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煤矿坑道钻进过程智能优化与控制技术

煤田地质与勘探 2023年第9期51卷 1-9页

作者：姚宁平吴敏陈略峰陆承达范海鹏张幼振李旺年姚克中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 煤炭科学研究总院北京100013 中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074

煤矿坑道钻进施工环境恶劣、复杂的煤层结构和繁杂的操作工序造成钻进效率低、钻进成本高。开展煤矿坑道钻进过程优化与控制技术的研究势在必行。围绕煤矿坑道钻进控制过程关键技术,从含煤地层岩性智能识别、钻进参数智能优化和智能控制... 详细信息

煤矿坑道钻进施工环境恶劣、复杂的煤层结构和繁杂的操作工序造成钻进效率低、钻进成本高。开展煤矿坑道钻进过程优化与控制技术的研究势在必行。围绕煤矿坑道钻进控制过程关键技术,从含煤地层岩性智能识别、钻进参数智能优化和智能控制3方面展开。首先,为了准确判断含煤地层类型,建立基于BP-Adaboost的含煤地层岩性智能识别模型。然后,在不同含煤地层条件下,建立基于机械比能和钻速的智能优化模型,为司钻人员提供最优给进压力和转速参考值。进而,提出一种基于模糊PID的给进压力控制策略,实现给进压力的有效控制。最后,基于煤矿坑道钻机智能钻进系统在淮南矿区某煤矿井下进行了现场试验。试验结果表明:所提含煤地层岩性智能识别方法的识别准确率达到96.75%;智能优化方法显著提升现场钻速,消耗的机械比能降低,在提高钻进效率的同时降低了钻进成本;给进压力控制策略使给进压力稳定运行在最优值附近,减小给进系统超调的同时,提升系统的响应速度,使给进压力的动态响应更加平稳。煤矿坑道钻进过程智能优化与控制技术能够保障钻进过程安全高效运行,促进煤矿坑道钻进技术智能化发展。

关键词：煤矿坑道钻进岩性识别智能优化智能控制

基于等价输入干扰方法的钻孔机器人给进力跟踪控制

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煤田地质与勘探 2023年第9期51卷 171-179页

作者：李旺年陆承达张幼振宋海涛田盛楠黄恒宇陈略峰吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中,钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题,首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺,根据其给进系统的工... 详细信息

煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中,钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题,首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺,根据其给进系统的工作原理,建立了减压阀控制数学模型,获得了控制输入量电磁铁电流与控制输出量减压阀出口压力的映射关系,并在明确给进力驱动方式的基础上对整个给进系统进行控制建模。随后设计了钻孔机器人给进力跟踪控制系统,使用Luenburger全维状态观测器重构被控对象状态,建立基于等价输入干扰估计(EID)与补偿的控制结构,设计了状态反馈控制器、状态观测器和干扰估计器增益矩阵,实现给进力闭环控制系统稳定的同时具有满意的跟踪与扰动抑制性能。最后利用Matlab软件搭建数值仿真模型,以某煤矿井下实际钻进施工时给进系统的实测钻进数据信号为例进行仿真研究,以给进力为控制目标,实测减压阀输出压力波动为依据设计外部扰动信号,分别采用所提EID控制方法和PID控制方法进行了对比仿真。结果表明:所提方法获得了比PID方法更小的稳态跟踪误差峰峰值,且跟踪误差更小,保证了给进系统稳定运行,具有较好的跟踪与扰动抑制性能。研究结果对提高钻孔机器人适应复杂煤层负载变化,保证其工作性能和安全高效施工提供了控制理论基础。

关键词：钻孔机器人给进力跟踪控制等价输入干扰方法动力学模型仿真试验

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基于地质钻探智能云监控系统的钻速优化决策

指挥与控制学报 2023年第3期9卷 274-282页

作者：吴潇赖旭芝陆承达黄恒宇吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室湖北武汉430074 地球探测智能化技术教育部工程研究中心湖北武汉430074

面向地质钻探智能控制与优化决策的工程需求,基于云控制系统的设计理念,提出了地质钻探智能云监控系统设计方案,实现钻进过程状态监测、效率优化、智能控制与决策等功能.针对云监控系统中效率优化需求,提出了基于高斯过程回归和混合蝙... 详细信息

面向地质钻探智能控制与优化决策的工程需求,基于云控制系统的设计理念,提出了地质钻探智能云监控系统设计方案,实现钻进过程状态监测、效率优化、智能控制与决策等功能.针对云监控系统中效率优化需求,提出了基于高斯过程回归和混合蝙蝠算法的钻速智能优化方案,并运用滑动时间窗口技术实现动态优化.基于智能云监控系统,设计了实际场景应用,结果验证了所提方法的有效性和工程适用性.

