液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制_熊治敏.pdf

第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）（）文章编号：（）；：液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制熊治敏，林娜，池荣虎（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 ）摘要：大多数液压锚杆钻机转速控制主要依赖于工程技术人员的现场经验，在人工钻进不同岩层时，多采用固定转速，导致作业效率低、设备故障率高。本研究提出了钻机转速的无模型自适应控制算法。该算法仅利用系统的 数据，而不需要系统的精确机理模型信息，其可适应钻孔过程中岩层的变化以及快速性的要求。文中分别对无外界干扰和存在外部扰动两种情况进行仿真验证，结果表明：本研究所提出的无模型自适应控制方法能够实现对期望转速的快速跟踪，相比于 控制，具有更好的控制性能和较强的鲁棒性。关键词：锚杆钻机；动态线性化；无模型自适应控制中图分类号：文献标志码：引用格式：熊治敏，林娜，池荣虎液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制青岛科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：熊治敏（），男，硕士研究生 通信联系人 ，（，）：，：；青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷回转机构和推进机构是锚杆钻机的两个主要机械部分，其能否实现密切配合工作直接决定了锚杆钻机的整机性能以及钻孔的效率和质量。因此，改进钻机打眼进程的关键点在于整合控制钻机的推进与回转过程，以实现钻机的快速高效工作。通常，锚杆钻机控制方法主要依赖于工程技术人员的经验，通过手动调节机械装置和多位置阀来改变马达的油流量，其能量综合利用率以及工作效率较低，不仅会减慢钻孔速度，而且极易导致设备故障。因此，根据岩层的特点和性质来控制锚杆钻机的转速是非常必要的。钻机回转和推进部分的控制主要由液压油驱动的电液系统来实现。目前，国内外对电液控制系统执行机构驱动技术方面的研究日趋成熟。通过建立阀控液压马达系统的动态仿真模型，利用 控制器提高了系统的抗负载扰动性能。除此之外，有学者提出了电液比例阀控液压马达系统模糊 控制策略，其控制器参数实现了在线整定，并具有比常规 更好的动态响应特性和鲁棒性。针对一类存在固有非线性和参数不确定性的液压系统，设计了基于高增益观测器设计的非线性 控制方法，在高响应频率和大未知外部负载的临界条件下，保证了系统的稳定性。另外，电液比例阀具有典型的未知阀死区特性。因此，采用传统的控制方法很难保证好的控制效果。针对这个问题，有学者提出了一种自适应逆死区控制方法，基于 模糊模型设计自适应更新律，从而可在线估计逆死区参数。另外针对未知死区、参数不确定的电液伺服系统，提出了基于 方法的自适应鲁棒死区补偿控制器，将系统中的可变部分和摩擦力一起看作扰动，在控制器中引入鲁棒项来抑制它们。同时还有根据测量压力和转矩估计最优转速，设计了带有补偿比例阀死区影响的自适应鲁棒控制方案。然而，锚杆钻机回转系统存在固有的高度非线性、参数时变性与不确定性等特征，使得上述基于模型的控制策略在实际应用中遇到困难。无模型自适应控制（，）是数据驱动的方法，其不依赖精确的数学机理模型，而是在闭环系统的每一个动态工作点处建立等价的动态线性化数据模型，然后以此作为虚拟模型设计控制器，进而实现原非线性被控系统的自适应控制。目前，方法已成功用于智能电网、焊接过程、城市交通、自动泊车、无人驾驶汽车、大型船舶减摇等实际问题 。基于以上分析，本工作提出了液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制方案，并进行了仿真验证。回转系统建模与问题描述阀控液压锚杆钻机回转系统主要由电液比例换向阀、液压油泵、定量泵、液压马达及安全阀等主要部件构成，如图所示。阀控液压锚杆钻机回转系统工作原理为：三相异步电机驱动定量泵转子旋转，每次输出一定量的高压油，油液流经电液比例换向阀驱动液压马达旋转机构实现正反转，从而驱使输出轴钻孔。因而通过改变电液比例换向阀的阀芯开度大小可实时调节液压马达的输出转速，从而合理确定不同岩石硬度下的最佳转速。