CN113073968A - 一种钻进参数自适应调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻进参数自适应调节方法及系统，属于自动控制领域。该系统包括卡钻概率监测与调节系统，排渣顺畅监测与调节系统，以及锚固稳定性监测与调节系统；钻进参数的调节综合考虑了卡钻概率、排渣效果、锚固稳定性和施工效率，可有效地保障参数调节的有效性、安全性，确保钻机高效、稳定工作。用于对比的临界值都是通过大量钻孔试验和现场数据获得，确保了本调节方法的工程实用性，避免了调节规则与现场工况脱节的情况。对执行机构和液压系统进行双闭环控制，监测效果更全面，调节精度更高。用迭代优化算法替代简单的闭环调节，计算效率更高。

Description

一种钻进参数自适应调节方法及系统

技术领域

本发明属于自动控制领域，涉及一种钻进参数自适应调节方法及系统。

背景技术

目前使用的大多数钻机一般采用全液压驱动与控制，其主要压力参数一般采用压力表进行显示，钻进参数(主要指旋转、推进速度)通过人工调节对应的液压阀或泵的参数(压力、流量等)来实现。参数调整步骤如下：首先，人员观察钻机操作系统显示的各项压力、钻机钻进系统以及孔内返渣等现场情况；然后，根据经验判断当前旋转、推进速度是否合理；最后，手动调节旋转、推进控制对应的阀的压力或者流量，实现钻进参数的调节。

近年来，随着自动化钻机的逐渐普及，传统的手动参数调节已难以适应钻机发展的需求，也出现了一些自动化的参数调节方法。但是现有的自动化调节方法均为简单的闭环控制，即在调节某一控制参数的基础上，直接或间接测量其实时值，将实时值与预设值进行对比，再次进行调节，不断重复此过程，直至达到允许的误差范围。钻进参数现有技术的典型专利如下：

(1)一种矿用液压钻机的全自动控制方法(201410394711.1)所公开的技术中，在执行机构速度控制方面，监测执行机构的当前位置，并与设定目标区间进行比较，从而反馈、修正执行机构定位运动的速度；同样地，在推进速度调整方面，通过实时计算的knx值与经验库提供的多个数值区间比较，从而进行推进速度的调整。

(2)智能化安全高效钻进自动控制系统及控制方法(201710056408.4)所公开的技术中，利用实时监测的驱动参数和钻进参数生成沿钻进深度的曲线，并与初始参照曲线对比，根据差值比例区间，调节回转速度、钻进速度等，且调节的比例范围也为事先设定。

(3)一种钻机钻进参数调整方法和系统(201910052049.4)所公开的技术中，通过监测流量实现对动力头转速、给进压力等的间接监测，并将测得的实际值与设定值比较，从而调整对应电磁阀的调整方向。

现有技术仅简单地考虑执行机构的误差，与理论值对比、修正，形成简单的闭环反馈调整，未全面、综合地考虑钻机承载能力、机身稳定性、施工效率等因素，容易造成钻进效率低下或钻进事故等不良后果，难以满足现场应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钻进参数自适应调节方法及系统。

1.解决参数调节考虑因素单一，未能综合考虑钻机稳定性、卡钻可能性等因素而造成的调节效果不佳的问题；

2.解决理论对比值人为设定，工程实践性差的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钻进参数自适应调节系统，包括卡钻概率监测与调节系统，排渣顺畅监测与调节系统，以及锚固稳定性监测与调节系统；

所述卡钻概率监测与调节系统包括电磁阀组I、钻进调节液压系统、钻进执行机构、钻进监测传感器组、卡钻概率计算模块和液压监测传感器组；

核心控制器将钻进控制指令转化为电磁阀组I可识别的代码，并控制电磁阀组I按照代码控制自身的通断、开度和调节比例，从而控制钻进调节液压系统中对应的液压阀，使液压系统达到指定的压力和流量，从而驱动钻机的动力头达到指定的转速和输出扭矩，驱动推进机构达到指定的给进速度和给进力；

钻进过程中，钻进传感器组实时监测钻进执行机构状态，液压监测传感器组实时监测钻进调节液压系统状态，并将监测结果传递给卡钻概率计算模块，用于实时计算卡钻概率值，并与临界值比较；根据比较结果对液压系统进行调节，从而达到调节钻进执行机构的目的，形成闭环控制；

