ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)鉆壓自適應(yīng)電液系統(tǒng)研究

常江華，趙 良,2，魯飛飛，王龍鵬，楊江波

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

車(chē)載鉆機(jī)集成度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，是救援鉆孔施工的理想機(jī)型[1]，國(guó)內(nèi)外車(chē)載鉆機(jī)普遍采用液壓驅(qū)動(dòng)、液壓控制的方式，具有過(guò)載能力強(qiáng)、速度無(wú)級(jí)可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下不足：操作參數(shù)顯示不直觀，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和控制難以形成閉環(huán)；操縱臺(tái)距離孔口近，存在安全隱患；液壓操縱手柄需要液壓管線連接，管線布局混亂，出現(xiàn)故障后排查較為困難；鉆進(jìn)過(guò)程的鉆壓控制依賴司鉆人員的經(jīng)驗(yàn)，鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，司鉆人員的反應(yīng)速度往往難以適應(yīng)工況的變化，不利于鉆孔安全。

在鉆壓控制研究方面，目前大多還處于理論研究階段[2]，一方面原因是受地層多變因素的影響，鉆進(jìn)工況參數(shù)波動(dòng)較為頻繁，另一方面是監(jiān)控參數(shù)與鉆壓控制信號(hào)之間并沒(méi)有明確的傳遞函數(shù)。丁振龍[3]、侯緒田[4]等針對(duì)石油鉆井中井底壓力的控制難題，提出通過(guò)系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，輸出控制指令，調(diào)節(jié)井口壓力，主要應(yīng)用于恒鉆壓送鉆，在正常鉆進(jìn)中還未應(yīng)用；吳萬(wàn)榮等[5]根據(jù)潛孔鉆機(jī)鉆孔過(guò)程的力學(xué)特征偏斜機(jī)理的研究，提出了推進(jìn)力自動(dòng)控制方案，提高了鉆機(jī)在復(fù)雜巖層中鉆進(jìn)的適應(yīng)能力，適用鉆孔深度較淺。

對(duì)于車(chē)載鉆機(jī)的鉆壓控制方面，目前還采用司鉆人工控制的方式，為了提高鉆進(jìn)施工的安全性，擬開(kāi)展以下研究：采用電控、液驅(qū)的方式，既能體現(xiàn)電控系統(tǒng)參數(shù)顯示直觀、容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)控制的特點(diǎn)，又能發(fā)揮液壓驅(qū)動(dòng)輸出力大、過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；構(gòu)建鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)、鉆進(jìn)工況參數(shù)與鉆壓控制參數(shù)的閉環(huán)控制硬件系統(tǒng)；篩選對(duì)鉆壓控制信號(hào)有影響的鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)和鉆進(jìn)工況參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，針對(duì)人工控制鉆進(jìn)效率低、決策優(yōu)化的難題，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和范例推理技術(shù)從積累的鉆井?dāng)?shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)中提取特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)范協(xié)調(diào)處理、信息融合、聚類分析和專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則歸納，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)模仿人腦信息處理機(jī)制模擬復(fù)雜工況的控制策略問(wèn)題，構(gòu)建監(jiān)控參數(shù)與控制信號(hào)之間的隱形傳遞關(guān)系。

1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.1 總體方案

液壓系統(tǒng)是鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功能的完備、性能優(yōu)越對(duì)鉆機(jī)整體性能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用。液壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)工作負(fù)載特性為基礎(chǔ)，兼顧多個(gè)執(zhí)行動(dòng)作協(xié)調(diào)和總功率需求?；剞D(zhuǎn)液壓系統(tǒng)和給進(jìn)液壓系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，輔助系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，總體方案如圖1 所示。

圖1 液壓系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of hydraulic system

1.2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要功能是驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)，主要有上扣、卸扣、正?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)等工況。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的負(fù)載波動(dòng)隨機(jī)性強(qiáng)、沖擊大且馬達(dá)存在吸空工況，要求回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、具備防吸空功能[6-7]。