三相异步电机；安全阀；电液比例换向阀控制信号；电液比例换向阀；液压马达；回转负载；液压油箱；定量泵。图锚杆钻机液压原理图 由于液压连续旋转马达电液系统与传统的阀控液压系统相似，因此阀控液压系统的数学分析方法可用于该液压马达控制系统中。图中为给定最优转速，为钻杆转速。因为比例阀阀芯开度与驱动电流的关系等价为正比例环节，可得，（）其中，为电液比例阀增益系数；为阀驱动电流，；为电流作用下的阀芯相应位移，。第期熊治敏等：液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制图锚杆钻机转速自适应控制结构框图 比例阀的流量压力特性具有强非线性，通常是将其在零位区近似线性化处理，随着比例阀的磨损及阀芯工作点的变化，计算的精度必然降低。为了减小系统建模误差，可直接应用比例阀的非线性流量压力特性方程，（）其中：，（，）分别表示马达进、回油腔液压油流量，；代表阀口流量系数；为阀芯开口面积梯度，；代表系统供油压力，；代表回油压力，；，分别为液压马达进、回油腔压力值，；为液压油密度，。根据液体流量的连续性建立钻机回转系统微分方程为：?（）?，?（）?，（）其中为马达的排量系数，；为马达旋转输出角度，；为液压油有效体积弹性模量，；，分别为液压马达的内、外泄漏系数值，。，分别为马达进、回油腔的可控容积，；式中，和满足，；其中 和 分别为两腔初始容积。根据加速度定律，马达输出轴与其所承受的负载转矩平衡方程可以表示为：（）?，（）其中为输出轴的总惯性矩，；为油液黏性阻尼系数，；为输出轴等效刚度系数，；为输出轴负载转矩，。以液压马达的输出轴旋转角度、输出轴角速度和角加速度分别作为中间状态变量，表示为，?和；选择输出轴角位移变量作为系统输出，而电液比例阀的驱动电流作为控制输入，因此液压锚杆钻机回转系统可由以下状态和输出方程表示：?（）（），?（）（），?（）（）（）（）（）（），（）（）。（）其中，（），），（?），（）（），（）。这里，表示钻头切削量，取定值；和分别为钻头内、外径尺寸，本工作中选取，；为岩石硬度系数。最优转速的获取对某一类岩石，在施加特定轴向进给力时，存在最优转速。如果超过该最优转速值，即使转速增大，轴向进给速度也会下降。这是由于钻头刃部在切削破碎岩石时，钻速过快导致岩石的形变还得不到充裕时间向前传递，已破碎下来的岩块来不及经孔洞排出而造成重复破碎，钻进速度反而降低，从而造成钻头早期磨损。文献 研究表明：针对每类特定岩石，钻头存在一个最优转速，且该最优转速与岩石坚固性系数和钻头内外径之差的平方根乘积成反比。因此，其最优回转速度可表示为：，（）其中为有效回转直径，；为钻头切削速度常数，这里一般取 ，分别对应最优转速的下界与上界。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷 算法设计动态线性化令为采样周期，将式（）离散化，得（）（）（），（）（）（），（）（）（）（）（）（）（）（）（），（）（）。（）由式（）可得（）（）（）（）（），（）其中：，（），（）（），（）（），（）。在实际系统工作过程中，系数（，）中包含的、等结构参数时变。将式（）写成非线性形式（）（），（），（），（）。（）参考文献 ，对非线性系统（）做如下假设。假设非线性函数（）对其控制输入参数（）是可微的。假设系统（）中非线性函数（）对任意的，均满足广义 条件，有（）（），（），（）其中 是一个 常数。，（），（），（）。注钻机回转系统是一个非线性连续运动系统，动态平滑。当输入的驱动电流在比例电磁阀允许电流范围内时，比例阀的开度变化也有限。因此，假设自然成立。针对一般非线性系统（），在满足假设和的情况下，可以得到如下动态线性化引理。引理 考虑满足假设与假设的非线性回转系统（），当，（）时，一定存在一个称为伪梯度（，）的时变参数向量，（），得到（）的 模型：（），（），（），（）且对于任意时刻，（）（），（），（）总是有界的。注上述引理中，将系统当前时刻之前的一个固定长度的滑动时间窗口内所有输入数据对当前下一时刻输出数据的影响都考虑在 数据模型中。理论上，该方法可以很好地捕捉钻机回转系统中存在的多个复杂动态，并且基于多个参数的动态线性化方法也可有效地将这种复杂程度分散降低。控制器设计考虑如下最优控制输入准则函数（）（）（）（）（）（），（）其中是一个正权重因子。将式（）代入准则函数（）中，关于系统控制输入（）求极值，即（）（），从而可得控制算法的表达式：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（），（）其中（，（，）是一个正的步长因子，它的加入使得自适应控制算法更加灵活。