所述排渣顺畅监测与调节系统包括电磁阀组II、排渣介质控制阀、排渣通道、通道压力传感器、介质阀传感器组以及排渣顺畅系数计算模块；

核心控制器将排渣介质控制指令转化为电磁阀组II可识别的代码，并控制电磁阀组II按照代码控制自身的通断、开度和调节比例，从而控制排渣介质控制阀，使排渣通道中的排渣介质达到指定的压力、流量，达到排出钻渣的目的；

钻进排渣过程中，通道压力传感器实时监测排渣通道中的介质压力，介质阀传感器组实时监测介质源输出的压力和流量，并将监测结果传递给排渣顺畅系数计算模块，用于实时计算排渣顺畅系数，并与临界值比较；根据比较结果对介质阀和钻进液压系统进行调节，从而达到同时调节钻进执行机构和介质压力、流量的目的，形成闭环控制；

所述锚固稳定性监测与调节系统包括电磁阀组III、锚固液压系统、锚固油缸、锚固状态传感器组、锚固液压传感器组以及锚固力计算模块；

核心控制器将锚固控制指令转化为电磁阀组III可识别的代码，并控制电磁阀组III按照代码控制自身的通断、开度和调节比例，从而控制锚固液压系统中的液压阀，使液压系统达到指定的压力、流量，从而驱动锚固油缸产生足够的锚固力，达到钻机机身稳定锚固的目的；

钻进过程中，钻进传感器组实时监测钻进执行机构状态，锚固状态传感器组实时锚固油缸自身压力以及与巷道顶底板之间的锚固力，并将监测结果传递给锚固力计算模块，用于实时计算锚固力，并与临界值比较；根据比较结果对锚固和钻进液压系统进行调节，形成闭环控制。

可选的，所述钻进传感器组包括：用于监测动力头转速的转速传感器，用于监测动力头输出扭矩的扭力传感器，用于监测推进力的压力传感器和用于监测推进位移的位移传感器；

所述液压监测传感器组包括：用于监测推进、旋转、系统总体压力的压力传感器、监测推进、旋转以及系统总流量的流量传感器、监测液压系统油温的温度传感器；

所述卡钻概率计算模块中使用的卡钻概率计算与比较方法如下：

卡钻概率采用加权平均法进行计算，如式(1)

式中：k_x为卡钻系数；p₁为旋转压力实测值；p_1max为控制系统设定的最大旋转压力；p₂为推进压力实测值；p_2max为控制系统设定的最大推进压力；p₁'为旋转压力变化率实测值；p_1max'为控制系统设定的旋转压力最大变化率；p₂'为推进压力变化率实测值；p_2max'为控制系统设定的推进压力最大变化率；v为推进速度实测值；v_max为控制系统设定的最大推进速度；a、b、c、d、e为加权系数，表征对应参数对卡钻概率的影响程度，不同的地质条件对应不同的系数值，且a+b+c+d+e＝1；

通过钻孔试验，获得针对某个煤矿地质条件的p₁、p₂、p'₁和p'₂的最大理论值，以及加权系数理论值，代入式(1)，求得该煤矿的卡钻概率临界值k_x0；根据钻孔试验结果，选取一个k_x1，用于表征不卡钻情况下的可接受的最慢钻进速度；

调节规则：

当k_x1≤k_x≤k_x0时，认为钻机当前处于稳定钻进状态，无需调整钻进参数；当k_x≤k_x1时，增加推进速度；k_x≥k_x0时，降低推进速度。

可选的，所述通道压力传感器设置在钻杆内外壁；

介质阀传感器组包括：用于监测介质源输出压力的压力传感器和监测输出流量的流量传感器；

排渣顺畅系数计算模块中使用的排渣顺畅系数计算与比较方法如下：

排渣顺畅系数采用真分数法进行构建，如式(2)

