一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法，包括以下步骤：获取旋挖钻机钻进过程的工作参数变量，并设定期望值；将各变量实际值输入神经网络，根据工况实时预测各变量对各控制量的影响因子并输入NPI控制器；将各变量误差值输入NPI控制器，结合影响因子经过非线性比例、积分运算得到三维控制量；将三维控制量输入旋挖钻机的发动机油门、加压油缸阀口、动力马达阀口，控制动力头扭矩、动力头加压力、单位时间进尺量同时达到期望区间。本发明专利技术采用非线性PI控制，能很好地适应旋挖钻机作业环境的非结构性，鲁棒性强；引入控制量影响因子进行多变量耦合，实现旋挖钻机钻进过程的油门自动控制，极大提高钻进作业的效率，降低操作工人的工作强度。操作工人的工作强度。操作工人的工作强度。

【技术实现步骤摘要】
一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及旋挖钻机油门自动控制
，具体涉及一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法。

技术介绍

[0002]旋挖钻机是一种多用途的建筑基础桩施工设备，广泛应用于道路、桥梁、码头、高层建筑等工程桩基础施工。
[0003]由于施工复杂及工期紧张等原因，旋挖钻机经常长时间连续施工，尤其是经常长时间连续钻进作业。在一般的旋挖钻机钻进作业中，完全依靠操作员感知先导手柄的变化进而调整发动机油门、加压油缸和动力马达来控制旋挖钻机的钻进。该情况下，旋挖钻机的工作效率低，操作员的工作强度大。因此，本专利技术提出一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法，使得旋挖钻机在钻进过程中可根据实际工况自动控制发动机油门、加压油缸阀口和动力马达阀口的开度，进而实现旋挖钻机的自动钻进，操作员只需进行简单操作或在特殊情况下介入即可。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法及系统。针对旋挖钻机钻进过程中各油门及阀口开度的自动控制问题，在充分考虑旋挖钻机作业所处的非结构环境、作业工况的不确定性、各输出变量间复杂关系的耦合的前提下，基于非线性PI(以下简称NPI)和神经网络提出多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法。采用该方法，旋挖钻机在钻进作业过程中能自动控制油门和阀口开度，使得动力头扭矩、动力头加压力、单位时间进尺量始终保持在最佳期望区间，从而使其保持至最高自动钻进效率。此外，还具备防止不当操作损坏钻齿，降低操作工人的工作强度等优点。
>[0005]为实现上述目的，本专利技术中一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法，具体步骤如下：
[0006]步骤1，获取当前时间点t的动力头扭矩实际值T
r
、动力头加压力实际值P
r
和单位时间进尺量实际值H
r
；由逻辑控制单元根据以上数据对比分析判断所处的钻进地层，根据所处钻进地层划分工况；根据所处工况得到设定的各变量期望值T
d
、P
d
、H
d
；获取前一时间点t
‑
Δt的参数所述参数表示前一时间点t
‑
Δt的三维误差值e
t
‑
Δt
的二阶差分，其定义为的二阶差分，其定义为e为动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量误差值T
e
、P
e
和H
e
，下标t表示当前时间点，t
‑
Δt表示当前时间点的前一时间点，t
‑
2Δt为当前时间点前的第二个时间点，Δt为采样间隔；
[0007]步骤2，将当前时间点t的动力头扭矩、动力头加压力、单位时间进尺量三个变量的实际值T
r
、P
r
和H
r
输入神经网络的输入层，由神经网络隐藏层中的激活函数执行输入到输出的非线性转换，转换关系为和y
(i)
＝f(W
(i)
y
(i
‑
1)
),式中y表示具有＝3
个输入的神经元的输出，x表示输入，w表示输入和输出之间的权重，b是偏置项，f表示激活函数；y
(i)
表示第i个神经网络层的输出，W
(i)
是第i
‑
1层和第i层之间的权重；由输出层输出控制量影响因子ω1～ω7，将控制量影响因子ω1～ω7输入NPI控制器中；
[0008]步骤3，将当前时间点t动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量的误差值T
e
、P
e
和H
e
输入NPI控制器中，
[0009]结合控制量影响因子ω，根据下列计算公式进行复合运算得到三维控制量u
v
、u
l1
、u
l2
[0010]010]010][0011]K
P
表示比例增益，K
I
表示积分增益，
[0012]012]012]012][0013]Δt表示采样间隔，G
v
表示发动机油门控制量的积分因子，G
l1
表示加压油缸阀口控制量的积分因子，G
l2
表示动力马达阀口控制量的积分因子；b表示对照因子，决定了收敛速度；度；和分别为步骤1中动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量误差值T
e
、P
e
和H
e
