钻进控制方法和旋挖钻机
技术领域
本发明涉及旋挖钻机钻进控制技术领域，尤其涉及一种钻进控制方法和旋挖钻机。
背景技术
旋挖钻机是一种典型的工程机械设备，适用于多类工程建筑的基础桩施工，如公路、桥梁和高层建筑等。
地质层不同距离具有不同的地质和硬度，如粘土、沙土和岩层等。另外，我国国土辽阔，地质层具有多样性和不确定性，我们在不同地理环境，具有不同的地质层结构，且每一层地质结构距离未知。
相关技术中，油缸加压完全依靠操作手，当钻进不同地质层，操作手感知先导手柄的变化来调整加压油缸压力，钻孔质量完全依赖于操作手的经验。但操作手过于激进会导致旋挖钻机憋停，甚至损坏钻齿，而当操作手过于保守，则不能充分发挥钻机能力，浪费燃油。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种钻进控制方法，以在一定程度上解决现有技术中由于油缸加压完全依赖操作手导致钻孔质量不稳定、损坏钻齿或者浪费燃油的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种旋挖钻机，以在一定程度上解决现有技术中由于油缸加压完全依赖操作手导致钻孔质量不稳定、损坏钻齿或者浪费燃油的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案；
基于上述第一目的，本发明提供的钻进控制方法，用于旋挖钻机，所述钻进控制方法具体包括以下步骤：
获取加压油缸的目标功率，启动所述加压油缸以驱动钻具下行钻进；
获取所述旋挖钻机的当前功率、功率差值和功率差值变化率，所述功率差值为所述目标功率与所述当前功率的差值，所述功率差值变化率为所述功率差值的微分值；
将所述功率差值和所述功率差值变化率作为输入量，将所述加压油缸的流量调节量作为所述模糊控制器的输出量；
依据模糊控制规则进行模糊处理，以使所述加压油缸工作在所述目标功率。
在上述任一技术方案中，可选地，所述模糊控制规则具体包括：
将功率差值划分为八个第一模糊子集：NB1,NM1,NS1,N01,PO1,PS1,PM1,PB1；
将功率差值变化率划分为七个第二模糊子集：NB2,NM2,NS2,02,PS2,PM2,PB2；
将流量调节量划分为七个第三模糊子集：NB3,NM3,NS3,03,PS3,PM3,PB3；
根据流量调节量关于功率差值和功率差值变化率的关系，建立第三模糊子集关于第一模糊子集和第二模糊子集的对应关系。
在上述任一技术方案中，可选地，所述进行模糊处理的步骤具体包括以下步骤：
根据所述模糊控制规则匹配功率差值对应的第一模糊子集以及功率差值变化率对应的第二模糊子集；
根据匹配到的第一模糊子集和匹配到的第二模糊子集匹配第三模糊子集；
对匹配到的第三模糊子集取并集，以得到模糊推理结果；
对模糊推理结果进行反模糊化处理，得到加压油缸的流量调节量；
根据所述加压油缸的流量调节量调节电磁比例阀的开度，以调节进入加压油缸的流量。
在上述任一技术方案中，可选地，所述功率差值、所述功率差值变化率和所述流量调节量的隶属度函数为三角形隶属度函数。
在上述任一技术方案中，可选地，采用重心法对模糊推理结果进行反模糊化处理。
在上述任一技术方案中，可选地，获取加压油缸的功率差值和功率差值变化率的步骤，具体包括：
在一个采样周期内，采集所述功率差值的多个离散值，将多个所述离散值的平均值作为所述功率差值；
确定所述功率差值在所述采样周期内的拟合曲线，将所述拟合曲线的斜率作为所述功率差值变化率。
在上述任一技术方案中，可选地，将所述功率差值和所述功率差值变化率作为输入量的步骤还包括以下步骤：
通过第一比例因子对功率差值量化后作为第一输入量；
通过第二比例因子对功率差值变化率量化后作为第二输入量。
基于上述第二目的，本发明提供的旋挖钻机，包括：
输入装置，所述输入装置能够接收输入的加压油缸的目标功率以及控制加压油缸启停的指令；
加压油缸和钻具，所述加压油缸能够驱动所述钻具下行；
数据采集装置，所述数据采集装置与所述加压油缸和所述钻具连接，并能够实时获取当前功率、功率差值和功率差值变化率；
模糊控制器，所述模糊控制器分别与所述数据采集装置和输入装置电连接，所述模糊控制器能够计算功率差值和功率差值变化率，并将所述功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的流量调节量作为输出量，依据模糊控制规则进行模糊处理；
比例调节阀，所述比例调节阀连接于油源与所述加压油缸之间，以根据流量调节量调节所述加压油缸的流量。