式中：Δp为实时压差；Δp₀为排渣顺畅时的介质压差；p_r为实测通道介质压力；p_C为排渣顺畅时的介质压力；S_C1为最小排渣系数，表示可实现排渣的最小的S_C值；

p_r>p_C，排渣顺畅时式(2)的值必然小于1，为真分数；只要有介质排出，有p₀>p_C且p₀>p_r，S_C的值大于0；

S_C1求解方法：首先，假设排渣介质流动处于理想的顺畅状态，排渣顺畅介质压力p_C取最小值p_Cmin；然后，设在同样钻孔设计中刚好可实现排渣，实测介质压力p_r取最大值p_rmax；将p_Cmin和p_rmax代入式(2)求得S_C1；p_Cmin和p_rmax均可通过钻孔试验获得；

调节规则：

当S_C1≤S_C≤1时，钻进过程排渣顺畅，无需调节排渣介质阀；但是当S_C的值较为接近S_C1时，需要提高推进速度，尽量使S_C的值接近并小于1；S_C>1时，排渣不畅，需要加大排渣介质流量，同时降低推进速度。

可选的，所述锚固状态传感器组包括：用于监测锚固油缸压力的压力传感器，用于监测锚固油缸行程的位移传感器，用于监测油缸与巷道顶底板间锚固力的应力传感器；

锚固液压传感器组包括：用于锚固液压系统压力的压力传感器和流量传感器；

钻机钻进过程中，锚固稳定的条件为锚固油缸与巷道顶底板之间总摩擦力不小于推进反作用力的水平分量与振动水平惯性力之和；当机身向下振动达到振幅时，振动加速度竖直分量a₁向上且达到最大值，得到由以下六个方程构成的方程组(3)：

式中：μ₁为上锚固与巷道顶面间的静摩擦系数；μ₂为下锚固与巷道底面间的静摩擦系数；P_N为锚固油缸工作压力；S_N为锚固油缸活塞面积；m为钻孔机器人质量；a₁为振动加速度竖直分量；a₂为振动加速度水平分量；P_t为推进油缸工作压力；S_N为推进油缸活塞面积；

求解方程组(3)得：

当机身向上振动达到振幅时，振动加速度竖直分量a₁向下且达到最大值，求得：

则钻进过程中的锚固稳定条件为：

调节规则：

当P_t超过式(6)限定值时，钻机降低推进速度，同时自检锚固油缸压力以及与顶底板之间的锚固力是否达到所需标准；若为锚固力不足造成的锚固不稳，则通过提高油缸压力的方式增加锚固力，并逐步提高推进速度；若锚固力足够，则保持降低后的推进速度进行钻进。

可选的，该方法包括参数自适应调节和参数迭代优化；

所述参数自适应调节为：

钻进时，钻进参数的调节将通过核心控制器综合分析卡钻概率监测与调节系统，排渣顺畅监测与调节系统，以及锚固稳定性监测与调节系统的监测与计算结果来决定，具体规则如下：

1)式(1)、(2)、(6)至少一个的实时求解值恰好达到规定的临界值，此时钻进效率较高、卡钻概率低、排渣顺畅、机身锚固稳定，应保持当前钻进速度；

2)式(1)、(2)、(6)的实时求解值均未达到临界值，此时钻进效率较低，需要提高钻进速度，使式(1)、(2)、(6)的实时求解值中至少一个达到临界值；

3)式(1)、(2)、(6)至少一个的实时求解值已经超过临界值，存在较大的卡钻、抱钻可能性，应立即降低钻进速度，直到全部实时求解值均不超过临界值；

所述参数迭代优化为：

钻机在施工过程中可能遇到各种不同的地质条件，对应每种地质条件的适用钻进参数有多种组合，每种组合都构成一个控制向量：

式中，C_ik为第i种岩性对应的第k个控制向量，k＝1，2…n；

迭代优化过程如下：

首先，核心控制器分析钻进监测传感器组实时反馈的参数，选择较合适的初始控制向量；再通过前述三个子系统获得的三个系数求解公式，反复地监测参数、计算系数、对比临界值，对钻进参数进行迭代优化，直到有实时求解值达到临界值；钻机保持优化参数进行钻进，并将此时的钻进参数组成的向量进行存储，供后续调用；