关键词：地质钻探智能云监控系统钻速优化高斯过程回归混合蝙蝠算法

基于钻柱状态估计的坑道回转钻进智能优化方法

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煤田地质与勘探 2023年第11期51卷 141-148页

作者：姚宁平魏宏超张金宝陆承达李浩姚亚峰柯友刚张幼振煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074

为解决现有研究中难以通过随钻获取孔底钻进参数,仅利用孔口数据进行回转钻进操作参数优化准确性不高、提升效果不足的问题,通过构造孔内状态观测器估计孔底钻进参数信息,提出基于钻柱状态的坑道近水平回转钻进智能优化方法。首先分析... 详细信息

为解决现有研究中难以通过随钻获取孔底钻进参数,仅利用孔口数据进行回转钻进操作参数优化准确性不高、提升效果不足的问题,通过构造孔内状态观测器估计孔底钻进参数信息,提出基于钻柱状态的坑道近水平回转钻进智能优化方法。首先分析煤矿井下坑道回转钻进特性,考虑实钻约束条件,提出机械钻速和钻头磨损的优化目标评价方法;随后建立轴向和扭转维度的集中质量钻柱动力学模型,构建基于该模型的钻柱状态空间方程,得到了孔口-孔底钻柱运动状态映射关系;基于此设计了状态观测器,利用李雅普诺夫稳定性分析方法,得到反馈增益矩阵L,以估计孔底钻头的运动状态,并进行仿真分析评价;最后综合孔口采集的数据和孔底状态估计,运用NSGA-Ⅱ多目标优化算法实现了动力头转速和给进压力的优化,并利用安徽淮南某煤矿实钻数据进行了验证。结果表明,基于钻柱状态估计孔底信息进行优化后的钻速和司钻操作相比预计提升32.47%,仅利用孔口实测数据优化后的钻速仅预计提升15.04%,基于钻柱状态估计的坑道回转钻进智能优化方法更具优势,孔底估计钻进信息对提升钻进水平具有关键作用,研究对煤矿坑道回转钻孔实现高效、智能钻进具有重要理论与实际意义。

关键词：回转钻进状态估计动力学模型多目标优化煤矿

三维侧钻井钻进轨迹多目标智能优化算法的应用实验及结果分析

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钻探工程 2022年第4期49卷 23-30页

作者：黄雯蒂胡杰陆承达吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室地球探测智能化技术教育部工程研究中心

钻进轨迹多目标优化是实现定向井高效、安全钻进的关键之一。随着优化算法性能的不断改进，求解轨迹优化问题能够得到具有更小轨迹长度、复杂度和中靶误差的轨迹设计方案，然而算法的实用性尚未得到验证。本文利用结合自适应罚函数的多... 详细信息

钻进轨迹多目标优化是实现定向井高效、安全钻进的关键之一。随着优化算法性能的不断改进，求解轨迹优化问题能够得到具有更小轨迹长度、复杂度和中靶误差的轨迹设计方案，然而算法的实用性尚未得到验证。本文利用结合自适应罚函数的多目标分解进化算法、基于最小模糊熵的综合评价方法，解决三维侧钻井轨迹优化问题。将所提出的优化与决策方法在钻进过程智能控制实验系统中进行应用，验证了所提方法的实用性，能够为工程实际中的轨迹设计提供借鉴和指导，并为后续轨迹跟踪控制提供参考。

关键词：定向井三维侧钻井钻进轨迹轨迹优化多目标优化

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地质钻探过程状态监测App软件设计与应用

钻探工程 2022年第4期49卷 41-48页

作者：文浩贤杜胜张典陆承达吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074 复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室湖北武汉430074 地球探测智能化技术教育部工程研究中心湖北武汉430074

区域钻场数据监测对地质钻探过程的控制和决策具有重要意义。为解决当前大多数钻探过程状态监测系统存在的钻孔数据单一、数据互联不通以及缺乏远程便携式监测软件等问题,结合移动通信和互联网技术,开发一款基于Android的地质钻探过程... 详细信息

区域钻场数据监测对地质钻探过程的控制和决策具有重要意义。为解决当前大多数钻探过程状态监测系统存在的钻孔数据单一、数据互联不通以及缺乏远程便携式监测软件等问题,结合移动通信和互联网技术,开发一款基于Android的地质钻探过程状态监测App。该App整体采用模型-视图-演示器架构进行设计,具有实时监测、历史曲线趋势分析等一系列功能。在辽宁丹东3000 m科学钻探工程现场投入使用,取得了良好的状态监测效果。该App可实时获取钻进过程状态信息,并及时提醒专家进行操作调节与决策,为地质钻探施工提供很大的便利。

