研究背景

       在煤矿智能化建设背景下，智能化钻探技术已成为满足地质保障需求的钻探装备智能化、探测过程数字化及地质工程信息化有效融合的技术支撑。由于含煤地层的地质力学环境复杂，断层、陷落柱、构造带等地质异常体非线性、强耦合、强干扰特征突出，导致钻孔机器人给进系统的给进阻力和回转系统的负载转矩复杂多样。这就要求钻孔机器人给进回转系统能够适应煤岩的变化，而现有技术仅通过既定程序控制执行机构进行流程化动作，钻进过程的自适应智能控制水平低，对钻进过程中遇到的工况变化调节能力弱，当钻进工况变化时易造成卡钻、断钻等事故，降低钻孔机器人的钻进效率，影响工作周期。针对上述问题，提出一种基于煤岩可钻性的钻孔机器人给进回转双回路 PID 自适应控制方法。

       钻孔机器人给进回转自适应控制系统（图1）旨在钻进状态感知的基础上通过智能控制中心决策，适应煤岩的硬度变化，实现安全高效钻进。该系统基于智能钻探系统软件架构与数据框架的分层递阶设计思想，集成包括基础自动化层、过程控制层和智能决策层的闭环控制系统。

图1 钻孔机器人给进回转自适应控制系统

       首先以钻进效率和钻进安全为控制目标，选择钻压、转矩作为煤岩可钻性模型的输入参数，采用小波包变换对钻孔机器人的状态参数进行特征提取。选取钻孔机器人的钻压和转矩作为煤岩可钻性识别的输入信号，采用三级小波包分解法将钻压和转矩进行分解，得到样本数据和测试集，采用皮尔逊相关性分析方法将特征向量中的每个分量与煤岩可钻性进行相关性分析，得到与煤岩可钻性相关性强的分量，组成强相关特征向量，对强相关性特征向量进行归一化，得到归一化特征向量，以归一化后的强相关性特征向量作为BP神经网络的输入量，对BP神经网络进行训练，得到煤岩可钻性模型，获取当前钻进工况下推荐钻速和转速。然后基于煤岩可钻性模型，设计了基于PID 控制的恒转矩控制策略和恒钻速控制策略，钻孔机器人在煤岩负载中的转矩信号输入PID1，输出钻压信号；钻孔机器人在煤岩负载中的钻速信号和基于煤岩可钻性模型的推荐钻速信号输入PID2，输出目标转矩信号；回转系统的转速信号和钻孔机器人在煤岩负载中的转速信号输入钻速微调模块，输出钻速微调量。基于煤岩可钻性获取当前钻进工况的推荐钻速和转速，在恒转矩控制回路PID1和恒钻速控制回路 PID2 的相互作用下实现钻孔机器人推荐钻速的微调，保证钻孔机器人安全高效运行。最后建立反映给进回转负载的钻头−煤岩相互作用模型并对钻孔机器人给进回转双回路PID 自适应控制方法进行仿真测试。

       为了对钻孔机器人给进回转自适应控制系统的控制效果进行验证，设钻孔机器人正常工作时的额定转矩为2 000 N·m，推荐钻速为6 mm/s，推荐转速为100 r/min，此时系统对应的钻压为10 MPa，给进力为60 kN，得出的仿真结果如图2−图6所示。可看出在煤岩硬度不变时，该控制系统可实现恒转矩和恒钻速控制，转矩保持在2 000 N·m，钻速保持在6 mm/s；在50 s时，增大煤岩硬度，若对推荐钻速不作任何调整，则由于煤岩硬度变高，导致负载增加，使系统转矩增大至2 350 N·m，转速降低至85 r/min；采用自适应调整策略后，系统的钻压、转速等可以很快达到稳定状态；若推荐钻速6 mm/s 对应的实际转矩2 350 N·m 超过钻孔机器人工作允许的负载转矩，且其实际转速85 r/min 小于推荐转速的 95% 时，则可以通过钻速微调模块降低推荐钻速设定值，进而通过调整钻压使系统的转矩调整至最优转矩，使钻孔机器人再次稳定在恒转 矩和恒钻速控制状态，确保钻孔机器人安全高效工作。

图2 设定钻速调整下的转矩变化

图3 设定钻速调整下的钻速变化

图4 设定钻速调整下的转速变化

图5 设定钻速调整下的钻压变化

图6 设定钻速调整下的给进力变化