假设选取C_ij为初始控制向量，写作

上标代表迭代次数；则后续迭代计算如下：

式中：F_i为第i种岩性对应的迭代系数，由钻进试验获得；C_ip、C_iq、C_ir、C_is为从向量空间C_i中随机选取的非最优控制向量。

本发明的有益效果在于：

1.钻进参数的调节综合考虑了卡钻概率、排渣效果、锚固稳定性和施工效率，可有效地保障参数调节的有效性、安全性，确保钻机高效、稳定工作。

2.用于对比的临界值都是通过大量钻孔试验和现场数据获得，确保了本调节方法的工程实用性，避免了调节规则与现场工况脱节的情况。

3.对执行机构(钻进执行机构、排渣通道、锚固油缸)和液压系统进行双闭环控制，监测效果更全面，调节精度更高。

4.采用迭代优化算法替代简单的闭环调节，计算效率更高。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为调节系统图；

图2为锚固状态受力分析图。

附图标记：1-下锚固油缸；2-钻孔机器人机身；3-上锚固油缸。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

1.系统组成与调节方法

本申请所涉及的方法和系统由钻机核心控制器、卡钻概率监测与调节系统、排渣顺畅监测与调节系统以及锚固稳定性监测与调节系统三个子系统构成。如图1所示。

(1)卡钻概率监测与调节系统

卡钻概率计算与调节系统主要由电磁阀组I、钻进调节液压系统、钻进执行机构(动力头、推进机构等)、钻进监测传感器组(动力头转速、推进位移、输出扭矩、推进力等传感器)、卡钻概率计算模块、液压监测传感器组(压力、流量、温度等传感器)等构成。

其主要工作原理如下：

核心控制器将钻进控制指令转化为电磁阀组I可识别的代码，并控制电磁阀组I按照代码控制自身的通断、开度和调节比例等，从而控制钻进调节液压系统中对应的液压阀，使液压系统达到指定的压力、流量等参数，从而驱动钻机的动力头达到指定的转速和输出扭矩，驱动推进机构达到指定的给进速度和给进力。

钻进过程中，钻进传感器组实时监测钻进执行机构状态，液压监测传感器组实时监测钻进调节液压系统状态，并将监测结果传递给卡钻概率计算模块，用于实时计算卡钻概率值，并与临界值比较。根据比较结果对液压系统进行调节，从而达到调节钻进执行机构的目的，形成闭环控制。

上述钻进传感器组包括：用于监测动力头转速的转速传感器，用于监测动力头输出扭矩的扭力传感器，用于监测推进力的压力传感器，用于监测推进位移的位移传感器。

上述液压监测传感器组包括：用于监测推进、旋转、系统总体压力的压力传感器、监测推进、旋转以及系统总流量的流量传感器、监测液压系统油温的温度传感器。

上述卡钻概率计算模块中使用的卡钻概率计算与比较方法如下：

卡钻概率值采用加权平均法进行计算，如式(1)

式中：k_x为卡钻系数；p₁为旋转压力实测值；p_1max为控制系统设定的最大旋转压力；p₂为推进压力实测值；p_2max为控制系统设定的最大推进压力；p₁'为旋转压力变化率实测值；p_1max'为控制系统设定的旋转压力最大变化率；p₂'为推进压力变化率实测值；p_2max'为控制系统设定的推进压力最大变化率；v为推进速度实测值；v_max为控制系统设定的最大推进速度；a、b、c、d、e为加权系数，表征对应参数对卡钻概率的影响程度，不同的地质条件对应不同的系数值，且a+b+c+d+e＝1。

通过钻孔试验，获得针对某个煤矿地质条件的p₁、p₂、p'₁和p'₂的最大理论值，以及加权系数理论值，代入式(1)，即可求得该煤矿的卡钻概率临界值k_x0。同时，根据钻孔试验结果，选取一个k_x1，用于表征不卡钻情况下的可接受的最慢钻进速度。

调节规则：

当k_x1≤k_x≤k_x0时，即认为钻机当前处于稳定钻进状态，无需调整钻进参数；当k_x≤k_x1时，则钻进速度过慢，需增加推进速度；k_x≥k_x0时，则钻进速度过快，较易发生卡钻现象，需降低推进速度。

