權(quán)利要求書： 1.一種基于錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的協(xié)同自適應(yīng)控制方法，所述錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括三相異步電機(jī)、雙聯(lián)齒輪定量泵、推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；所述三相異步電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪定量泵旋轉(zhuǎn)，泵出高壓油一路供給推進(jìn)系統(tǒng)，另一路供給回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；所述雙聯(lián)齒輪定量泵與推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間均設(shè)置有高壓濾油器；所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括三位四通電液比例閥和雙向液壓馬達(dá)；所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的高壓油經(jīng)過三位四通電液比例閥，驅(qū)動(dòng)雙向液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)三位四通電液比例閥的開度控制進(jìn)入雙向液壓馬達(dá)的油液流量，進(jìn)而控制鉆桿轉(zhuǎn)速；所述雙向液壓馬達(dá)的兩端均連接在三位四通電液比例閥上；所述雙向液壓馬達(dá)還連接有回轉(zhuǎn)負(fù)載；所述推進(jìn)系統(tǒng)依次包括比例溢流閥、電磁方向閥、液壓油缸和推進(jìn)負(fù)載，驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作，使鉆桿產(chǎn)生軸向推進(jìn)力；所述推進(jìn)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)比例溢流閥的閥開度，控制推進(jìn)力大?。凰鋈凰耐娨罕壤y和電磁方向閥上均連接有冷卻器；所述冷卻器的另一端連接油箱；其特征是，包括如下步驟：步驟1)根據(jù)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)，建立鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；

步驟2)根據(jù)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)，建立鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將比例溢流閥控液壓缸力伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二階系統(tǒng)；

步驟3)利用鉆機(jī)隨鉆信息獲取巖石硬度系數(shù)；

步驟4)根據(jù)預(yù)估的巖石硬度系數(shù)，設(shè)定鉆機(jī)當(dāng)次鉆進(jìn)的最優(yōu)推進(jìn)力和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度；

步驟5)融合同等和主從結(jié)構(gòu)的復(fù)合方式，設(shè)計(jì)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同控制結(jié)構(gòu)；

步驟6)針對(duì)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)存在的非線性、參數(shù)時(shí)變性和多干擾特性，且基于步驟1)和步驟2)構(gòu)建的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的自抗擾控制器；

步驟7)基于Matlab和AMESim的聯(lián)合仿真平臺(tái)，驗(yàn)證所提鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同控制方法的有效性和合理性；

所述步驟3)的具體內(nèi)容為：

31)根據(jù)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)獲得的推進(jìn)力F和鉆速v，以及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度n和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T，計(jì)算得出巖石破碎比功 其中，鉆孔橫截面積為A，鉆機(jī)單位時(shí)間有效破巖消耗功率為P，鉆孔體積為；

32)考慮到巖石破碎比功與巖石硬度系數(shù)成正比，根據(jù)檢測(cè)得到的鉆機(jī)在上一鉆進(jìn)過程中的推進(jìn)力F(k?1)、推進(jìn)位移x(k?1)、轉(zhuǎn)速n(k?1)和轉(zhuǎn)矩信息T(k?1)，獲得巖石硬度系數(shù)，指導(dǎo)本次鉆進(jìn)過程；記本次鉆進(jìn)過程為k階段，預(yù)估的k階段巖石硬度系數(shù)f(k)為：其中，μ為比例系數(shù)， 為推進(jìn)位移x(k?1)關(guān)于時(shí)間t(k?1)的一階微分，即k?1階段的鉆速；

所述步驟4)的具體內(nèi)容為：

記D為鉆桿直徑，λ和c為調(diào)節(jié)常數(shù)，根據(jù)預(yù)估的k階段巖石硬度系數(shù)，設(shè)定本階段最優(yōu)推進(jìn)力Fv(k)和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度nv(k)為：Fv(k)＝λDf(k)，所述步驟5)的具體內(nèi)容為：

