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摘要：设计了一种新型潜孔钻机推进力自适应控制液压系统,并通过液压系统仿真软件AMESim对系统做了系统分析和仿真,验证了系统的有效性。采用模糊控制,能够快速有效自动调节潜孔钻机的推进压力,使之与钻机回转压力相匹配,从而达到潜孔钻机的快速钻进和防卡钻的双重功效。
关键词：潜孔钻机;推进压力控制;AMESim;系统仿真
潜孔钻机是钻凿矿物和岩石的一种工程机械,是冶金、煤炭、化工、地质甚至军事等部门生产中重要的施工设备。潜孔钻机推进系统的性能直接决定着整机的工作效率。钻机在开孔时要求以小推进力推进;钻孔过程中由于接卸钻杆,钻杆质量的变化会导致钻头轴压力的变化,因此要求推进力应和钻杆数量相匹配,保持合理的钻头轴压力;在钻孔过程中所遇岩层不同,如软岩、粘土、硬岩、裂隙、空洞等,所需推进力的大小应有所不同。目前国内的潜孔钻机钻孔过程推进力大多未加控制,均为恒推力推进,不能根据钻杆数量变化调节推进力,更不能根据岩层性质的变化而实时控制推进力,因而钻孔精度低,钻孔偏斜大,卡钻故障频发[ 1 ]。通过对潜孔钻机钻孔工作参数和工作状态相关信息的分析,提出利用电液比例技术和模糊控制技术,实现潜孔凿岩推进系统的闭环控制,从而使钻机钻孔过程中实现岩层自动感应控制。
1 潜孔钻机推进系统工作原理
液压原理图如图1所示。液压油经换向阀1、比例减压阀2、推进油缸4至背压阀3和液动换向阀1回油箱。在凿岩过程中随钻杆数量变化或所遇岩层性质不同,将会引起回转系统压力的变化,推进速度、推进器的振动幅值和振动频率也会发生变化。这些信息将经传感器反馈给控制器,控制器通过控制比例减压阀输入电压,调节推进系统的推进力。推进器的推进力、钻头轴压力及回转阻力可用式( 1)表示。
a) 推进器的推进力FT : （图片）
图1推进系统液压原理图 （图片） 式中: PT ———推进器的推进压力;
PTb ———推进器的推进背压力;
AT ———推进器油压有效作用面积。
b) 钻头对孔底的轴压力Fd :（图片） 式中: n ———孔内钻杆数;
W1———推进器移动部件、冲击器自重;
W2———每根钻杆自重。
c) 回转马达的回转阻力MZ :（图片） 式中: k———岩石性质影响系数;
h———钻孔深度。
从式(2)可知钻头轴压力Fd 会随钻杆质量增大而增大,轴压力过大会造成回转不稳定产生飘移,使钻杆发生偏斜[1 ]。又由式(3)知轴压力增大时回转阻力MZ 增大,经压力传感器检测回转系统压力并传输给控制器,通过负反馈控制,调节比例阀输入电压, 减小推进力FT , 使轴压力Fd 减小,重新趋于稳定;当遇到溶洞时,推进阻力突然减小,推进加速度将瞬时增大、回转阻力降低。控制系统通过对加速度和回转压力的检测,及时减小推进力FT ,防止推进速度增加过大,以致卡钻;在钻孔过程中若进入粘土或硬岩层时,推进速度、振动幅值和振动频率会发生较大变化,同时值也发生变化, 由式( 3)知回转阻力也将同时发生改变。根据对这些信息的采集与处理,控制器会将推进力控制在最佳值。另外在开孔时,要求以小推进力推进,需通过控制比例减压阀的输入电压从而控制推进力。
从以上分析可以看出,在开孔或钻杆数量、孔内因素发生变化时,均可通过调节控制推进器的推进力来进行补偿以使钻头对孔底轴压力合理。
可见,控制的关键在于实时控制推进力的大小,即控制电液比例减压阀的输入电压,而背压力的控制是在钻杆数量增加到一定值、电液比例减压阀达到最小输出压力后进行反方向控制。
2推进力的模糊控制器设计
本文所论述的推进力数学模型本质为非线性、时变性和较强的滞后性, 所以将模糊控制作为控制推进器的一种算法。
潜孔钻机模糊控制器的输入变量为回转压力偏差和回转压力偏差的变化率,输出变量为电液比例阀的控制电压。模糊控制器的控制任务是根据压力偏差和压力偏差的变化率的大小,结合人的先验知识和经验,判断潜孔钻机钻孔过程中所遇的地质情况(即模糊化处理) , 并依据模糊规则给出控制比例阀电压的大小(即解模糊处理) ,从而控制钻孔质量,防止出现卡钻和钻孔偏斜。
在钻机推进力模糊控制器中,将压力偏差、压力偏差变化率的模糊语言值均分为7段:
{NB,NM,NS, ZE, PS, PM, PB}
其中, NB,NM和NS分别表示负大、负中和负小; PS, PM和PB分别表示正小、正中和正大; ZE表示零。
在对潜孔钻机推进力控制机理进行详细分析的基础上,提出了钻机推进力模糊控制器的控制规则。本控制规则是在钻机正常潜孔凿岩的情况下根据回转压力信号的变化而提出的,其回转压力未超出防卡钻设定值,对推进力控制是无级的。其主要语言描述如下:
1) 如果钻机回转压力P为正大,且压力变化率为正大,则快速减小推进力,防止出现卡钻;
2) 如果钻机回转压力P为负大,且压力变化率为负大,则迅速增大推进力,以提高钻孔凿岩效率;
3) 如果钻机回转压力P为负大,且压力变化率为正大,则少许增大推进力;
4) 如果钻机回转压力P为正大,且压力变化率为负大,则少许减小推进力;
5) 如果钻机回转压力P为正小,且压力变化率为负大,则推进力保持不变;
6) 如果钻机推进压力P为正下,且压力变化率为负小,则推进力保持不变;
⋯⋯
以上总共有25条规则,钻机推进力一直由模糊控制器根据输入信号的变化在不断的调整和修正。
因此,根据上述模糊控制规则可以得到推进力模糊规则推理表(表1) 。表1潜孔钻机推进力模糊规则推理表
（图片）控制规则在曲面观察器下的显示如图2所示。（图片）
图2控制规则曲面观察器 3AMESim与Simulink的联合仿真
Simulink本身没有专门针对流体仿真的工具箱,用户使用时要自己建立模型,如若遇到较复杂的液压系统,使用Simulink还需要对系统的数学模型有较深刻的理解。
Amesim与Matlab /Simulink联合仿真平台分别对液压伺服系统中的机械液压部分和控制部分进行建模,充分利用两套软件分别在液压系统建模仿真与数据处理能力方面的优势对系统进行仿真分析[ 2 ]。
Amesim 与MATLAB /Simulink 的联合仿真是通过Amesim中的界面菜单下的创建输出图标功能与Simulink中的S函数实现连接的。具体实现过程是在Amesim中经过系统编译、参数设置等生成供Simulink使用的S函数,在Simulink环境中,将建好的包含其他Simulink模块的Amesim模型当作一个普通的S函数对待,添加入系统的Simulink模型中。从而实现Amesim与MATLAB /Simulink的联合建模与仿真。（图片）
图3系统在AMES im下的建模图 3. 1AMESim下的系统模型
当孔内因素变化,如由于孔壁摩擦系数增大、地质条件的变化会引起回转压力瞬时增加,此时回转压力恒扭矩控制系统,应能使回转压力迅速恢复稳定的正常值,防止压力继续升高,从而使钻孔顺利进行。
在AMESim仿真系统中加入一干扰模块SQW0,模拟外界给回转系统带来的压力突变,通过仿真,观察回转压力恢复平衡的能力。
3. 2 基于MATLAB /Fuzzy Toolbox的推进力模糊推理系统
推进力模糊推理系统编辑界面和结构图如图4和图5所示。（图片）
图4推进力模糊控制器模糊推理系统编辑界面 （图片）
图5推进力模糊控制器MATLAB/S imulink模型和封装结构图 转压力的波动有所减缓, 表明该方案有一定的自适应能力。
综上所述,通过对潜孔钻机钻进过程分析,利用模糊控制理论建立了一种能够有效防止卡钻故障的推进力自适应系统,并通过仿真软件AMESim与simulink建立了系统的数学模型,在计算机中进行了仿真分析,仿真结果表明,在本系统的控制下能够使推进压力与回转压力自动匹配,有效而快速地回调突然增加的回转压力,从而避免了卡钻故障的产生。（图片）
图6加入定值干扰后的回转压力仿真结果 （图片）
图7加入持续变化干扰后的回转压力仿真结果 参考文献:
[ 1 ] 吴万荣. 地下大直径潜孔钻机液压控制系统及凿岩技术研究[D ]. 长沙:中南大学, 1998.
[ 2 ] 付永领. AMESim系统建模和仿真:从入门到精通[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2006.
4/10/2011
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