(2)排渣顺畅监测与调节系统

排渣顺畅计算与调节系统主要由电磁阀组II、排渣介质控制阀、排渣通道、通道压力传感器、介质阀传感器组以及排渣顺畅系数计算模块等构成。

其主要工作原理如下：

核心控制器将排渣介质控制指令转化为电磁阀组II可识别的代码，并控制电磁阀组II按照代码控制自身的通断、开度和调节比例等，从而控制排渣介质控制阀，使排渣通道中的排渣介质达到指定的压力、流量，达到排出钻渣的目的。

钻进排渣过程中，通道压力传感器实时监测排渣通道中的介质压力，介质阀传感器组实时监测介质源输出的压力和流量，并将监测结果传递给排渣顺畅系数计算模块，用于实时计算排渣顺畅系数，并与临界值比较。根据比较结果对介质阀和钻进液压系统进行调节，从而达到同时调节钻进执行机构和介质压力、流量的目的，形成闭环控制。

上述通道压力传感器：设置在钻杆内外壁。

上述介质阀传感器组包括：用于监测介质源输出压力的压力传感器和监测输出流量的流量传感器。

上述排渣顺畅系数计算模块中使用的排渣顺畅系数计算与比较方法如下：

排渣顺畅系数采用真分数法进行构建，如式(2)

式中：Δp为实时压差；Δp₀为排渣顺畅时的介质压差；p_r为实测通道介质压力；p_C为排渣顺畅时的介质压力；S_C1为最小排渣系数，表示可实现排渣的最小的S_C值。

根据一般流体力学可知，p_r>p_C，因此排渣顺畅时式(2)的值必然小于1，为真分数。此外，只要有介质排出，必然有p₀>p_C且p₀>p_r。因此，S_C的值大于0。

S_C1求解方法：首先，假设排渣介质流动处于理想的顺畅状态，排渣顺畅介质压力p_C取最小值p_Cmin；然后，假设在同样钻孔设计中刚好可实现排渣，实测介质压力p_r取最大值p_rmax；将p_Cmin和p_rmax代入式(2)便可求得S_C1。p_Cmin和p_rmax均可通过钻孔试验获得。

调节规则：

当S_C1≤S_C≤1时，钻进过程排渣顺畅，无需调节排渣介质阀；但是当S_C的值较为接近S_C1时，需要提高推进速度，尽量使S_C的值接近并小于1。S_C>1时，排渣不畅，需要加大排渣介质流量，同时降低推进速度。

(3)锚固稳定性监测与调节系统

锚固稳定性计算与调节系统主要由电磁阀组III、锚固液压系统、锚固油缸、锚固状态传感器组、锚固液压传感器组以及锚固力计算模块等构成。

其主要工作原理如下：

核心控制器将锚固控制指令转化为电磁阀组III可识别的代码，并控制电磁阀组III按照代码控制自身的通断、开度和调节比例等，从而控制锚固液压系统中的液压阀，使液压系统达到指定的压力、流量等参数，从而驱动锚固油缸产生足够的锚固力，达到钻机机身稳定锚固的目的。

钻进过程中，钻进传感器组实时监测钻进执行机构状态，锚固状态传感器组实时锚固油缸自身压力以及与巷道顶底板之间的锚固力，并将监测结果传递给锚固力计算模块，用于实时计算锚固力，并与临界值比较。根据比较结果对锚固和钻进液压系统进行调节，形成闭环控制。

上述锚固状态传感器组包括：用于监测锚固油缸压力的压力传感器，用于监测锚固油缸行程的位移传感器，用于监测油缸与巷道顶底板间锚固力的应力传感器。

上述锚固液压传感器组包括：用于锚固液压系统压力的压力传感器和流量传感器。

钻机钻进过程中锚固受力如图2所示；θ表示钻孔倾角；N₁表示上锚固正压力；N₂表示下锚固正压力；f₁表示上锚固油缸与巷道顶面间的摩擦力；f₂表示下锚固油缸与巷道底面间的摩擦力；F_t表示推进反作用力；F_a1表示竖直方向惯性力；F_a2表示水平方向惯性力。锚固稳定的条件为锚固油缸与巷道顶底板之间总摩擦力不小于推进反作用力的水平分量与振动水平惯性力之和。当机身向下振动达到振幅时，振动加速度竖直分量a₁向上且达到最大值，则可得到由以下六个方程构成的方程组(3)：