51)根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力，判斷圍巖的差異程度，記上一鉆進(jìn)過程的回轉(zhuǎn)壓力為P(k?1)，本次鉆進(jìn)過程的回轉(zhuǎn)壓力為P(k)，則回轉(zhuǎn)壓力變化量為：ΔP＝P(k)?P(k?1)；定義差異度為ε，當(dāng)|ΔP|＜ε時(shí)，表明相鄰錨桿所對(duì)應(yīng)圍巖的特性具有一致性；

根據(jù)預(yù)估的巖石硬度系數(shù)，采用同等方式，依據(jù)步驟4)設(shè)定的最優(yōu)推進(jìn)力和旋轉(zhuǎn)速度，指導(dǎo)鉆機(jī)推進(jìn)力與回轉(zhuǎn)速度的同步動(dòng)作；當(dāng)|ΔP|≥ε時(shí)，表明相鄰錨桿所對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)圍巖特性存在一定差異，考慮到推進(jìn)系統(tǒng)比回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)鉆孔質(zhì)量和效率的影響更為顯著，根據(jù)采集得到的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力，采用主從方式，保持鉆機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)整鉆機(jī)推進(jìn)力，使鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中能動(dòng)態(tài)適應(yīng)局部圍巖差異；記推進(jìn)力調(diào)節(jié)增量為ΔF，推進(jìn)力調(diào)節(jié)比例增益為kF，則調(diào)整后推進(jìn)力Fv′記為Fv′＝Fv+ΔF，ΔF＝kFΔP；

52)當(dāng)相鄰錨桿所對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)圍巖存在差異性時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力呈現(xiàn)低頻抖動(dòng)信號(hào)特性；采用一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行低頻濾波，消除壓力抖振信號(hào)對(duì)推進(jìn)力調(diào)節(jié)的影響；記k階段原始回轉(zhuǎn)壓力為Pr(k)，低頻濾波器傳遞函數(shù)為H(s)，則有P(k)＝Pr(k)H(s)，H(s)＝1/(Ts+1)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟1)的具體內(nèi)容為：

11)記三位四通電液比例閥輸入電流為iv，輸出閥芯位移為xv，電流/位移轉(zhuǎn)換系數(shù)為kv，油液密度為ρ，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)供油壓力為PS、負(fù)載壓力為PL，閥流量系數(shù)為Cd、面積梯度為Wv，閥口流量為Qv，建立電液比例閥的數(shù)學(xué)模型為：xv＝kviv，記Kq為閥流量增益，Kc為閥流量—壓力系數(shù)；對(duì)上述非線性閥口流量關(guān)系進(jìn)行線性化處理，簡(jiǎn)化為：Qv＝Kqxv?KcPL；

12)記液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角為θm、排量為Dm、進(jìn)油腔壓力為Pm1、回油腔壓力為Pm2、總泄露系數(shù)為Ctm，馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積為t，油液有效彈性模量為βe，液壓馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型為：

13)記馬達(dá)軸等效總慣量為Jt、粘滯阻尼系數(shù)為Bm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為ML，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的負(fù)載特性模型為：

14)忽略馬達(dá)外泄漏量條件下，QL＝Qv；記總的流量壓力系數(shù)為Kce＝Kc+Ctm，拉普拉斯算子為s，整合得到鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟6)的具體內(nèi)容為：

61)采用二階自抗擾控制器，分別實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)力控制和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制；自抗擾控制器由三個(gè)部分組成：微分跟蹤器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制率；

62)記被控量給定值為R，R在過渡過程中的期望序列及其一階微分分別為v1和v2，采樣步長(zhǎng)為h，濾波因子為h0，最優(yōu)控制函數(shù)為fhan()，速度因子為r，v1當(dāng)前時(shí)刻t采樣值為v1(t)，下一時(shí)刻t+1預(yù)測(cè)采樣值為v1(t+1)，初始給定R(0)即為預(yù)先設(shè)定的給定值，其他所有變量在t＝0時(shí)刻的初始值均設(shè)定為0；微分跟蹤器為： 其中，fhan()可表示為：