根據(jù)上述需求，采用4 個(gè)低速大扭矩雙速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)主泵或者副泵的泵量可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，馬達(dá)還可實(shí)現(xiàn)排量的高低切換，進(jìn)一步擴(kuò)大了動(dòng)力頭的調(diào)速范圍，拓寬了鉆機(jī)的工藝適應(yīng)性。主泵及副泵采用負(fù)載敏感泵，在實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)控制的同時(shí)，系統(tǒng)無(wú)節(jié)流和溢流損失，具有較好的節(jié)能效果。在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反饋回路中設(shè)置限壓閥，通過(guò)限制最高反饋壓力，實(shí)現(xiàn)液壓泵最高輸出壓力限制，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭最大扭矩控制?？紤]到大口徑鉆孔施工中，鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)慣性沖擊較大的問(wèn)題，在回轉(zhuǎn)馬達(dá)進(jìn)回油口設(shè)計(jì)緩沖補(bǔ)油閥，防止系統(tǒng)慣性沖擊。

1.3 給進(jìn)系統(tǒng)

給進(jìn)系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)油缸帶動(dòng)動(dòng)力頭上下運(yùn)動(dòng)，主要有起下鉆、正常鉆進(jìn)和倒桿等工況。由于是舉升機(jī)構(gòu)，需要有防墜落安全保護(hù)功能，起下鉆工況要求系統(tǒng)壓力可調(diào)[8-13]。

根據(jù)以上要求，給進(jìn)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)主泵和副泵分別驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速起下鉆和慢速正常鉆進(jìn)功能。2 個(gè)給進(jìn)油缸設(shè)計(jì)平衡回路，采用先導(dǎo)邏輯控制，當(dāng)先導(dǎo)閥處于中位時(shí)，平衡回路閉合給進(jìn)油缸起拔腔，從而實(shí)現(xiàn)給進(jìn)裝置自鎖，提高了鉆機(jī)使用的安全性。加壓鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)置在反饋管路中的調(diào)壓閥，比例調(diào)節(jié)給進(jìn)腔壓力。減壓鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)置在起拔腔調(diào)壓閥實(shí)現(xiàn)壓力比例調(diào)節(jié)，壓力控制方便，工藝適應(yīng)性好。在給進(jìn)油缸給進(jìn)腔和起拔腔分別安裝有壓力傳感器，通過(guò)實(shí)測(cè)兩腔的壓力可實(shí)時(shí)測(cè)算鉆機(jī)施加于鉆柱的負(fù)載，司鉆人員可根據(jù)鉆進(jìn)工況隨時(shí)調(diào)節(jié)給進(jìn)力或者起拔力，實(shí)現(xiàn)鉆壓的控制。

2 電控系統(tǒng)

2.1 總體方案

傳統(tǒng)的液控操縱方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性低。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的高可靠性、維護(hù)便利性和人性化為智能精準(zhǔn)化鉆進(jìn)提供了可能。車(chē)載鉆機(jī)作為鉆進(jìn)裝備的核心，實(shí)現(xiàn)了全流程化鉆進(jìn)施工。因此，整套裝備控制系統(tǒng)則采用分布式布局、集中式操控的設(shè)計(jì)理念，控制系統(tǒng)(圖2)主要由操縱室集控平臺(tái)、泵車(chē)控制柜、車(chē)載鉆機(jī)控制柜、換桿裝置控制柜、孔口平臺(tái)控制柜以及各類傳感器、電磁閥等組成[14]。

圖2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)布局Fig.2 Design layout of electric control system

電控系統(tǒng)各模塊之間的信號(hào)監(jiān)測(cè)及控制統(tǒng)一采用CAN 總線通信，統(tǒng)一的總線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了每個(gè)總線控制器的相互訪問(wèn)、數(shù)據(jù)共享。泵車(chē)控制柜、車(chē)載鉆機(jī)控制柜、操縱室集控平臺(tái)及換桿裝置控制柜都有獨(dú)立的控制器，可近距離實(shí)現(xiàn)周邊元器件的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及控制。

