長螺旋鉆機(jī)自適應(yīng)加壓入巖鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡均平，王聞城，劉成沛

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引言

目前城市建設(shè)中常用建筑基礎(chǔ)樁的施工設(shè)備有旋挖鉆機(jī)、長螺旋鉆機(jī)、沖擊正反循環(huán)鉆機(jī)等。與其他施工設(shè)備相比長螺旋鉆機(jī)[1]具有成本低、施工無污染、噪音小、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)。但長螺旋鉆機(jī)在大粒徑卵石層中鉆孔難度大，每小時(shí)鉆進(jìn)深度不超過10cm，而在遇到巖石硬度大于600kPa時(shí)幾乎無法鉆進(jìn)，造成該現(xiàn)象的原因是由于進(jìn)給力不足；且入巖鉆進(jìn)是一個(gè)非線性時(shí)變的過程[2]，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致無法對(duì)鉆進(jìn)過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)鉆進(jìn)控制。為提高長螺旋鉆機(jī)的自適應(yīng)入巖能力，設(shè)計(jì)一種進(jìn)給力大、實(shí)時(shí)性好的長螺旋鉆機(jī)是有必要的。目前國內(nèi)外對(duì)長螺旋鉆機(jī)入巖鉆進(jìn)研究主要集中在采用卷揚(yáng)機(jī)配滑輪與鋼絲繩組合提高[3～5]進(jìn)給力，該方法存在加壓不穩(wěn)，可靠性差且需要人工控制很難保證進(jìn)給力在合理區(qū)間的問題。因此，本文在采用比功法實(shí)時(shí)識(shí)別地層巖性基礎(chǔ)上，提出了一種油缸加壓的方式增大長螺旋鉆機(jī)進(jìn)給力，并結(jié)合單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制提高鉆機(jī)對(duì)巖性的適應(yīng)性。

1 地層巖性識(shí)別

巖石破碎[6]分三個(gè)階段：研磨破碎階段、疲勞破碎階段、躍進(jìn)破碎階段，其中躍進(jìn)破碎屬于高效入巖階段，要求進(jìn)給力要超過巖石破碎抗壓強(qiáng)度的30%～50%，長螺旋鉆機(jī)要達(dá)到自適應(yīng)快速入巖鉆進(jìn)的目的，則進(jìn)給力能及時(shí)隨巖石破碎抗壓強(qiáng)度調(diào)整，所以實(shí)時(shí)識(shí)別巖性是長螺旋鉆機(jī)自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)給力的基礎(chǔ)。常用的地層巖性識(shí)別方法有：Aghassi Smith方法、回歸分析法、比功法等。由于比功法[7]具有模型簡(jiǎn)單、識(shí)別效果好等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用比功法：

式中：e為比功，Pa；F為進(jìn)給力，N；A為孔口面積，m2；n為轉(zhuǎn)速，r/min；w為轉(zhuǎn)矩，N·m；V為鉆速，m/h。

1）進(jìn)給力。在加壓油缸進(jìn)出油管路安裝壓力傳感器。若上、下腔的面積和壓力為：A1（mm2）、A2（mm2）、p1（MPa）、p2（MPa），則進(jìn)給力F：

2）轉(zhuǎn)速。將x個(gè)磁鐵均布在鉆桿周圍，采用霍爾傳感器獲取轉(zhuǎn)速，設(shè)采樣時(shí)間為t內(nèi)有y個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速n：

3）轉(zhuǎn)矩。將壓力傳感器安裝在液壓馬達(dá)進(jìn)出口油管上，測(cè)得馬達(dá)壓差為p（MPa），設(shè)馬達(dá)的排量為q（mL/r），機(jī)械效率為ηm，傳動(dòng)比為i，則轉(zhuǎn)矩T：

4）鉆速。采用增量旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得鉆速，設(shè)L為脈沖當(dāng)量，采樣時(shí)間為t內(nèi)有r個(gè)脈沖，則鉆速V：

由比功法可知：長螺旋鉆機(jī)中任何一個(gè)鉆進(jìn)參數(shù)改變，則可以判定鉆進(jìn)巖性發(fā)生變化，因此，所需進(jìn)給力相應(yīng)的調(diào)整大小才能達(dá)到入巖鉆進(jìn)自適應(yīng)的目的，而將智能控制策略與電液比例液壓系統(tǒng)結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)整進(jìn)給力大小。