63)記狀態(tài)變量為z1和z2，總干擾量為z3，非線性函數(shù)為fal()，系統(tǒng)輸出量為y，觀測(cè)器增益為β01、β02、β03和參數(shù)b0，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為: 其中，fal()可表示為：

64)記比例增益和微分系數(shù)為β11和β12，非線性反饋輸出為u0，非線性系數(shù)為a1、a2，設(shè)計(jì)非線性狀態(tài)誤差反饋控制率為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟7)的具體內(nèi)容為：

71)基于Matlab和AMESim的聯(lián)合仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自抗擾控制器以及錨桿鉆機(jī)物理系統(tǒng)搭建；

72)合理調(diào)節(jié)控制器參數(shù)r、h0、β01、β02、β03、β11、β12和b0，使系統(tǒng)跟蹤誤差在t→∞時(shí)收斂到零；

73)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提的錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法有效性和合理性。

說明書： 一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及其協(xié)同自適應(yīng)控制方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及其協(xié)同自適應(yīng)控制方法，屬于工程機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)[0002] 錨桿鉆機(jī)是巖土錨固工程施工中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)備性能直接決定了整個(gè)工程的進(jìn)度和質(zhì)量。錨桿鉆機(jī)主要由兩部分組成，包括推進(jìn)系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。其中，推進(jìn)系統(tǒng)

通過施加推進(jìn)力，使鉆頭與孔底巖石接觸緊密，再通過回轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，切割巖石，

二者共同作用，可以達(dá)到有效破碎巖石的目的。由此可以看出，推進(jìn)系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的性能

共同決定了錨桿鉆機(jī)的鉆孔質(zhì)量和鉆進(jìn)效率。因此，本專利通過錨桿鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)

系統(tǒng)的協(xié)同控制，達(dá)到提高錨固速度與錨固質(zhì)量的目的。

[0003] 目前，錨桿鉆機(jī)的控制主要是依賴于通過工作人員經(jīng)驗(yàn)，通過人工手動(dòng)調(diào)節(jié)鉆機(jī)推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)速度。但是，由于缺乏對(duì)鉆進(jìn)圍巖性狀的了解，容易導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量差，甚至出

現(xiàn)別桿、斷桿等故障。因此，迫切需要根據(jù)鉆進(jìn)過程采集的各類信息，估計(jì)鉆進(jìn)圍巖性狀，通

過自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制錨桿鉆機(jī)推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)的自動(dòng)化控制。

[0004] 針對(duì)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)(ZhijianHU,PengS,GengL.ModelAnalysisonElectro?hydraulicProportionalControlforRotaryDrillingSystem

ofEngineeringGeologicalDrillingRig[J].MachineTool&Hydraulics,2009,13(6),

12?16.)明確指出推進(jìn)力和切削轉(zhuǎn)速是鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的重要控制參數(shù)，并采用比例調(diào)壓泵，

實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)控制；通過比例排量控制泵調(diào)節(jié)負(fù)載流量，進(jìn)而控制鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。但

是，該控制方式要求推進(jìn)系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用不同油路，對(duì)設(shè)備要求較高。

[0005] 文獻(xiàn)(FeifeiL,CuihuaXU.DynamicPerformanceStudyonDrillingRigFeedingSystemcontrolledbyConstantPressureariablePump[J].Coal

Engineering,2013,45(8),89?92)提出采用連續(xù)變排量泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)回路的直接控制。雖

然直接泵控方式的油源效率高，但是電機(jī)?泵機(jī)構(gòu)存在較大慣性，導(dǎo)致控制作用緩慢，甚至

鉆機(jī)在一些復(fù)雜工況下的損壞。

[0006] 專利(唐漪崑.一種礦井鉆機(jī)智能化控制系統(tǒng)[P].CN1O7339094A，2017.08.31)通過預(yù)設(shè)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速閾值，對(duì)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩實(shí)施邏輯控制。該方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了鉆

機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，但不能根據(jù)鉆進(jìn)圍巖自適應(yīng)調(diào)整鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，無法實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)效率的最大化。

