速；

所述步骤4)的具体内容为：

记D为钻杆直径，λ和c为调节常数，根据预估的k阶段岩石硬度系数，设定本阶段最优推进力F_v(k)和最优旋转速度n_v(k)为：F_v(k)＝λDf(k)，

所述步骤5)的具体内容为：

51)根据回转压力，判断围岩的差异程度，记上一钻进过程的回转压力为P(k-1)，本次钻进过程的回转压力为P(k)，则回转压力变化量为：ΔP＝P(k)-P(k-1)；定义差异度为ε，当|ΔP|＜ε时，表明相邻锚杆所对应围岩的特性具有一致性；

根据预估的岩石硬度系数，采用同等方式，依据步骤4)设定的最优推进力和旋转速度，指导钻机推进力与回转速度的同步动作；当|ΔP|≥ε时，表明相邻锚杆所对应的钻进围岩特性存在一定差异，考虑到推进系统比回转系统对钻孔质量和效率的影响更为显著，根据采集得到的回转系统压力，采用主从方式，保持钻机转速不变，调整钻机推进力，使钻机在钻进过程中能动态适应局部围岩差异；记推进力调节增量为ΔF，推进力调节比例增益为k_F，则调整后推进力F_v′记为F_v′＝F_v+ΔF，ΔF＝k_FΔP；

52)当相邻锚杆所对应的钻进围岩存在差异性时，回转压力呈现低频抖动信号特性；采用一阶惯性环节进行低频滤波，消除压力抖振信号对推进力调节的影响；记k阶段原始回转压力为P_r(k)，低频滤波器传递函数为H(s)，则有P(k)＝P_r(k)H(s)，H(s)＝1/(Ts+1)。