然而，通常采用的ID 分配“優(yōu)先級(jí)+目的標(biāo)識(shí)”，層次不夠清晰，造成控制系統(tǒng)出現(xiàn)執(zhí)行效率低甚至丟包的現(xiàn)象。本文在分布式總線通信的基礎(chǔ)上，ID 采用“通道標(biāo)識(shí)+目的標(biāo)識(shí)”來(lái)降低通信負(fù)荷，提升指令效率。CAN 總線通信的自定義ID 見(jiàn)表1。

表1 分布式總線通信ID 分配Table 1 Distributed bus communication ID allocation

通道的分布式總線布局，充分將執(zhí)行命令和采集命令的ID 進(jìn)行剝離，同時(shí)根據(jù)設(shè)備的功能，設(shè)置總線數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)，由于總線數(shù)據(jù)采用廣播形式同時(shí)發(fā)送，根據(jù)ID 標(biāo)識(shí)符和發(fā)送周期搶占發(fā)送，ID 越小優(yōu)先級(jí)越高。表1 中的自定義ID 就是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幀的通信結(jié)構(gòu)(圖3)的仲裁域和數(shù)據(jù)域進(jìn)行的設(shè)計(jì)，從而解決數(shù)據(jù)延遲、擁堵和紊亂。圖中，SOF 為幀起始，RTR 為遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位，IDE 為標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位，r0 為數(shù)據(jù)保留位，DLC 為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼，CRC 為循環(huán)冗余校驗(yàn)，ACK 為應(yīng)答域，EOF 為幀結(jié)束。

圖3 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 CAN-Bus standard frame structure

2.2 泵車(chē)控制單元

泵車(chē)控制單元由泵車(chē)控制柜、進(jìn)氣關(guān)斷閥及各類傳感器等組成，泵車(chē)控制柜安裝于車(chē)載鉆機(jī)動(dòng)力泵站內(nèi)部，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)、預(yù)加熱器和進(jìn)氣關(guān)斷閥的控制，同時(shí)監(jiān)控柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及液壓油溫等運(yùn)行參數(shù)。

泵車(chē)控制柜與柴油機(jī)中央控制單元(Electronic Control Unit，ECU)通過(guò)J1939 協(xié)議進(jìn)行通信，可獲取柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、油壓、冷卻液溫度、工作時(shí)間以及故障代碼等信息。一旦監(jiān)測(cè)到鉆機(jī)運(yùn)行異?；蛘咚俱@操作急停按鈕時(shí)，可快速輸出控制指令，關(guān)閉進(jìn)氣關(guān)斷閥，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)斷氣停機(jī)。

柴油機(jī)和液壓系統(tǒng)冷卻均采用復(fù)合式閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，利用冷卻液和液壓油溫度傳感器分別反饋各系統(tǒng)溫度，統(tǒng)一采用變量泵+定量馬達(dá)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)冷卻，確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雙溫控回路經(jīng)控制器的復(fù)合式溫控控制策略，輸出控制信號(hào)(50～600 mA)來(lái)改變變量泵的輸出流量，其中變量泵特有的反比例控制方式，使變量泵在600 mA 時(shí)冷卻風(fēng)扇維持怠速，50 mA 時(shí)冷卻風(fēng)扇以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，避免信號(hào)的丟失造成柴油機(jī)或液壓系統(tǒng)高溫故障，提升了系統(tǒng)的安全性。

為了限制啟動(dòng)后風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，溫度調(diào)節(jié)采用分段式控制，且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)工況，雙溫控回路(圖4 中TF為冷卻液溫度，TH為液壓油溫度)的調(diào)溫系統(tǒng)易造成動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，使在動(dòng)態(tài)工況下出現(xiàn)溫度超限或偏離閾值的問(wèn)題。因此，提出基于溫度優(yōu)先級(jí)的控制策略思路：根據(jù)分段式溫度區(qū)間劃分n個(gè)溫度優(yōu)先級(jí)；偏離閾值越遠(yuǎn)，優(yōu)先級(jí)越高，見(jiàn)表2；比較優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的先散熱，若優(yōu)先級(jí)都為0，則散熱器怠速。