[0007] 文獻(xiàn)(李愛厚，王婧，吳萬榮，等.基于AMESim潛孔鉆機(jī)推進(jìn)力控制系統(tǒng)研究與仿真分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2009,38(2):170?173.)根據(jù)采集到的回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)口處壓力信

號(hào)，通過模糊控制器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)推進(jìn)回路中的電液比例溢流閥出口壓力，實(shí)現(xiàn)潛孔鉆機(jī)推進(jìn)

回轉(zhuǎn)的自適應(yīng)控制，有效避免了卡鉆故障。

[0008] 專利(王東升，林宏武，郭勇，李澤杰.鑿巖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)推進(jìn)電液控制方法及其控制回路[P]，CN1O4389579A，2014.10.31)同樣是根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力判定圍巖性狀，進(jìn)而控制推進(jìn)

力。但是，由于推進(jìn)力的變化會(huì)影響回轉(zhuǎn)壓力，所以通過回轉(zhuǎn)壓力近似反映孔內(nèi)巖石性狀變

化程度會(huì)存在較大誤差。

[0009] 專利(王永龍，孫玉寧，周福寶等.智能化安全高效鉆進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)及控制方法[P]，CN10683729A，2017.01.25)通過檢測(cè)鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的扭矩、推力和提拔力以及鉆

進(jìn)深度、鉆桿回轉(zhuǎn)速度和鉆進(jìn)速度等信息，分析孔內(nèi)鉆具受力變化情況，進(jìn)而調(diào)整鉆機(jī)轉(zhuǎn)速

和推進(jìn)力。該方法很大程度上提高了鉆機(jī)的自適應(yīng)性，但是缺乏鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力給定值

的設(shè)定依據(jù)。

[0010] 目前，關(guān)于鉆機(jī)控制的研究主要集中在鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的獨(dú)立控制，對(duì)于鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同控制研究較少；并且，現(xiàn)有研究中鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力的設(shè)定值通常依

據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，不依賴圍巖性狀進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程往往不能運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容[0011] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)及其協(xié)同自適應(yīng)控制方法，達(dá)到提高錨固速度和支護(hù)質(zhì)量，以及減少鉆機(jī)故障的目的。

[0012] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：[0013] 一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其特征是，包括三相異步電機(jī)、雙聯(lián)齒輪定量泵、推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；

[0014] 所述三相異步電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪定量泵旋轉(zhuǎn)，泵出高壓油一路供給推進(jìn)系統(tǒng)，另一路供給回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；所述雙聯(lián)齒輪定量泵與推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)之間均設(shè)置有

高壓濾油器；

[0015] 所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括三位四通電液比例閥和雙向液壓馬達(dá)；所述回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的高壓油經(jīng)過三位四通電液比例閥，驅(qū)動(dòng)雙向液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)三位四通

電液比例閥的開度控制進(jìn)入雙向液壓馬達(dá)的油液流量，進(jìn)而控制鉆桿轉(zhuǎn)速；所述雙向液壓

馬達(dá)的兩端均連接在三位四通電液比例閥上；所述雙向液壓馬達(dá)還連接有回轉(zhuǎn)負(fù)載；

[0016] 所述推進(jìn)系統(tǒng)依次包括比例溢流閥、電磁方向閥、液壓油缸和推進(jìn)負(fù)載，驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作，使鉆桿產(chǎn)生軸向推進(jìn)力；所述推進(jìn)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)比例溢流閥的閥開度，控制推進(jìn)力大

小；

[0017] 所述三位四通電液比例閥和電磁方向閥上均連接有冷卻器；所述冷卻器的另一端連接油箱。

[0018] 一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，包括如下步驟：[0019] 一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，包括如下步驟：[0020] 步驟1)根據(jù)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)，建立鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；[0021] 步驟2)根據(jù)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)，建立鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將比例溢流閥控液壓缸力伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二階系統(tǒng)；