关键词：地质钻探过程状态监测 App设计与开发 Android

基于Overhauser传感器的近地表UXO磁梯度法探测技术

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仪器仪表学报 2015年第5期36卷 961-974页

作者：葛健陆承达董浩斌刘欢袁志文赵志卓刘咏华朱俊张海洋中国地质大学自动化学院武汉430074 中国地质大学机械与电子信息学院武汉430074 中国地质大学地球物理与空间信息学院武汉430074 近地面探测技术重点实验室无锡214035

实现对UXO的有效探测对保障战时己方人员安全与装备机动,以及战后人民生命财产安全和地区经济发展都具有重要的意义。目前,我国在UXO探测领域,方法理论研究方面,存在基础相对较薄弱、相关文献很少的问题;探测仪器方面,存在传感器灵敏度... 详细信息

实现对UXO的有效探测对保障战时己方人员安全与装备机动,以及战后人民生命财产安全和地区经济发展都具有重要的意义。目前,我国在UXO探测领域,方法理论研究方面,存在基础相对较薄弱、相关文献很少的问题;探测仪器方面,存在传感器灵敏度低(不能分辨小型航弹产生的微弱异常场)、信号提取手段落后的问题。针对这些问题,通过采用磁梯度探测方法、高精度Overhauser传感器来提高UXO探测灵敏度。首先,建立了适合航弹磁法探测的三度体的圆柱体模型,并对航弹的ΔT磁异常和垂直磁梯度异常进行了数值模拟和比较;然后,进行了背景磁场干扰和物理模型实验,验证了磁梯度法的可行性和优势;在此基础上,研究了动态核极化效应、自由基物质、Larmor信号的处理和抗干扰设计,并最终研制了基于动态核极化效应的Overhauser传感器及样机,在人工磁场发生空间中的测试结果表明其不确定度和国外主流传感器一致,均为0.3 nT。最后,在野外进行了对25 kg航弹的探测实验,测试结果表明其极限探测距离可以达到2.5 m,优于国产现役的探测器。

关键词： Overhauser传感器近地表UXO 磁梯度法三度体自由基

地质钻探垂钻定向纠偏控制的工程实现与实验分析

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钻探工程 2022年第4期49卷 14-22页

作者：张典杜胜陆承达陈略峰曹卫华吴敏中国地质大学(武汉)自动化学院复杂系统先进控制与智能自动化湖北省重点实验室地球探测智能化技术教育部工程研究中心

理论提出的纠偏方法需反复进行实验验证方可应用于实际工程，然而垂钻纠偏控制过程复杂，操作难度大，所需时间长、资金庞大，直接将所提方法放置现场调试是不可取的，而仅采用计算机仿真对算法进行验证也有一定局限性，因此发展和研究... 详细信息

理论提出的纠偏方法需反复进行实验验证方可应用于实际工程，然而垂钻纠偏控制过程复杂，操作难度大，所需时间长、资金庞大，直接将所提方法放置现场调试是不可取的，而仅采用计算机仿真对算法进行验证也有一定局限性，因此发展和研究纠偏控制工程实现方法十分必要。本文以地质钻探钻进过程定向纠偏控制的工程实现为导向，首先分析并给出实际纠偏工艺过程以及纠偏控制的特点与目标；然后总结基于模型预测控制的纠偏控制问题与优化目标，结合笔者早期的一些纠偏控制理论研究，分别阐述不同纠偏工况下的纠偏控制方法；其次开发定向纠偏控制系统，用于集成纠偏控制算法，使得算法能够应用于实际工程；最后设计纠偏控制实验，以验证纠偏控制算法的工程适用性。实验表明，所提纠偏控制方法能够有效应用于实际纠偏过程，并应对和完成多种纠偏任务。

关键词：地质钻探钻进过程定向纠偏垂钻轨迹延伸模型模型预测控制纠偏控制系统工程应用

离散序列曼彻斯特解码在EM-MWD中的应用研究

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科学技术与工程 2015年第7期35卷 200-204页

作者：陆承达董浩斌王家豪张骋中国地质大学机械与电子信息学院武汉430074

传统的曼彻斯特解码往往是在信号连续波形的基础上进行的,即需要先对信号进行整形处理。在电磁随钻通信中,由于接收信号非常微弱,信噪比极低,对波形快速成功地解码有很大难度。详细介绍了某电磁随钻系统中的曼彻斯特解码算法应用,本解... 详细信息

传统的曼彻斯特解码往往是在信号连续波形的基础上进行的,即需要先对信号进行整形处理。在电磁随钻通信中,由于接收信号非常微弱,信噪比极低,对波形快速成功地解码有很大难度。详细介绍了某电磁随钻系统中的曼彻斯特解码算法应用,本解码算法是基于ADC采样的离散序列样本,可提高接收灵敏度,具有响应速度快、稳定性高等优点。

关键词： EM-MWD 曼彻斯特解码离散序列算法设计