式中：μ₁为上锚固与巷道顶面间的静摩擦系数；μ₂为下锚固与巷道底面间的静摩擦系数；P_N为锚固油缸工作压力；S_N为锚固油缸活塞面积；m为钻孔机器人质量；a₁为振动加速度竖直分量；a₂为振动加速度水平分量；P_t为推进油缸工作压力；S_N为推进油缸活塞面积。

求解方程组(3)可得：

当机身向上振动达到振幅时，振动加速度竖直分量a₁向下且达到最大值，同理可求得：

则钻进过程中的锚固稳定条件为：

调节规则：

当P_t超过式(6)限定值时，钻机降低推进速度，同时自检锚固油缸压力以及与顶底板之间的锚固力是否达到所需标准。若为锚固力不足造成的锚固不稳，则通过提高油缸压力的方式增加锚固力，并逐步提高推进速度；若锚固力足够，则保持降低后的推进速度进行钻进。

2.钻进参数自适应调节规则与迭代优化方法

(1)参数自适应调节规则

钻进时，上述三个子系统同时工作，钻进参数的调节将通过核心控制器综合分析三个子系统的监测与计算结果来决定，而不是单纯地只依靠其中一个系统。具体规则如下：

1)式(1)、(2)、(6)至少一个的实时求解值恰好达到规定的临界值，此时钻进效率较高、卡钻概率低、排渣顺畅、机身锚固稳定，应保持当前钻进速度。

2)式(1)、(2)、(6)的实时求解值均未达到临界值，此时钻进效率较低，需要提高钻进速度，使式(1)、(2)、(6)的实时求解值中至少一个达到临界值。

3)式(1)、(2)、(6)至少一个的实时求解值已经超过临界值，存在较大的卡钻、抱钻可能性，应立即降低钻进速度，直到全部实时求解值均不超过临界值。

(2)参数迭代优化方法

钻机在施工过程中可能遇到各种不同的地质条件，对应每种地质条件的适用钻进参数可能有多种组合，每种组合都构成一个控制向量。

式中，C_ik为第i种岩性对应的第k个控制向量，k＝1，2…n。

迭代优化基本过程如下：

首先，核心控制器分析钻进监测传感器组实时反馈的参数，选择较合适的初始控制向量；再通过前述三个子系统获得的三个系数求解公式，反复地监测参数、计算系数、对比临界值，对钻进参数进行迭代优化，直到有实时求解值达到临界值；钻机保持优化参数进行钻进，并将此时的钻进参数组成的向量进行存储，供后续调用。

迭代优化算法如下：

假设选取C_ij为初始控制向量，写作

上标代表迭代次数。则后续迭代计算如下：

式中：F_i为第i种岩性对应的迭代系数，由钻进试验获得；C_ip、C_iq、C_ir、C_is为从向量空间C_i中随机选取的非最优控制向量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种钻进参数自适应调节系统，其特征在于：包括卡钻概率监测与调节系统，排渣顺畅监测与调节系统，以及锚固稳定性监测与调节系统；

所述卡钻概率监测与调节系统包括电磁阀组I、钻进调节液压系统、钻进执行机构、钻进监测传感器组、卡钻概率计算模块和液压监测传感器组；

核心控制器将钻进控制指令转化为电磁阀组I可识别的代码，并控制电磁阀组I按照代码控制自身的通断、开度和调节比例，从而控制钻进调节液压系统中对应的液压阀，使液压系统达到指定的压力和流量，从而驱动钻机的动力头达到指定的转速和输出扭矩，驱动推进机构达到指定的给进速度和给进力；

钻进过程中，钻进传感器组实时监测钻进执行机构状态，液压监测传感器组实时监测钻进调节液压系统状态，并将监测结果传递给卡钻概率计算模块，用于实时计算卡钻概率值，并与临界值比较；根据比较结果对液压系统进行调节，从而达到调节钻进执行机构的目的，形成闭环控制；