[0022] 步驟3)利用鉆機(jī)隨鉆信息獲取巖石硬度系數(shù)；[0023] 步驟4)根據(jù)預(yù)估的巖石硬度系數(shù)，設(shè)定鉆機(jī)當(dāng)次鉆進(jìn)的最優(yōu)推進(jìn)力和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度；

[0024] 步驟5)融合同等和主從結(jié)構(gòu)的復(fù)合方式，設(shè)計(jì)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同控制結(jié)構(gòu)；[0025] 步驟6)針對(duì)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)存在的非線性、參數(shù)時(shí)變性和多干擾特性，且基于步驟1)和步驟2)構(gòu)建的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的自抗擾控制器；

[0026] 步驟7)基于Matlab和AMESim的聯(lián)合仿真平臺(tái)，驗(yàn)證所提鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同控制方法的有效性和合理性。

[0027] 前述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟1)的具體內(nèi)容為：

[0028] 11)記三位四通電液比例閥輸入電流為iv，輸出閥芯位移為xv，電流/位移轉(zhuǎn)換系數(shù)為kv，油液密度為ρ，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)供油壓力為PS、負(fù)載壓力為PL，閥流量系數(shù)為Cd、面積梯度為Wv，

閥口流量為Qv，建立電液比例閥的數(shù)學(xué)模型為：

[0029] 記Kq為閥流量增益，Kc為閥流量—壓力系數(shù)；對(duì)上述非線性閥口流量關(guān)系進(jìn)行線性化處理，簡(jiǎn)化為：Qv＝Kqxv?KcPL；

[0030] 12)記液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角為θm、排量為Dm、進(jìn)油腔壓力為Pm1、回油腔壓力為Pm2、總泄露系數(shù)為Ctm，馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積為t，油液有效彈性模量為βe，液壓馬達(dá)的數(shù)學(xué)

模型為：

[0031] 13)記馬達(dá)軸等效總慣量為Jt、粘滯阻尼系數(shù)為Bm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為ML，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的負(fù)載特性模型為：

[0032] 14)忽略馬達(dá)外泄漏量條件下，QL＝Qv；記總的流量壓力系數(shù)為Kce＝Kc+Ctm，拉普拉斯算子為s，整合得到鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

[0033] 前述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟3)的具體內(nèi)容為：

[0034] 31)根據(jù)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)獲得的推進(jìn)力F和鉆速v，以及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度n和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T，計(jì)算得出巖石破碎比功 其中，鉆孔橫截面積為A，

鉆機(jī)單位時(shí)間有效破巖消耗功率為P，鉆孔體積為；

[0035] 32)考慮到巖石破碎比功與巖石硬度系數(shù)成正比，根據(jù)檢測(cè)得到的鉆機(jī)在上一鉆進(jìn)過程中的推進(jìn)力F(k?1)、推進(jìn)位移x(k?1)、轉(zhuǎn)速n(k?1)和轉(zhuǎn)矩信息T(k?1)，獲得巖石硬度

系數(shù)，指導(dǎo)本次鉆進(jìn)過程；記本次鉆進(jìn)過程為k階段，預(yù)估的k階段巖石硬度系數(shù)f(k)為：

其中，μ為比例系數(shù)， 為推進(jìn)位移x(k?1)

關(guān)于時(shí)間t(k?1)的一階微分，即k?1階段的鉆速。

[0036] 前述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟4)的具體內(nèi)容為：

[0037] 記D為鉆桿直徑，λ和c為調(diào)節(jié)常數(shù)，根據(jù)預(yù)估的k階段巖石硬度系數(shù)，設(shè)定本階段最優(yōu)推進(jìn)力Fv(k)和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度nv(k)為：Fv(k)＝λDf(k)，

[0038] 前述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟5)的具體內(nèi)容為：

[0039] 51)根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力，判斷圍巖的差異程度，記上一鉆進(jìn)過程的回轉(zhuǎn)壓力為P(k?1)，本次鉆進(jìn)過程的回轉(zhuǎn)壓力為P(k)，則回轉(zhuǎn)壓力變化量為：ΔP＝P(k)?P(k?1)；定義差異度為