2 自適應(yīng)入巖鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電液比例加壓油缸入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)

電液比例液壓系統(tǒng)[8]具有控制性能好且能夠采用各種智能算法等優(yōu)點(diǎn)。圖1為電液比例加壓油缸入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過控制電磁換向閥改變液壓缸加壓與提升，再調(diào)整電液比例溢流閥的電信號(hào)大小改變溢流壓力的大小，進(jìn)而改變加壓油缸輸出的進(jìn)給力，最終滿足入巖鉆進(jìn)自適應(yīng)的需求。

圖1 電液比例加壓油缸入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)

2.2 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器

經(jīng)典的PID控制[9]在時(shí)變非線性系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)Kp、Ki、Kd自適應(yīng)調(diào)整，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]具有自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，該特點(diǎn)能克服PID控制的不足，所以本文將二者結(jié)合起來形成單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 單神經(jīng)元 PID 控制結(jié)構(gòu)原理

設(shè)控制器進(jìn)給力目標(biāo)值為r（k），實(shí)際進(jìn)給力值為y（k），偏差為e（k），則：

則單神經(jīng)元PID控制器輸出為：

式中K為單神經(jīng)元比例系數(shù)，W1（k）=Kp，W2（k）=Ki，W3（k）=Kd分別為X1（k）、X2（k）、X3（k）的加權(quán)系數(shù)。

單神經(jīng)元PID的加權(quán)系數(shù)自適應(yīng)調(diào)整規(guī)則為有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)：

式中ηp、ηi、ηd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的學(xué)習(xí)速率。

圖3為長螺旋鉆機(jī)自適應(yīng)加壓入巖鉆進(jìn)系統(tǒng)控制的整個(gè)流程。具體步驟：

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

Step1：傳感器組采集鉆進(jìn)參數(shù)，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)并識(shí)別出地層巖性，查詢動(dòng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫得到巖石破碎所需進(jìn)給力；

Step2：進(jìn)給力輸入給單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，控制器改變電信號(hào)大小，調(diào)整電液比例閥壓力；

Step3：執(zhí)行機(jī)構(gòu)加壓油缸的進(jìn)出口壓力變化，調(diào)整進(jìn)給力大小；

Step4：壓力傳感器采集加壓油缸進(jìn)出口壓力值，得出實(shí)際進(jìn)給力大小與破巖所需進(jìn)給力大小是否相等，不相等則跳到Step2繼續(xù)調(diào)整，直至滿足循環(huán)條件。

3 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證電液比例加壓油缸入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)的可靠性，并比較兩種控制器的性能，在液壓系統(tǒng)上分別采用經(jīng)典的PID控制和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制輸入階躍負(fù)載、隨機(jī)負(fù)載。其中單神經(jīng)元的初始化權(quán)值W1（k）=0.1、W2（k）=0.1、W3（k）=0.1；比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的學(xué)習(xí)速率ηp=0.4、ηi=0.35、ηd=0.4；比例系數(shù)K=0.12。

圖4為單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制和經(jīng)典的PID對(duì)階躍負(fù)載響應(yīng)，兩者的超調(diào)量分別為：0.05MPa和0.2MPa，可知經(jīng)典PID控制的超調(diào)量是單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的超調(diào)量的4倍；而兩者達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間分別為：0.02s和0.1s，經(jīng)典PID控制趨于穩(wěn)態(tài)的用時(shí)是單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的5倍，在動(dòng)態(tài)特性和超調(diào)量?jī)蓚€(gè)方面比較可知：?jiǎn)紊窠?jīng)元自適應(yīng)PID控制性能好。

圖4 兩種控制策略對(duì)階躍負(fù)載響應(yīng)對(duì)比

圖5為單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制與經(jīng)典PID控制在隨機(jī)負(fù)載下的響應(yīng)對(duì)比圖，從圖中可得：?jiǎn)紊窠?jīng)元自適應(yīng)PID控制能夠迅速追蹤到輸入的變化，輸入與響應(yīng)幾乎同步，而經(jīng)典的PID控制的響應(yīng)延遲、同步性差，說明單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制比經(jīng)典PID控制具有良好的自適應(yīng)的能力。