圖4 雙溫度控制回路結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of dual temperature control loop

表2 溫度優(yōu)先級(jí)劃分Table 2 Temperature priority

溫度自適應(yīng)控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5 所示。對(duì)散熱器調(diào)節(jié)中處于2 個(gè)優(yōu)先級(jí)之間的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，系統(tǒng)軟件在加速段和減速段設(shè)計(jì)梯形速度規(guī)劃。泵車(chē)控制柜啟動(dòng)柴油機(jī)后，散熱器首先以怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，使各溫度快速提升至最佳運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)冷卻液溫度大于100℃時(shí)，控制器輸出最小電流，散熱器以最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)冷卻液溫度低于70℃時(shí)，控制器輸出最大電流，散熱器仍然以怠速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)冷卻液溫度處于70～100℃時(shí)，則進(jìn)入液壓油溫判斷，液壓油溫若處于40～70℃時(shí)，控制器在該溫度范圍內(nèi)輸出比例信號(hào)，該信號(hào)與液壓油溫呈負(fù)相關(guān)，若不在該溫控范圍，執(zhí)行方法與冷卻液相同。值得注意的是，散熱器調(diào)節(jié)中常存在2 個(gè)優(yōu)先級(jí)之間的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速出現(xiàn)階躍式調(diào)節(jié)，負(fù)載的突變極易加劇齒輪嚙合磨損甚至損壞。因此，控制系統(tǒng)程序中在加速段和減速段設(shè)計(jì)有梯形速度規(guī)劃來(lái)提升設(shè)備的安全性。

圖5 復(fù)合式溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.5 The closed loop control system of temperature

2.3 鉆機(jī)控制單元

車(chē)載鉆機(jī)控制單元由控制柜、分線盒、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。車(chē)載鉆機(jī)控制柜布置在車(chē)體中部，為了后期維護(hù)方便，該控制柜主要功能是實(shí)現(xiàn)鉆車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的反饋及采集，利用CAN 總線通信特性，在操縱室集控平臺(tái)數(shù)據(jù)處理并完成控制策略，再實(shí)現(xiàn)鉆車(chē)上給進(jìn)、卷?yè)P(yáng)、動(dòng)力頭等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，方便設(shè)計(jì)人員調(diào)試以及快速故障診斷。

2.4 操縱室控制單元

操縱室控制單元是整個(gè)鉆機(jī)的集中控制單元，具有數(shù)據(jù)吞吐量大、硬件設(shè)備多和控制復(fù)雜多樣等特點(diǎn)。為了改善操作環(huán)境，將鉆機(jī)、換桿裝置所有操控、顯示集中于操縱室，改善了工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。操縱室外觀和內(nèi)部布局如圖6 所示。

圖6 操縱室外觀及內(nèi)部布局Fig.6 Appearance and internal layout of control room

主操縱臺(tái)(圖7)是鉆機(jī)的集中控制區(qū)域，其下方配有電控箱并安裝有控制器。主操縱臺(tái)兼顧功能和操作流程分區(qū)布局，橫向看，分為3 塊區(qū)域，左側(cè)為吊卡及旋轉(zhuǎn)頭區(qū)域、中間為鉆進(jìn)區(qū)域、右側(cè)為孔口平臺(tái)及大鉗區(qū)域?？v向看，從操作人員角度觀察，根據(jù)操作的頻次，依次從近端到遠(yuǎn)端布局，操作方便，避免誤操作。

圖7 主操縱臺(tái)布局Fig.7 Layout of main console

操作人員的座椅兩側(cè)的扶手操作臺(tái)(圖8)是鉆進(jìn)過(guò)程中操作頻次最高的起下鉆、動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)、卷?yè)P(yáng)等操作手柄，使操作人員在較為舒適的坐姿狀態(tài)下完成操作，符合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。