在上述任一技术方案中，可选地，所述数据采集装置包括压力传感器和距离传感器；
所述压力传感器设置于加压油缸，所述压力传感器能够检测所述加压油缸的负载压力；
所述距离传感器设置于所述钻具，所述距离传感器能够检测所述钻具的下行距离。
在上述任一技术方案中，可选地，所述旋挖钻机还包括中心控制器，所述模糊控制器集成于所述中心控制器。
采用上述技术方案，本发明的有益效果：
本发明提供的钻具控制方法，将功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的调节流量作为输出量，依据模糊控制规则进行模糊处理，以使加压油缸工作在目标功率，从而在保证旋挖钻机正常运作的情况下，提高了钻进效率，充分发挥旋挖钻机的钻进能力。相较于现有技术中采用操作手控制手柄调节加压油缸的技术方案，显著降低了对于操作手熟练程度的依赖，且能够避免人为操作过激或操作保守的情况出现，降低了旋挖钻机操作手的工作难度，对于加压油缸工作在目标功率的保持效果更加稳定化和自动化，提高了旋挖钻机的工作效率。
本发明提供的旋挖钻机，采用上述的钻进控制方法进行钻进，因而能够实现该钻进控制方法的所有有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的钻进控制方法的模糊控制器的工作原理图；
图2为本发明实施例一提供的钻进控制方法的功率差值的隶属度函数分布图；
图3为本发明实施例一提供的钻进控制方法的功率差值变化率的隶属度函数分布图；
图4为本发明实施例一提供的钻进控制方法的流量调节量的隶属度函数分布图；
图5为本发明实施例一提供的钻进控制方法的流量调节量的组合输出图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
本实施例提供的钻进控制方法，用于旋挖钻机，旋挖钻机包括模糊控制器、比例调节阀、加压油缸和由加压油缸控制下行的钻具，比例调节阀连接于油源与加压油缸之间，以调节油源向加压油缸供油的流量。
参见图1至图5所示，本实施例提供的钻进控制方法，具体包括以下步骤：
S100，获取加压油缸的目标功率，启动加压油缸以驱动钻具下行钻进；
S101，获取旋挖钻机的当前功率W1、功率差值和功率差值变化率，功率差值为目标功率W2与当前功率W1的差值，功率差值变化率为功率差值的微分值；
S102，将功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的流量调节量作为模糊控制器的输出量；
S103，依据模糊控制规则进行模糊处理，以使加压油缸工作在目标功率。
具体地，钻具钻入不同岩层时，加压油缸受到的负载压力不同，如果加压油缸的流量保持不变，那么将导致加压油缸的功率不稳定。该钻进控制方法，当钻具钻入硬度较高的土层时，负载压力增大，模糊控制器减小加压油缸的流量，从而降低钻具的下行速度，最终保证功率不变；当钻具钻入硬度较小的土层时，负载压力减小，模糊控制器增大加压油缸的流量，从而提高钻具下行速度，最终保证功率不变。
可选地，目标功率小于发动机的最大允许功率，例如，目标功率为发动机最大允许功率的80％。
本实施例中的钻进控制方法，将功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的调节流量作为输出量，依据模糊控制规则进行模糊处理，以使加压油缸工作在目标功率，从而在保证旋挖钻机正常运作的情况下，提高了钻进效率，充分发挥旋挖钻机的钻进能力。相较于现有技术中采用操作手控制手柄调节加压油缸的技术方案，显著降低了对于操作手熟练程度的依赖，且能够避免人为操作过激或操作保守的情况出现，降低了旋挖钻机操作手的工作难度，对于加压油缸工作在目标功率的保持效果更加稳定化和自动化，提高了旋挖钻机的工作效率。
本实施例的可选方案中，模糊控制规则具体包括：
将功率差值划分为八个第一模糊子集：NB1,NM1,NS1,N01,PO1,PS1,PM1,PB1；
将功率差值变化率划分为七个第二模糊子集：NB2,NM2,NS2,02,PS2,PM2,PB2；
将流量调节量划分为七个第三模糊子集：NB3,NM3,NS3,03,PS3,PM3,PB3；
根据流量调节量关于功率差值和功率差值变化率的关系，建立第三模糊子集关于第一模糊子集和第二模糊子集的对应关系。