ε，當(dāng)|ΔP|＜ε時(shí)，表明相鄰錨桿所對(duì)應(yīng)圍巖的特性具有一致性；

[0040] 根據(jù)預(yù)估的巖石硬度系數(shù)，采用同等方式，依據(jù)步驟4)設(shè)定的最優(yōu)推進(jìn)力和旋轉(zhuǎn)速度，指導(dǎo)鉆機(jī)推進(jìn)力與回轉(zhuǎn)速度的同步動(dòng)作；當(dāng)|ΔP|≥ε時(shí)，表明相鄰錨桿所對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)

圍巖特性存在一定差異，考慮到推進(jìn)系統(tǒng)比回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)鉆孔質(zhì)量和效率的影響更為顯著，

根據(jù)采集得到的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力，采用主從方式，保持鉆機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)整鉆機(jī)推進(jìn)力，使鉆

機(jī)在鉆進(jìn)過程中能動(dòng)態(tài)適應(yīng)局部圍巖差異；記推進(jìn)力調(diào)節(jié)增量為ΔF，推進(jìn)力調(diào)節(jié)比例增益

為kF，則調(diào)整后推進(jìn)力Fv′記為F′v＝Fv+ΔF，ΔF＝kFΔP；

[0041] 52)當(dāng)相鄰錨桿所對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)圍巖存在差異性時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力呈現(xiàn)低頻抖動(dòng)信號(hào)特性；采用一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行低頻濾波，消除壓力抖振信號(hào)對(duì)推進(jìn)力調(diào)節(jié)的影響；記k階段原

始回轉(zhuǎn)壓力為Pr(k)，低頻濾波器傳遞函數(shù)為H(s)，則有P(k)＝Pr(k)H(s)，H(s)＝1/(Ts+1)。

[0042] 前述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟6)的具體內(nèi)容為：

[0043] 61)采用二階自抗擾控制器，分別實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)力控制和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制；自抗擾控制器由三個(gè)部分組成：微分跟蹤器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差

反饋控制率；

[0044] 62)記被控量給定值為R，R在過渡過程中的期望序列及其一階微分分別為v1和v2，采樣步長(zhǎng)為h，濾波因子為h0，最優(yōu)控制函數(shù)為fhan()，速度因子為r，v1當(dāng)前時(shí)刻t采樣值為

v1(t)，下一時(shí)刻t+1預(yù)測(cè)采樣值為v1(t+1)，初始給定R(0)即為預(yù)先設(shè)定的給定值，R即R(t)，

均為給定值，其他所有變量在t＝0時(shí)刻的初始值均設(shè)定為0；微分跟蹤器為：

其中，fhan()可表示為：

[0045][0046] 63)記狀態(tài)變量為z1和z2，總干擾量為z3，非線性函數(shù)為fal()，系統(tǒng)輸出量為y，觀測(cè)器增益為β01、β02、β03和參數(shù)b0，擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為:

其中，fal()可表示為：

[0047] 64)記比例增益和微分系數(shù)為β11和β12，非線性反饋輸出為u0，非線性系數(shù)為a1、a2，設(shè)計(jì)非線性狀態(tài)誤差反饋控制率為：

[0048] 前述的一種錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述步驟7)的具體內(nèi)容為：

[0049] 71)基于Matlab和AMESim的聯(lián)合仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自抗擾控制器以及錨桿鉆機(jī)物理系統(tǒng)搭建；

[0050] 72)合理調(diào)節(jié)控制器參數(shù)r、h0、β01、β02、β03、β11、β12和b0，使系統(tǒng)跟蹤誤差在t→∞時(shí)收斂到零；

[0051] 73)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提的錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制方法有效性和合理性。[0052] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本發(fā)明適用于錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制，解決了傳統(tǒng)鉆機(jī)控制對(duì)操作人員工作經(jīng)驗(yàn)依賴性大的問題。鉆機(jī)根據(jù)圍巖性狀，自適應(yīng)調(diào)整