圖8 扶手操縱臺(tái)Fig.8 The handrail console

3 鉆壓自適應(yīng)控制系統(tǒng)

電控系統(tǒng)搭建了鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可收集鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)及鉆進(jìn)參數(shù)，也構(gòu)建了鉆壓控制的硬件系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)鉆壓的自適應(yīng)控制(Weight on Bit，WOB)，還需要建立鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)與鉆壓控制參數(shù)之間的傳遞函數(shù)。其中在數(shù)據(jù)采集中，盡可能多地采用總線式傳感器，不僅減少了控制器的I/O 點(diǎn)數(shù)，也能通過(guò)總線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)，建立了鉆機(jī)故障診斷基礎(chǔ)。

3.1 輸入?yún)?shù)的選取

系統(tǒng)以鉆壓作為輸出控制參數(shù)，那么系統(tǒng)的輸入變量應(yīng)該選擇那些對(duì)控制參數(shù)影響大且能夠檢測(cè)獲取的變量，要求各輸入變量之間關(guān)聯(lián)性較小，兼顧考慮參數(shù)獲取的難易程度，選取泥漿排量、鉆孔深度、扭矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、鉆具質(zhì)量、鉆壓和鉆速7 個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)井底鉆壓控制影響有直接影響的參數(shù)作為輸入量，系統(tǒng)的控制基本原理如圖9 所示。

圖9 鉆壓自適應(yīng)控制基本原理Fig.9 Basic principle of WOB adaptive control

3.2 輸入輸出參數(shù)之間矩陣傳遞函數(shù)的建立

由于鉆孔過(guò)程復(fù)雜性和多樣性，選取的輸入?yún)?shù)與輸出鉆壓控制參數(shù)之間沒(méi)有直接函數(shù)關(guān)系式可以清晰描述兩者之間的關(guān)系，其關(guān)系具有不確定性、模糊性、非線性和多樣性的特點(diǎn)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)自身的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)某種規(guī)則，在給定輸入值時(shí)得到最接近期望輸出值的結(jié)果，是建立輸入?yún)?shù)與輸出的鉆壓控制參數(shù)之間關(guān)系的可行技術(shù)手段之一[15-20]。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由輸入層、輸出層和隱層3部分組成，全部由神經(jīng)元為主體進(jìn)行連接，但每一層的神經(jīng)元之間不存在連接關(guān)系。輸入層和輸出層的神經(jīng)元的具體數(shù)量分布代表輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的維數(shù)，隱層神經(jīng)元?jiǎng)t具備自己的特性。圖10 顯示了典型的3 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖10 3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.10 Three-layer BP neural network structure

3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，輸入向量為X=(x1,x2,···,xn)，隱層向量為O=(o1,o2,···,om)，輸出向量為Y=(y1,y2,···,yl)，期望輸出向量D=(d1,d2,···,dl)。輸入層與隱層之間的連接矩陣為W=(W1,W2,···,Wj···,Wm)；隱層與輸出層之間的連接矩陣為V=(V1,V2,···,Vk,···,Vl)。

根據(jù)前面選擇7 個(gè)參數(shù)作為輸入變量，輸出變量代表系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)，在本系統(tǒng)中，鉆壓與給進(jìn)力和起拔力相關(guān)，因此，選取給進(jìn)力溢流閥控制信號(hào)、起拔力溢流閥控制信號(hào)2 個(gè)參量作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸出變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓的控制。

初始的訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試樣本來(lái)自于鉆壓和轉(zhuǎn)速手動(dòng)控制過(guò)程中的歷史數(shù)據(jù)，是具體鉆進(jìn)過(guò)程中優(yōu)先選用的參數(shù)，分別選取一部分樣本用于訓(xùn)練、測(cè)試和驗(yàn)證。表3 顯示了試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)獲取的76 組歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鉆孔孔深60～135 m，采用泥漿正循環(huán)牙輪鉆進(jìn)，使用鉆桿為直徑114 mm，單根鉆桿質(zhì)量為270 kg，鉆進(jìn)地層為灰?guī)r。