其中，功率差值EW的八个模糊子集NB1,NM1,NS1,N01,PO1,PS1,PM1,PB1用词汇来描述，依次为负大大，负大，负小，负小小，正小小，正小，正大，正大大；功率差值变化率CW的七个模糊子集NB2,NM2,NS2,02,PS2,PM2,PB2和流量调节量ΔQ的七个模糊子集NB3,NM3,NS3,03,PS3,PM3,PB3用词汇来描述，依次为负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
模糊控制规则如表1所示，示出了第三模糊子集关于第一模糊子集和第二模糊子集的对应关系：
表1
该模糊控制规则，根据功率差值EW的变化程度以及功率差值变化率CW的变化程度的不同组合，将对应的流量调节量进行细分，使功率差值、功率差值变化率与加压油缸的流量调节量之间的对应关系精细化，以应对施工现场多种工况，使该钻进控制方法具备较高的灵活性、全面性和精确调节性。
本实施例的可选方案中，钻机控制方法具体包括以下步骤：
S200，获取加压油缸的目标功率，启动加压油缸以驱动钻具下行钻进；
S201，获取旋挖钻机的当前功率、功率差值和功率差值变化率，功率差值为目标功率与当前功率的差值，功率差值变化率为功率差值的微分值；
S202，将功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的流量调节量作为模糊控制器的输出量；
S203，根据模糊控制规则匹配功率差值对应的第一模糊子集以及功率差值变化率对应的第二模糊子集；
S204，根据匹配到的第一模糊子集和匹配到的第二模糊子集匹配第三模糊子集；
S205，对匹配到的第三模糊子集取并集，以得到模糊推理结果；
S206，对模糊推理结果进行反模糊化处理，得到加压油缸的流量调节量；
S207，根据加压油缸的流量调节量调节电磁比例阀的开度，以调节进入加压油缸的流量。
如图2至图4所示，其中，EW0为单位功率差值，CW0为单位功率差值变化率，ΔQ0为单位流量调节量。功率差值、功率差值变化率和所述流量调节量的隶属度函数为三角形隶属度函数，三角形隶属度函数具有简化计算、易于实现和控制性能好的优点。具体地，功率差值的隶属度函数为μ1(x)，功率差值变化率的隶属度函数为μ2(y)，流量调节量的隶属度函数为μ3(z)。
下面结合图2至图5对上述步骤进行举例说明：
例如，当x＝5CW0，那么匹配到CW的第一模糊子集包括NS1(1/3)和NO1(1/2)，其中NS1的隶属度函数μ1取值为1/3，表示为NS1(1/3)，NO1的隶属度函数μ1取值为1/2，表示为NO1(1/2)；y＝7EW0，那么匹配到的第二模糊子集包括O2(1/2)和PS2(1/3)，其中O2的隶属度函数μ2取值为1/2，表示为O2(1/2)，PS2的隶属度函数μ2取值为1/3，表示为PS2(1/3)。
根据匹配到的第一模糊子集和第二模糊子集能够匹配如下表2所示的四种第三模糊子集。
表2
表2中的每个第三模糊子集的隶属度函数的最大值取相应的CW与EW的隶属度函数取值中的较小值，如下表3所示，示出了每种CW与EW组合的隶属度函数取值中的较小值。
表3
通过表3中的隶属度函数的最大值对表2中的第三模糊子集进行赋值，得到表4。
表4
如图5所示，通过图像示出了表4中的四种第三模糊子集，且阴影部分示出了上述四个第三模糊子集的并集。
进一步地，对模糊处理的输出结果采用重心法进行反模糊化，具体地，图5中实线部分与横坐标围设成的图形的重心所对应的横坐标即为反模糊化后得到的加压油缸的流量调节量。例如，如果反模糊化后得到的流量调节量z＝-3ΔQ0，那么意味着流量调节量为减小三个单位流量调节量；如果反模糊化后得到的流量调节量z＝2ΔQ0，那么意味着流量调节量为增加两个单位流量调节量。
本实施例的可选方案中，钻进控制方法具体包括以下步骤：
S300，获取加压油缸的目标功率，启动加压油缸以驱动钻具下行钻进；
S301，获取旋挖钻机的当前功率、功率差值和功率差值变化率，功率差值为目标功率与当前功率的差值，功率差值变化率为功率差值的微分值；
S302，在一个采样周期内，采集功率差值的多个离散值，将多个离散值的平均值作为功率差值；
S303，确定功率差值在采样周期内的拟合曲线，将拟合曲线的斜率作为功率差值变化率；
S304，将功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的流量调节量作为模糊控制器的输出量；
S305，根据模糊控制规则匹配功率差值对应的第一模糊子集以及功率差值变化率对应的第二模糊子集；