由于参数向量，（）是未知的，并且它的每个元素（）也是未知的，因此式（）可重写成（）（）?（）（）（）?（）?（）?（）（）?（），（）这里?，（）是，（）的估计值。对，（）的在线估计算法可由下列准则函数的最优解得到：，（）（）（）（），（），（），（）?，（），（）其中是一个正权重因子。令方程（）关于，（）的偏导数为，根据矩阵求逆引理，可得：?，（）?，（），（）（）（），（）第期熊治敏等：液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制（?，（），（），（），（），（）其中，（是一个步长因子，使估计算法更具通用性。另外，为了增强该系统控制策略中 估计算法对时变参数的跟踪能力，引入了如下的伪梯度重置算法：?，（）?，（），?，（），或，（），或 （?（）（），（）其中是一个充分小的正常数，因此这里一般取 。综上所述，针对该锚杆钻机回转系统所设计的 控制方案由（）、（）和（）式组成。注上述 中的学习增益是时变的，可根据参数估计实时变化，因此对于外界干扰具有更强的鲁棒性，而在传统的 控制律中学习增益一旦选定就固定不变了，当干扰或者不确定的扰动出现时，学习增益不能随外界环境的变化自适应调整。注控制方案（）、（）和（）中包含参数，。从理论上来讲，因为，都是步长因子，且出现在控制律和参数更新律分子中，所以它们的值越大收敛速度越快，但在过渡过程中可能出现振荡，而和是用于平滑跟踪性能的加权因子则出现在分母中，较大的加权因子可能会减慢收敛速度。另外从无模型自适应控制方案的设计和分析过程可以看出，控制器的设计以及参数更新律与锚杆钻机回转系统所建立的实际机理模型、中间状态均无关，而是仅利用回转系统中的 数据来设计控制器，并且控制方案中也只有 参数需要在线估计及调整，因此在 框架下不存在传统的未建模动态问题。定理 针对非线性回转系统（），在满足假设、的条件下，且如果期望信号为常数，采用 控制方案（）、（）以及（），则存在一个参数 ，使得当 时有）系统实际输出的跟踪误差是渐近收敛的，且当趋 于 无 穷 时，跟 踪 误 差 趋 近 于，即 （）；）被 控 系 统 是 稳 定 的，即 输 出 序 列（）和输入序列（）是有界的。证明见文献 。实验仿真与结果分析为验证本工作所提出的液压钻机回转系统无模型自适应控制方案的有效性，针对地质环境中常出现的岩层突变导致的硬度系数阶跃变化的情况进行仿真模拟，并对比分析了常用的传统 控制方案。首先根据实际液压元器件特性得以确定钻机的电液回转系统参数，如表所示。表液压钻机回转系统标称参数 关键部件参数（单位）符号参数值回转系统供油压力 阀口流量系数 电液比例换向阀比例阀面积梯度（）电液比例阀增益系数（）液压油密度（）马达、比例阀和管道的可控容积 油液有效体积弹性模量 马达输出轴的总惯性矩（）液压马达液压马达排量（）液压马达与负载转矩的黏性阻尼系数（）马达总泄露系数（）液压马达轴总等效刚度系数（）这里模拟仿真钻机仅考虑对单一转速变量进行控制，因此在钻机运行过程中设定其每转切削进给量为，且轴向推进力也为恒定值。另外考虑系统采样时间间隔为 。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷当液压马达带动输出轴在岩层中钻进时，由于岩石硬度系数的差异，因此针对每类岩石都有特定的最优转速。这里考虑岩石强度系数发生阶跃性变化的地质条件，以晋城寺河煤矿岩层为例。如表所示，钻头依次由浅入深的钻进到砂质泥岩、细砂岩、中砂岩时，其中每一类岩石抗压强度和岩石硬度系数均发生了阶跃性变化且变化趋势不均匀。表晋城寺河矿围岩强度参数 岩石性质累计厚度厚度抗压强度 岩石硬度系数砂质泥岩 细砂岩 中砂岩 砂质泥岩 煤层 图表示种不同岩层对应下的最优转速与钻进时间关系。当钻头进入不同岩层时，根据所在岩石抗压强度系数，可估算出该岩层对应的最优回转速度。相应岩层的负载转矩如图所示。结合图和图可知，为了避免钻头过度磨损以及卡杆、断杆的情况发生，岩石硬度系数越大对应的钻杆负载转矩越大，其最优回转速度反而一定程度的降低。图最优回转速度 图负载转矩 选取 各参数值为，伪梯度以及控制输入、输出初始值分别设置为?，（），（）（），（）（），而（）；应用自适应控制方案（）、（）和（）式；仿真结果如图所示。图和图分别表示应用 方法系统的输出跟踪性能和跟踪误差的收敛性能。