表3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出數(shù)據(jù)集Table 3 Input and output data of BP neural network

上表數(shù)據(jù)中，各參數(shù)的物理意義和量綱差異較大，為了使其在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中權(quán)值大致一致，需要對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使其數(shù)值在[0,1]區(qū)間內(nèi)。歸一化處理也可防止神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因凈輸入絕對(duì)值過(guò)大而使網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的輸出飽和。

對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)在整個(gè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)確定最大值xmax和最小值xmin，通過(guò)插值法進(jìn)行歸一化計(jì)算。將輸入和輸出數(shù)據(jù)在[0，1]區(qū)間上進(jìn)行歸一化處理，其插值法計(jì)算公式如下：

式中：xi表示要進(jìn)行歸一化處理的輸入或輸出數(shù)據(jù)，xmax和xmin分別代表數(shù)據(jù)的最大值和最小值。歸一化之后的76 組經(jīng)驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，表中數(shù)據(jù)均無(wú)量綱。

表4 歸一化之后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出數(shù)據(jù)集Table 4 Normalized input and output data of neural network

采用梯度搜索技術(shù)對(duì)以上76 組數(shù)據(jù)進(jìn)行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)泛化能力最大原則。選擇訓(xùn)練樣本、驗(yàn)證樣本和測(cè)試樣本比例為50%∶25%∶25%，即訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試樣本數(shù)分別為38、19 和19。網(wǎng)絡(luò)隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)為11。進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，結(jié)果如圖11 所示?？梢钥闯鲇?xùn)練誤差、驗(yàn)證誤差和測(cè)試誤差都處在一個(gè)比較低的水平。得到此時(shí)輸入層與隱層之間的權(quán)值連接矩陣W和隱層與輸出層之間的權(quán)值連接矩陣V。

圖11 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試誤差Fig.11 Network training,verification and test errors

將得到的連接權(quán)值矩陣W和V，以及隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)M=11 輸入到專用的可編程控制器，即可根據(jù)實(shí)施檢測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算出鉆壓控制的輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆壓的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制[21]。

4 系統(tǒng)集成及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該套電液系統(tǒng)集成應(yīng)用于ZMK5550TZJF50/120型救援車(chē)載鉆機(jī)，該鉆機(jī)在寧煤梅花井礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)(圖12)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，電液控制系統(tǒng)經(jīng)歷了溫度高、風(fēng)沙大等環(huán)境考驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。與傳統(tǒng)露天液控操縱系統(tǒng)相比，該電液控制系統(tǒng)具有操作環(huán)境好、鉆進(jìn)參數(shù)顯示直觀、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

鉆機(jī)試驗(yàn)期間，液壓系統(tǒng)油溫保持在40～60℃區(qū)間，冷卻水溫保持在70～90℃區(qū)間(圖12)，驗(yàn)證了溫度閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的工作效果。

圖12 液壓油溫度、冷卻液溫度監(jiān)測(cè)界面Fig.12 Hydraulic oil and coolant temperature monitoring interface

5 結(jié) 論

a.ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)根據(jù)負(fù)載的工作特性，開(kāi)發(fā)了具有無(wú)級(jí)調(diào)速和防吸空特性的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、具有防墜落功能的給進(jìn)驅(qū)動(dòng)回路；根據(jù)系統(tǒng)的控制、監(jiān)控和驅(qū)動(dòng)要求，開(kāi)發(fā)了救援鉆機(jī)電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)顯示、鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控及執(zhí)行動(dòng)作的集中操控，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。

b.采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)和鉆壓輸出控制參數(shù)之間的潛在聯(lián)系進(jìn)行了研究，選取了對(duì)鉆壓控制有影響的7 個(gè)參數(shù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試，獲取了其連接權(quán)值矩陣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆壓的自適應(yīng)控制。

c.鉆進(jìn)智能化是目前鉆探領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受制于地層條件的多樣性，鉆壓自適應(yīng)控制提取的樣本數(shù)量還較少，還需要不斷地積累數(shù)據(jù)并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。