所述排渣顺畅监测与调节系统包括电磁阀组II、排渣介质控制阀、排渣通道、通道压力传感器、介质阀传感器组以及排渣顺畅系数计算模块；

核心控制器将排渣介质控制指令转化为电磁阀组II可识别的代码，并控制电磁阀组II按照代码控制自身的通断、开度和调节比例，从而控制排渣介质控制阀，使排渣通道中的排渣介质达到指定的压力、流量，达到排出钻渣的目的；

钻进排渣过程中，通道压力传感器实时监测排渣通道中的介质压力，介质阀传感器组实时监测介质源输出的压力和流量，并将监测结果传递给排渣顺畅系数计算模块，用于实时计算排渣顺畅系数，并与临界值比较；根据比较结果对介质阀和钻进液压系统进行调节，从而达到同时调节钻进执行机构和介质压力、流量的目的，形成闭环控制；

所述锚固稳定性监测与调节系统包括电磁阀组III、锚固液压系统、锚固油缸、锚固状态传感器组、锚固液压传感器组以及锚固力计算模块；

核心控制器将锚固控制指令转化为电磁阀组III可识别的代码，并控制电磁阀组III按照代码控制自身的通断、开度和调节比例，从而控制锚固液压系统中的液压阀，使液压系统达到指定的压力、流量，从而驱动锚固油缸产生足够的锚固力，达到钻机机身稳定锚固的目的；

钻进过程中，钻进传感器组实时监测钻进执行机构状态，锚固状态传感器组实时锚固油缸自身压力以及与巷道顶底板之间的锚固力，并将监测结果传递给锚固力计算模块，用于实时计算锚固力，并与临界值比较；根据比较结果对锚固和钻进液压系统进行调节，形成闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种钻进参数自适应调节系统，其特征在于：所述钻进传感器组包括：用于监测动力头转速的转速传感器，用于监测动力头输出扭矩的扭力传感器，用于监测推进力的压力传感器和用于监测推进位移的位移传感器；

所述液压监测传感器组包括：用于监测推进、旋转、系统总体压力的压力传感器、监测推进、旋转以及系统总流量的流量传感器、监测液压系统油温的温度传感器；

所述卡钻概率计算模块中使用的卡钻概率计算与比较方法如下：

卡钻概率采用加权平均法进行计算，如式(1)

式中：k_x为卡钻系数；p₁为旋转压力实测值；p_1max为控制系统设定的最大旋转压力；p₂为推进压力实测值；p_2max为控制系统设定的最大推进压力；p₁'为旋转压力变化率实测值；p_1max'为控制系统设定的旋转压力最大变化率；p₂'为推进压力变化率实测值；p_2max'为控制系统设定的推进压力最大变化率；v为推进速度实测值；v_max为控制系统设定的最大推进速度；a、b、c、d、e为加权系数，表征对应参数对卡钻概率的影响程度，不同的地质条件对应不同的系数值，且a+b+c+d+e＝1；

通过钻孔试验，获得针对某个煤矿地质条件的p₁、p₂、p'₁和p'₂的最大理论值，以及加权系数理论值，代入式(1)，求得该煤矿的卡钻概率临界值k_x0；根据钻孔试验结果，选取一个k_x1，用于表征不卡钻情况下的可接受的最慢钻进速度；

调节规则：

当k_x1≤k_x≤k_x0时，认为钻机当前处于稳定钻进状态，无需调整钻进参数；当k_x≤k_x1时，增加推进速度；k_x≥k_x0时，降低推进速度。

3.根据权利要求2所述的一种钻进参数自适应调节系统，其特征在于：所述通道压力传感器设置在钻杆内外壁；

介质阀传感器组包括：用于监测介质源输出压力的压力传感器和监测输出流量的流量传感器；

排渣顺畅系数计算模块中使用的排渣顺畅系数计算与比较方法如下：

排渣顺畅系数采用真分数法进行构建，如式(2)

式中：Δp为实时压差；Δp₀为排渣顺畅时的介质压差；p_r为实测通道介质压力；p_C为排渣顺畅时的介质压力；S_C1为最小排渣系数，表示可实现排渣的最小的S_C值；

p_r>p_C，排渣顺畅时式(2)的值必然小于1，为真分数；只要有介质排出，有p₀>p_C且p₀>p_r，S_C的值大于0；

S_C1求解方法：首先，假设排渣介质流动处于理想的顺畅状态，排渣顺畅介质压力p_C取最小值p_Cmin；然后，设在同样钻孔设计中刚好可实现排渣，实测介质压力p_r取最大值p_rmax；将p_Cmin和p_rmax代入式(2)求得S_C1；p_Cmin和p_rmax均可通过钻孔试验获得；