由图和图可以看出，所提出的 方法较为快速的实现对最优转速的跟踪。为了比较起见，同时应用传统的 控制方案，其控制律如下：（）（）（）（）（），（）其中，分别表示比例、积分、微分系数。在该仿真中，设 ，其初始值与 相同，应用传统的 控制律（），仿真结果如图中绿线和图中的红线所示：根据图可知：当钻机零启动时，启动时间较长，具有较为明显的转速超调，会对钻机造成危害，导致钻井效率低下；而采用无模型自适应控图转速跟踪性能曲线 第期熊治敏等：液压锚杆钻机转速的无模型自适应控制图转速跟踪误差曲线 制方法无论是零启动点还是岩层突变转折点都比 控制更快速跟踪上期望转速，且几乎无超调量。由图可以看出，在岩层突变时两种方案所导致的最大转速误差值并无明显差异；另外，对于这类岩层突变的情况 控制方案调整时间相对较长，约需要 左右才能重新达到期望转速，而 仅需要即可达到期望转速。图表示钻头在不同岩层下钻进时，其对应的比例阀输入驱动电流相应的阶跃变化。综合上述结果图及数据可以得出本工作设计的 控制器对这类岩石强度系数阶跃性变化的地质条件具有较好的稳态性能。图比例阀输入驱动电流 考虑到钻头钻进过程中存在诸多干扰因素，例如夹渣、岩层夹杂石块等，为验证所提出控制方案的鲁棒性能，在单一砂质泥岩的钻孔围岩条件下，当 时，给系统突加扭矩为 的外部扰动，其中 和 所选控制器参数与上述完全一致，仿真结果如图和图所示。由图和图中绿线所示，当突加特定的外部干扰时，控制器会产生转速震荡超调，并且需经过约至左右才能重新追踪到原期望转速，抗干扰能力较差，在实际运行环境中极可能影响它的稳定运行，从而导致钻井效率降低。图存在外部干扰的转速跟踪性能 图存在外部干扰的转速跟踪误差 相比之下，控制器在受到外部扰动时，也存在同样大小的超调量，但是在很短的时间内就迅速重新跟踪上期望转速，这表明其具有较强的鲁棒性；并且其稳态性能也明显优于上述 控制器，控 制 更为精 确，见 图和 图中 红 线 所示。因此，可以说本工作设计的 控制方案具有较强的抗干扰性能，也能更好地满足锚杆钻机这种存在多类外部干扰的实际系统的控制需要。结语针对液压锚杆钻机回转系统中存在的非线性特性、被控系统参数变化大、参数不确定以及难以建立精确的数学模型等问题，本工作提出了一种仅依靠系统中输入输出数据来设计转速控制器的无模型自适应控制方案。考虑在实际工程应用中，电控液压系统具有较强耦合性，因此在动态线性化时将当前时刻的一个固定长度滑动时间窗口内的所有输入变化量对下一时刻输出变化量的影响都纳入其中，从而给出了将实际被控系统偏格式动态线性化为只与其 有关的增量形式；进而分别设计了控制器以及未知参数向量的估计律。仿真研究表明：所提出的 方法相较于传统 控制方法能青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷有效克服系统非线性与参数不确定性的影响，降低系统参数调节的难度，提高系统的鲁棒性，能够实现对期望转速的快速有效跟踪。参考文献秦庚仁，周明连单体式液压锚杆钻机的综合效率分析与改进措施煤炭工程，（）：，（）：王晓瑜 浅谈 国 内外锚杆钻机现状与发展机电 一 体 化，（）：，（）：杨国来，王淏泽，郭龙，等 阀控液压马达动态特性控制的仿真研究液压气动与密封，（）：，（）：雷晓顺，侯帅，秦璇，等电液比例阀控液压马达系统的模糊 恒速控制流体传动与控制，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：侯忠生，许建新数据驱动控制理论及方法的回顾和展望自动化学报，（）：，（）：，：，赵艺，陆超，韩英铎多输入多输出无模型自适应广域阻尼控制器设计清华大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，：，（）：池荣虎，侯忠生基于匝道调节的快速路交通密度的无模型周期自适应控制方法 自动化学报，（）：，（）：侯忠生，董航瑞，金尚泰 基于坐标补偿的自动泊车系统无模型自适应控制自动化学报，（）：，（）：田涛涛，侯忠生，刘世达，等基于无模型自适应控制的无人驾驶汽车横向控制方法自动化学报，（）：，（）：马洁，陈智勇，侯忠生大型舰船综合减摇系统无模型自适应控制控制理论与应用，（）：，（）：贺立军新型全液压多功能锚杆钻机关键技术的研究武汉：中国地质大学，：，王静 回转切削式液压钻机钻进参数的匹配 机电产品开发与创新，（）：，（）：康红普，王金华煤巷锚杆支护理论与成套技术北京：煤炭工业出版社，：，（责任编辑姜丰辉）