推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)速度，從而減少鉆機(jī)斷桿、別桿等故障，提高工作效率和掘進(jìn)速度，為鉆機(jī)自

動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)。

附圖說明[0053] 圖1是錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)示意圖；[0054] 圖2是基于復(fù)合方式的錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制框圖；[0055] 圖3是基于Matlab和AMESim的聯(lián)合仿真平臺(tái)；[0056] 圖4是推進(jìn)系統(tǒng)響應(yīng)曲線；[0057] 圖5是回轉(zhuǎn)系統(tǒng)響應(yīng)曲線；[0058] 圖6是砂質(zhì)泥巖鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)壓差；[0059] 圖7是圍巖性狀變化時(shí)的濾波后回轉(zhuǎn)壓差；[0060] 圖8是圍巖性狀變化時(shí)的推進(jìn)力自適應(yīng)控制性能；[0061] 圖9是圍巖性狀變化時(shí)的巖石硬度系數(shù)估計(jì)值。[0062] 圖中附圖標(biāo)記的含義：[0063] 1?三相異步電機(jī)，2?雙聯(lián)齒輪定量泵，3?高壓濾油器，4?安全閥，5?三位四通電液比例閥控制信號(hào)，6?三位四通電液比例閥，7?液壓馬達(dá)，8?回轉(zhuǎn)負(fù)載，9?第一冷卻器，10?第

二冷卻器，11?比例溢流閥，12?電磁方向閥控制信號(hào)，13?電磁方向閥，14?液壓油缸，15?推

進(jìn)負(fù)載，16?油箱。

具體實(shí)施方式[0064] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

[0065] 本專利根據(jù)圍巖性狀來設(shè)定最優(yōu)推進(jìn)力和最優(yōu)轉(zhuǎn)速，采用復(fù)合方式協(xié)調(diào)鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并考慮到錨桿鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的非線性以及多干擾特性，采用自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)

鉆機(jī)推進(jìn)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的獨(dú)立控制。

[0066] 錨桿鉆機(jī)推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制是實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)整機(jī)自動(dòng)化和機(jī)器人化的重要組成部分，對(duì)實(shí)施錨護(hù)過程的智能化具有深遠(yuǎn)意義。

[0067] 本實(shí)施例中，錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)中設(shè)備核心參數(shù)取值，如表1所示。實(shí)際采集的鳳凰山煤礦巷道圍巖數(shù)據(jù)，如表2所示。

[0068] 表1錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)備核心參數(shù)取值[0069][0070] 表2鳳凰山煤礦巷道圍巖強(qiáng)度[0071][0072][0073] 根據(jù)自抗擾控制器各待整定參數(shù)的功能及其對(duì)控制性能的影響，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定推進(jìn)回路自抗擾控制器的參數(shù)為：r＝20000，h0＝0.005，β01＝680.8，β02＝5884，β03＝

10000，β11＝300，β12＝0，b0＝2.97；回轉(zhuǎn)回路自抗擾控制器的參數(shù)為：r＝20000，h0＝0.005，

β01＝30，β02＝1000，β03＝0，β11＝500，β12＝0，b0＝5.65；低頻濾波器的時(shí)間常數(shù)為T＝0.1；推

進(jìn)力比例調(diào)節(jié)系數(shù)kF＝13.84，差異度設(shè)定為ε＝0.5。

[0074] 首先，驗(yàn)證推進(jìn)系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的獨(dú)立控制性能。以砂質(zhì)泥巖構(gòu)成的頂板為例，其巖石硬度系數(shù)約為f＝4.5。由此，獲得最優(yōu)推進(jìn)力為576N，最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度為453.3rpm。采用

自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)的推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)速度控制的響應(yīng)曲線，分別見附圖4和附圖5，回轉(zhuǎn)壓力

見附圖6。

[0075] 由附圖4、5可以看出，采用自抗擾控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)速度的快速、無超調(diào)跟蹤。由附圖6所示的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力變化曲線可以看出，在2.2s之前，由回轉(zhuǎn)壓差產(chǎn)