计算得到的参数计算得到的参数和为误差的变化率；
[0014][0015]三维控制量u
v
、u
l1
、u
l2
，分别对应发动机油门、加压油缸阀口和动力马达阀口的增量；
[0016]步骤4，将三维控制量u＝[u
v u
l1 u
l2
]T
输入旋挖钻机的发动机油门、加压油缸阀口、动力头动力马达阀口，给三个误差值e
t
＝[T
e P
e H
e
]T
设置三个对应误差阈值ε＝[ε
1 ε
2 ε3]T
，当e
t
＜ε时，动力头扭矩、动力头加压力、单位时间进尺量都达到期望区间，完成油门自动控制。
[0017]优选的，所述各变量实际值T
r
、P
r
、H
r
分别由扭矩传感器、压力传感器、位移传感器获取，期望值T
d
、P
d
、H
d
则由逻辑控制单元根据工况设定。
[0018]优选的，所述控制量影响因子ω表示各变量误差值对各控制量的影响系数值。
[0019]本专利技术的另一目的在于提供一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制系统，包括如下部分：数据采集模块、参数预测模块和油门增量控制模块，
[0020]其中，数据采集模块包括用于按照设定的时间间隔周期性采集旋挖钻机钻进作业中的动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量，即动力头扭矩实际值T
r
、动力头加压力实际值P
r
和单位时间进尺量实际值H
r
；
[0021]参数预测模块用于执行以下步骤：
[0022]步骤1，根据当前时间点t的动力头扭矩实际值T
r
、动力头加压力实际值P
r
和单位时
间进尺量实际值H
r
对比分析判断所处的钻进地层，根据所处钻进地层划分工况；根据所处工况得到设定的各变量期望值T
d
、P
d
、H
d
；
[0023]获取前一时间点t
‑
Δt的参数所述参数表示前一时间点t
‑
Δt的三维误差值e
t
‑
Δt<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：步骤1，获取当前时间点t的动力头扭矩实际值T
r
、动力头加压力实际值P
r
和单位时间进尺量实际值H
r
；根据以上数据对比分析判断所处的钻进地层，根据所处钻进地层划分工况；根据所处工况得到设定的各变量期望值T
d
、P
d
、H
d
；获取前一时间点t
‑
Δt的参数所述参数表示前一时间点t
‑
Δt的三维误差值e
t
‑
Δt
的二阶差分，其定义为的二阶差分，其定义为e为动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量误差值T
e
、P
e
和H
e
，下标t表示当前时间点，t
‑
Δt表示当前时间点的前一时间点，t
‑
2Δt为当前时间点前的第二个时间点，Δt为采样间隔；步骤2，将当前时间点t的动力头扭矩、动力头加压力、单位时间进尺量三个变量的实际值T
r
、P
r
和H
r
输入神经网络的输入层，由神经网络隐藏层中的激活函数执行输入到输出的非线性转换，转换关系为和y
(i)
＝f(W
(i)
y
(i
‑
1)
),式中y表示具有I＝3个输入的神经元的输出，x表示输入，w表示输入和输出之间的权重，b是偏置项，f表示激活函数；y
(i)
表示第i个神经网络层的输出，W
(i)
是第i
‑
1层和第i层之间的权重；由输出层输出控制量影响因子ω1～ω7，将控制量影响因子ω1～ω7输入NPI控制器中；步骤3，将当前时间点t动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量的误差值T
e
、P
e
和H
e
输入NPI控制器中，根据下列计算公式得到三维控制量u
v
、u
l1
、u
l2l2l2
K
P
表示比例增益，K
I
表示积分增益，表示积分增益，表示积分增益，表示积分增益，Δt表示采样间隔，G
v
表示发动机油门控制量的积分因子，G
l1
表示加压油缸阀口控制量的积分因子，G
l2
表示动力马达阀口控制量的积分因子；b表示对照因子，决定了收敛速度；和分别为步骤1中动力头扭矩、动力头加压力和单位时间进尺量误差值T
e
、P
e
和H
e
计算得到的参数计算得到的参数和为误差的变化率；三维控制量u
v
、u
l1
、u
l2
，分别对应发动机油门、加压油缸阀口和动力马达阀口的增量；步骤4，将三维控制量u＝[u
v
u
l1
u
l2
]
T
输入旋挖钻机的发动机油门、加压油缸阀口、动力头动力马达阀口，通过控制上述各油门和阀口增量实现旋挖钻机钻进作业过程的油门自动控制。给三个误差值e
t
＝[T
e
P
e
H
e
]
T
设置三个对应误差阈值ε＝[ε1ε2ε3]
T
，当e
t
＜ε时，动力头扭矩、动力头加压力、单位时间进尺量都达到期望区间，完成油门控制。
2.根据权利要求1所述多变量耦合的旋挖钻机油门控制方法，其特征在于，所述各变量期望值T
d
、P
d
、H
d
由逻辑控制单元根据工况设定；三维控制量u＝[u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫绍鹏，王继新，王海金，沈雨鹰，刘超勤，李想，顾晓超，王琦，冯晨龙，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：