S306，根据匹配到的第一模糊子集和匹配到的第二模糊子集匹配第三模糊子集；
S307，对匹配到的第三模糊子集取并集，以得到模糊推理结果；
S308，对模糊推理结果进行反模糊化处理，得到加压油缸的流量调节量；
S309，根据加压油缸的流量调节量调节电磁比例阀的开度，以调节进入加压油缸的流量。
该钻进控制方法，采用多个离散值的平均值得到的当前功率W1，能够更加准确、客观地反映加压油缸当前的工作状态，从而有利于提高基于该当前功率W2得到的功率差值变化率的准确性和客观性，进而有利于提高调节后的加压油缸的功率恒定程度。
可选地，对多个离散值取平均值之前，将多个离散值中的异常离散值剔除。对剔除异常离散值后的多个离散值取算数平均值。
可选地，通过最小二乘法确定加压油缸的当前功率W1在采样周期内的拟合曲线。
本实施例的可选方案中，钻进控制方法具体包括以下步骤：
S400，获取加压油缸的目标功率，启动加压油缸以驱动钻具下行钻进；
S401，获取旋挖钻机的当前功率、功率差值和功率差值变化率，功率差值为目标功率与当前功率的差值，功率差值变化率为功率差值的微分值；
S402，在一个采样周期内，采集功率差值的多个离散值，将多个离散值的平均值作为功率差值；
S403，确定功率差值在采样周期内的拟合曲线，将拟合曲线的斜率作为功率差值变化率；
S404，通过第一比例因子对功率差值量化后作为第一输入量，通过第二比例因子对功率差值变化率量化后作为第二输入量，将加压油缸的流量调节量作为模糊控制器的输出量；
S405，根据模糊控制规则匹配功率差值对应的第一模糊子集以及功率差值变化率对应的第二模糊子集；
S406，根据匹配到的第一模糊子集和匹配到的第二模糊子集匹配第三模糊子集；
S407，对匹配到的第三模糊子集取并集，以得到模糊推理结果；
S408，对模糊推理结果进行反模糊化处理，得到加压油缸的流量调节量；
S409，根据加压油缸的流量调节量调节电磁比例阀的开度，以调节进入加压油缸的流量。
通过设置第一比例因子和第二比例因子，能够使第一输入量和第二输入量能够更加准确地反映受控过程中输出量的动态特性。
实施例二
实施例二提供了一种旋挖钻机，该旋挖钻机采用实施例一提供的钻进控制方法，实施例一所公开的钻进控制方法也适用于该实施例，实施例一以公开的钻进控制方法的技术特征不再重复描述。
本实施例提供的旋挖钻机，包括输入装置、加压油缸、钻具、数据采集装置、模糊控制器和比例调节阀。
输入装置能够接收输入的加压油缸的目标功率以及控制加压油缸启停的指令；加压油缸能够驱动钻具下行；数据采集装置与加压油缸和钻具连接，并能够实时获取当前功率、功率差值和功率差值变化率；模糊控制器分别与数据采集装置和输入装置电连接，模糊控制器能够计算功率差值和功率差值变化率，并将功率差值和功率差值变化率作为输入量，将加压油缸的流量调节量作为输出量，依据模糊控制规则进行模糊处理；比例调节阀连接于油源与加压油缸之间，以根据流量调节量调节加压油缸的流量。
其中，目标功率的大小直接影响旋挖钻机的钻进效率，通过输入装置和显示装置设定模糊控制器内的目标功率，从而便于在小于加压油缸的最大功率的范围内合理选择目标功率，进而达到在当前工况下使钻进效率最大化。
可选地，该旋挖钻机具有普通钻进模式和恒功率钻进模式，通过实施例一提供的钻进控制方法能够实现恒功率钻进模式。通过输入装置和显示装置能够选择执行或关闭普通钻进模式、恒功率钻进模式。
该旋挖钻机能够通过输入装置、加压油缸、钻具、数据采集装置、模糊控制器和比例调节阀的配合，执行实施例一提供的钻进控制方法，能够使加压油缸工作在目标功率，达到恒功率工作的目的，从而保证旋挖钻机正常工作的情况下，提高钻进效率，使该旋挖钻机的钻进能力得到充分发挥。
可选地，输入装置和显示装置集成为触摸显示屏。
本实施例的可选方案中，数据采集装置包括压力传感器和距离传感器；压力传感器设置于加压油缸，压力传感器能够检测加压油缸的负载压力；距离传感器设置于钻具，距离传感器能够检测钻具的下行距离。该数据采集装置能够根据负载压力和下行距离计算当前功率、功率差值和功率差值变化率。
本实施例的可选方案中，旋挖钻机还包括中心控制器，模糊控制器集成于中心控制器，从而便于将控制算法写入中心控制器中，提高对于各种参数的进行设定的便利性。
本实施例中的旋挖钻机具有实施例一中的钻进控制方法的优点，实施例一所公开的钻进控制方法的优点在此不再重复描述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