生的轉(zhuǎn)矩主要用于鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；2.2s以后，當(dāng)鉆機(jī)以設(shè)定轉(zhuǎn)速接觸頂板沙質(zhì)泥巖時(shí)，回轉(zhuǎn)壓差

產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩主要用于克服巖石阻力矩；但是，回轉(zhuǎn)壓差會(huì)出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，其振蕩幅值逐

漸衰減。如果直接根據(jù)該壓差信號(hào)，控制推進(jìn)力，會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)推進(jìn)力出現(xiàn)低頻抖振，最終會(huì)

嚴(yán)重影響推進(jìn)系統(tǒng)控制性能。因此，本專利采用低頻濾波器，對(duì)采集的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓差信號(hào)進(jìn)

行濾波，利用濾波后壓差信號(hào)修改最優(yōu)推進(jìn)力給定值，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

[0076] 其次，驗(yàn)證圍巖存在一定差異性時(shí)，所提推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)性能?；诒?列出的鳳凰山礦巷道圍巖性狀，鉆機(jī)從巖石硬度系數(shù)估計(jì)值為f＝4.5的砂質(zhì)泥巖中，依次進(jìn)

入巖石硬度系數(shù)為f＝7.7的中砂巖和巖石硬度系數(shù)為f＝3.2的較軟砂質(zhì)泥巖中，獲得相應(yīng)

的最優(yōu)推進(jìn)力分別為576N、985.6N和409.6N。在該鉆進(jìn)過程中，濾波后回轉(zhuǎn)壓差見附圖7，協(xié)

同自適應(yīng)控制性能見附圖8，預(yù)測(cè)的巖石硬度系數(shù)見附圖9。

[0077] 當(dāng)鉆機(jī)從砂質(zhì)泥巖剛進(jìn)入中砂巖時(shí)，回轉(zhuǎn)壓差會(huì)存在較大幅度的變化，且與巖石硬度系數(shù)成正比變化，如附圖7所示。如附圖8所示，上一鉆進(jìn)過程中的濾波后回轉(zhuǎn)壓力信

號(hào)，即鉆機(jī)在f＝4.5的砂質(zhì)泥巖鉆進(jìn)時(shí)采集到的回轉(zhuǎn)壓力，在濾波后大約為31.4bar；當(dāng)鉆

機(jī)剛進(jìn)入中砂巖時(shí)，回轉(zhuǎn)壓力差變大，實(shí)際的巖石硬度系數(shù)大于預(yù)估的巖石硬度系數(shù)，可以

判定圍巖性狀發(fā)生變化，需要增大推進(jìn)力；當(dāng)鉆機(jī)從中砂巖進(jìn)入較軟砂質(zhì)泥巖，回轉(zhuǎn)壓力差

變小，實(shí)際的巖石硬度系數(shù)小于預(yù)估的巖石硬度系數(shù)，可以判定圍巖性狀發(fā)生變化，需要減

小推進(jìn)力；由圖8可見，推進(jìn)力的跟蹤性能優(yōu)越，無穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)，但是由于回轉(zhuǎn)速度響應(yīng)

緩慢，所以推進(jìn)力的調(diào)節(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)。如果不采用本專利所提出的協(xié)同控制方法，推進(jìn)系

統(tǒng)會(huì)一直保持砂質(zhì)泥巖的最優(yōu)推進(jìn)力為576N；當(dāng)圍巖性狀發(fā)生變化時(shí)，由于推進(jìn)力給定值

不能自適應(yīng)變化，導(dǎo)致鉆機(jī)效率變低，鉆孔質(zhì)量變差。由附圖9可以看出，利用巖石破碎比

功，得到的預(yù)估巖石硬度系數(shù)精度較高，但是，由于回轉(zhuǎn)速度響應(yīng)緩慢，導(dǎo)致預(yù)估響應(yīng)時(shí)間

在3.5s左右。

[0078] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形

也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。