圖5 兩種控制策略對(duì)隨機(jī)負(fù)載響應(yīng)對(duì)比

通過對(duì)比分析：?jiǎn)紊窠?jīng)元自適應(yīng)PID控制比經(jīng)典的PID控制超調(diào)量更小、調(diào)穩(wěn)時(shí)間更快、自適應(yīng)好更好，且設(shè)計(jì)的電液比例加壓油缸入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)響應(yīng)快，能夠迅速調(diào)整加壓油缸的進(jìn)出口壓力，改變進(jìn)給力大小。仿真結(jié)果表明：采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的電液比例加壓油缸入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用ZL-D長螺旋鉆機(jī)如圖6所示，為提高入巖能力由高效入巖破碎機(jī)理[11]可知：增加自由面可有效提高鉆機(jī)能力，所以鉆具采用φ600mm截齒鉆頭，加壓油缸的額定進(jìn)給力為400kN，根據(jù)試驗(yàn)地形的地質(zhì)勘探報(bào)告，其各地層抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 地層抗壓強(qiáng)度

圖6 配有自適應(yīng)加壓入巖鉆進(jìn)系統(tǒng)的長螺旋鉆機(jī)

圖7和圖8分別是長螺旋鉆機(jī)基于比功法地層識(shí)別巖性基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典的PID控制加壓油缸和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制加壓油缸自適應(yīng)調(diào)整入巖進(jìn)給力圖。由圖7可知：經(jīng)典的PID控制不能根據(jù)巖性識(shí)別的結(jié)果實(shí)時(shí)改變所需的進(jìn)給力，波動(dòng)較大，其中最大的波動(dòng)幅度在20%左右，自適應(yīng)差；而單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制效果如圖8所示：在通過巖性識(shí)別精準(zhǔn)得到鉆進(jìn)地層巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制能夠快速調(diào)整電液比例溢流閥的溢流壓力，保證了進(jìn)給力隨巖性實(shí)時(shí)調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)地形中，大部分地層為巖石且抗壓強(qiáng)度均大于600KPa，而長螺旋鉆機(jī)并沒有出現(xiàn)入巖進(jìn)給力不足的問題，改變這種情況的根本原因是加壓油缸能夠提供破巖所需的進(jìn)給力；且由于采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，改善了人工難以控制進(jìn)給力在合理范圍內(nèi)的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的自適應(yīng)加壓入巖鉆進(jìn)控制系統(tǒng)，提高了長螺旋鉆機(jī)的入巖和進(jìn)給力自適應(yīng)能力。

圖7 基于比功法經(jīng)典PID控制加壓油缸入巖鉆進(jìn)

圖8 基于比功法單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制加壓油缸入巖鉆進(jìn)

5 結(jié)語

針對(duì)長螺旋鉆機(jī)需提高入巖能力和隨鉆進(jìn)過程中地層巖性變化快速調(diào)整進(jìn)給力大小的要求，本文在實(shí)時(shí)地層識(shí)別的基礎(chǔ)上，將電液比例油缸加壓入巖鉆進(jìn)液壓系統(tǒng)和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)合構(gòu)建了長螺旋鉆機(jī)自適應(yīng)入巖鉆進(jìn)系統(tǒng)。并對(duì)所提出的液壓系統(tǒng)和控制器進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明：?jiǎn)紊窠?jīng)元自適應(yīng)PID控制比經(jīng)典PID控制的液壓系統(tǒng)超調(diào)量更小，調(diào)穩(wěn)時(shí)間更短，液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度更快；且通過實(shí)驗(yàn)對(duì)自適應(yīng)加壓入巖鉆進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)行了驗(yàn)證，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：裝有單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制加壓油缸的長螺旋鉆機(jī)，入巖進(jìn)給力增大提高破巖能力，并在巖石抗壓強(qiáng)度在大于600kPa的地層中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)鉆進(jìn)，甚至在抗壓強(qiáng)度為130MPa巖石中鉆進(jìn)。