调节规则：

当S_C1≤S_C≤1时，钻进过程排渣顺畅，无需调节排渣介质阀；但是当S_C的值较为接近S_C1时，需要提高推进速度，尽量使S_C的值接近并小于1；S_C>1时，排渣不畅，需要加大排渣介质流量，同时降低推进速度。

4.根据权利要求3所述的一种钻进参数自适应调节系统，其特征在于：所述锚固状态传感器组包括：用于监测锚固油缸压力的压力传感器，用于监测锚固油缸行程的位移传感器，用于监测油缸与巷道顶底板间锚固力的应力传感器；

锚固液压传感器组包括：用于锚固液压系统压力的压力传感器和流量传感器；

钻机钻进过程中，锚固稳定的条件为锚固油缸与巷道顶底板之间总摩擦力不小于推进反作用力的水平分量与振动水平惯性力之和；当机身向下振动达到振幅时，振动加速度竖直分量a₁向上且达到最大值，得到由以下六个方程构成的方程组(3)：

式中：μ₁为上锚固与巷道顶面间的静摩擦系数；μ₂为下锚固与巷道底面间的静摩擦系数；P_N为锚固油缸工作压力；S_N为锚固油缸活塞面积；m为钻孔机器人质量；a₁为振动加速度竖直分量；a₂为振动加速度水平分量；P_t为推进油缸工作压力；S_N为推进油缸活塞面积；

求解方程组(3)得：

当机身向上振动达到振幅时，振动加速度竖直分量a₁向下且达到最大值，求得：

则钻进过程中的锚固稳定条件为：

调节规则：

当P_t超过式(6)限定值时，钻机降低推进速度，同时自检锚固油缸压力以及与顶底板之间的锚固力是否达到所需标准；若为锚固力不足造成的锚固不稳，则通过提高油缸压力的方式增加锚固力，并逐步提高推进速度；若锚固力足够，则保持降低后的推进速度进行钻进。

5.基于权利要求4所述系统的钻进参数自适应调节方法，其特征在于：该方法包括参数自适应调节和参数迭代优化；

所述参数自适应调节为：

钻进时，钻进参数的调节将通过核心控制器综合分析卡钻概率监测与调节系统，排渣顺畅监测与调节系统，以及锚固稳定性监测与调节系统的监测与计算结果来决定，具体规则如下：

1)式(1)、(2)、(6)至少一个的实时求解值恰好达到规定的临界值，此时钻进效率较高、卡钻概率低、排渣顺畅、机身锚固稳定，应保持当前钻进速度；

2)式(1)、(2)、(6)的实时求解值均未达到临界值，此时钻进效率较低，需要提高钻进速度，使式(1)、(2)、(6)的实时求解值中至少一个达到临界值；

3)式(1)、(2)、(6)至少一个的实时求解值已经超过临界值，存在较大的卡钻、抱钻可能性，应立即降低钻进速度，直到全部实时求解值均不超过临界值；

所述参数迭代优化为：

钻机在施工过程中可能遇到各种不同的地质条件，对应每种地质条件的适用钻进参数有多种组合，每种组合都构成一个控制向量：

式中，C_ik为第i种岩性对应的第k个控制向量，k＝1，2…n；

迭代优化过程如下：

首先，核心控制器分析钻进监测传感器组实时反馈的参数，选择较合适的初始控制向量；再通过前述三个子系统获得的三个系数求解公式，反复地监测参数、计算系数、对比临界值，对钻进参数进行迭代优化，直到有实时求解值达到临界值；钻机保持优化参数进行钻进，并将此时的钻进参数组成的向量进行存储，供后续调用；

假设选取C_ij为初始控制向量，写作

上标代表迭代次数；则后续迭代计算如下：

… (7)

式中：F_i为第i种岩性对应的迭代系数，由钻进试验获得；C_ip、C_iq、C_ir、C_is为从向量空间C_i中随机选取的非最优控制向量。

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