長螺旋鉆機自適應加壓入巖鉆進系統(tǒng)設計

胡均平，王聞城，劉成沛

（中南大學 機電工程學院，長沙 410083）

0 引言

目前城市建設中常用建筑基礎樁的施工設備有旋挖鉆機、長螺旋鉆機、沖擊正反循環(huán)鉆機等。與其他施工設備相比長螺旋鉆機[1]具有成本低、施工無污染、噪音小、裝拆方便等優(yōu)點。但長螺旋鉆機在大粒徑卵石層中鉆孔難度大，每小時鉆進深度不超過10cm，而在遇到巖石硬度大于600kPa時幾乎無法鉆進，造成該現象的原因是由于進給力不足；且入巖鉆進是一個非線性時變的過程[2]，難以建立精確的數學模型，導致無法對鉆進過程實現實時鉆進控制。為提高長螺旋鉆機的自適應入巖能力，設計一種進給力大、實時性好的長螺旋鉆機是有必要的。目前國內外對長螺旋鉆機入巖鉆進研究主要集中在采用卷揚機配滑輪與鋼絲繩組合提高[3～5]進給力，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給力在合理區(qū)間的問題。因此，本文在采用比功法實時識別地層巖性基礎上，提出了一種油缸加壓的方式增大長螺旋鉆機進給力，并結合單神經元自適應PID控制提高鉆機對巖性的適應性。

1 地層巖性識別

巖石破碎[6]分三個階段：研磨破碎階段、疲勞破碎階段、躍進破碎階段，其中躍進破碎屬于高效入巖階段，要求進給力要超過巖石破碎抗壓強度的30%～50%，長螺旋鉆機要達到自適應快速入巖鉆進的目的，則進給力能及時隨巖石破碎抗壓強度調整，所以實時識別巖性是長螺旋鉆機自適應調整進給力的基礎。常用的地層巖性識別方法有：Aghassi Smith方法、回歸分析法、比功法等。由于比功法[7]具有模型簡單、識別效果好等優(yōu)點，所以本文采用比功法：

式中：e為比功，Pa；F為進給力，N；A為孔口面積，m2；n為轉速，r/min；w為轉矩，N·m；V為鉆速，m/h。

1）進給力。在加壓油缸進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），則進給力F：

2）轉速。將x個磁鐵均布在鉆桿周圍，采用霍爾傳感器獲取轉速，設采樣時間為t內有y個脈沖，則轉速n：

3）轉矩。將壓力傳感器安裝在液壓馬達進出口油管上，測得馬達壓差為p（MPa），設馬達的排量為q（mL/r），機械效率為ηm，傳動比為i，則轉矩T：

4）鉆速。采用增量旋轉編碼器測得鉆速，設L為脈沖當量，采樣時間為t內有r個脈沖，則鉆速V：

由比功法可知：長螺旋鉆機中任何一個鉆進參數改變，則可以判定鉆進巖性發(fā)生變化，因此，所需進給力相應的調整大小才能達到入巖鉆進自適應的目的，而將智能控制策略與電液比例液壓系統(tǒng)結合能夠實現快速調整進給力大小。

2 自適應入巖鉆進系統(tǒng)設計

2.1 電液比例加壓油缸入巖鉆進液壓系統(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。圖1為電液比例加壓油缸入巖鉆進液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過控制電磁換向閥改變液壓缸加壓與提升，再調整電液比例溢流閥的電信號大小改變溢流壓力的大小，進而改變加壓油缸輸出的進給力，最終滿足入巖鉆進自適應的需求。

圖1 電液比例加壓油缸入巖鉆進液壓系統(tǒng)

2.2 單神經元自適應PID控制器

經典的PID控制[9]在時變非線性系統(tǒng)中無法實現Kp、Ki、Kd自適應調整，而神經網絡[10]具有自學習的特點，該特點能克服PID控制的不足，所以本文將二者結合起來形成單神經元自適應PID控制，其結構原理如圖2所示。

圖2 單神經元 PID 控制結構原理

設控制器進給力目標值為r（k），實際進給力值為y（k），偏差為e（k），則：

則單神經元PID控制器輸出為：

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

單神經元PID的加權系數自適應調整規(guī)則為有監(jiān)督的Hebb學習：

式中ηp、ηi、ηd分別為比例系數、積分系數、微分系數的學習速率。

圖3為長螺旋鉆機自適應加壓入巖鉆進系統(tǒng)控制的整個流程。具體步驟：

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

Step1：傳感器組采集鉆進參數，計算機處理數據并識別出地層巖性，查詢動經驗數據庫得到巖石破碎所需進給力；

Step2：進給力輸入給單神經元自適應PID控制器，控制器改變電信號大小，調整電液比例閥壓力；

Step3：執(zhí)行機構加壓油缸的進出口壓力變化，調整進給力大小；

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

3 仿真試驗

為驗證電液比例加壓油缸入巖鉆進液壓系統(tǒng)的可靠性，并比較兩種控制器的性能，在液壓系統(tǒng)上分別采用經典的PID控制和單神經元自適應PID控制輸入階躍負載、隨機負載。其中單神經元的初始化權值W1（k）=0.1、W2（k）=0.1、W3（k）=0.1；比例系數、積分系數、微分系數的學習速率ηp=0.4、ηi=0.35、ηd=0.4；比例系數K=0.12。

圖4為單神經元自適應PID控制和經典的PID對階躍負載響應，兩者的超調量分別為：0.05MPa和0.2MPa，可知經典PID控制的超調量是單神經元自適應PID控制的超調量的4倍；而兩者達到穩(wěn)態(tài)的時間分別為：0.02s和0.1s，經典PID控制趨于穩(wěn)態(tài)的用時是單神經元自適應PID控制的5倍，在動態(tài)特性和超調量兩個方面比較可知：單神經元自適應PID控制性能好。

圖4 兩種控制策略對階躍負載響應對比

圖5為單神經元自適應PID控制與經典PID控制在隨機負載下的響應對比圖，從圖中可得：單神經元自適應PID控制能夠迅速追蹤到輸入的變化，輸入與響應幾乎同步，而經典的PID控制的響應延遲、同步性差，說明單神經元自適應PID控制比經典PID控制具有良好的自適應的能力。

圖5 兩種控制策略對隨機負載響應對比

通過對比分析：單神經元自適應PID控制比經典的PID控制超調量更小、調穩(wěn)時間更快、自適應好更好，且設計的電液比例加壓油缸入巖鉆進液壓系統(tǒng)響應快，能夠迅速調整加壓油缸的進出口壓力，改變進給力大小。仿真結果表明：采用單神經元自適應PID控制的電液比例加壓油缸入巖鉆進液壓系統(tǒng)的設計合理。

4 實驗驗證

實驗設備采用ZL-D長螺旋鉆機如圖6所示，為提高入巖能力由高效入巖破碎機理[11]可知：增加自由面可有效提高鉆機能力，所以鉆具采用φ600mm截齒鉆頭，加壓油缸的額定進給力為400kN，根據試驗地形的地質勘探報告，其各地層抗壓強度如表1所示。

表1 地層抗壓強度

圖6 配有自適應加壓入巖鉆進系統(tǒng)的長螺旋鉆機

圖7和圖8分別是長螺旋鉆機基于比功法地層識別巖性基礎上，采用經典的PID控制加壓油缸和單神經元自適應PID控制加壓油缸自適應調整入巖進給力圖。由圖7可知：經典的PID控制不能根據巖性識別的結果實時改變所需的進給力，波動較大，其中最大的波動幅度在20%左右，自適應差；而單神經元自適應PID控制效果如圖8所示：在通過巖性識別精準得到鉆進地層巖石抗壓強度時，單神經元自適應PID控制能夠快速調整電液比例溢流閥的溢流壓力，保證了進給力隨巖性實時調整。在實驗地形中，大部分地層為巖石且抗壓強度均大于600KPa，而長螺旋鉆機并沒有出現入巖進給力不足的問題，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給力；且由于采用單神經元自適應PID控制，改善了人工難以控制進給力在合理范圍內的情況。實驗結果表明：設計的自適應加壓入巖鉆進控制系統(tǒng)，提高了長螺旋鉆機的入巖和進給力自適應能力。

圖7 基于比功法經典PID控制加壓油缸入巖鉆進

圖8 基于比功法單神經元自適應PID控制加壓油缸入巖鉆進

5 結語

針對長螺旋鉆機需提高入巖能力和隨鉆進過程中地層巖性變化快速調整進給力大小的要求，本文在實時地層識別的基礎上，將電液比例油缸加壓入巖鉆進液壓系統(tǒng)和單神經元自適應PID控制結合構建了長螺旋鉆機自適應入巖鉆進系統(tǒng)。并對所提出的液壓系統(tǒng)和控制器進行仿真研究，結果表明：單神經元自適應PID控制比經典PID控制的液壓系統(tǒng)超調量更小，調穩(wěn)時間更短，液壓系統(tǒng)響應速度更快；且通過實驗對自適應加壓入巖鉆進系統(tǒng)經行了驗證，由實驗結果可得：裝有單神經元自適應PID控制加壓油缸的長螺旋鉆機，入巖進給力增大提高破巖能力，并在巖石抗壓強度在大于600kPa的地層中實現自適應鉆進，甚至在抗壓強度為130MPa巖石中鉆進。