【技術實現步驟摘要】
本申請涉及煤礦坑道鉆探工程領域，具體地，涉及一種基于單彎螺桿鉆具的坑道定向鉆孔軌跡跟蹤控制方法。
技術介紹
1、井下定向鉆進技術是治理煤礦瓦斯經濟有效的手段之一。定向鉆進技術具有滑動鉆進和復合鉆進兩種鉆進模式，通過切換鉆進模式來實現對軌跡偏差的控制和鉆進效率的提升，實現高效成孔。煤礦井下定向鉆進技術是利用單彎螺桿鉆具按設計要求鉆進到預定目標的一種人工造斜的鉆探方法，主要包括滑動定向鉆進和復合鉆進兩種模式。滑動定向鉆進是針對鉆孔軌跡偏離設計允許范圍的情況而采取的調整策略。在這種模式下，鉆孔內的鉆具只滑動、不旋轉，通過調整單彎螺桿鉆具的工具面向角來實現控制鉆具的位置和傾角、方位角，使鉆孔能夠向預先確定的方向延伸。這種方法適用于需要快速修正軌跡的情況，能夠有效地實現目標軌跡的調整。復合鉆進則更多地用于保持鉆孔軌跡的平滑和提高排渣能力，有利于鉆孔安全施工。通過切換造斜和穩斜的工作模式，可持續跟蹤并控制預設的軌跡。當鉆孔軌跡已經符合設計要求，且需要保持一定的穩定性時，采用復合鉆進技術可以確保鉆孔在復雜條件下的穩定性和安全性。
2、煤礦地質條件復雜，其中碎軟煤層的煤體結構破碎、鉆孔施工難度大。目前定向鉆進施工工具面向角設置主要以人工經驗總結的螺桿鉆具造斜規律為主依據，存在自動化程度低，以及定向鉆孔軌跡控制不夠精確等問題。
技術實現思路
1、為了克服現有技術中的至少一個不足，本申請提供一種基于單彎螺桿鉆具的坑道定向鉆孔軌跡跟蹤控制方法。
2、第一方面，提供一種基于單彎螺桿
3、構建定向鉆孔軌跡延伸模型；
4、根據設計軌跡和參考控制量，基于定向鉆孔軌跡延伸模型，構建軌跡誤差模型；對軌跡誤差模型進行離散化處理，得到軌跡誤差離散化模型；
5、設定預測時域和控制時域，根據軌跡誤差離散化模型得到軌跡預測模型；
6、基于軌跡預測模型，構建目標函數，并根據目標函數確定非線性規劃問題；
7、求解非線性規劃問題，得到控制時域內的最優控制量。
8、在一個實施例中，定向鉆孔軌跡延伸模型為：
9、
10、x＝[xinc?xazi]t
11、u＝[uincuazi]t
12、a＝kdls，
13、其中，為x的導數，x為狀態變量，xinc為x的傾角分量，xazi為x的方位角分量，為xinc的導數，為xazi的導數，a、b、c為定向鉆孔軌跡延伸模型的系數，u為控制量，uinc為傾角控制量，uazi為方位角控制量，kdls為額定造斜率，為設計軌跡的標稱值。
14、在一個實施例中，軌跡誤差離散化模型為：
15、
16、其中，為當前孔段k的軌跡誤差狀態，為下一孔段的軌跡誤差狀態，t為采樣間隔，l為孔深間隔，和為軌跡誤差離散化模型的系數矩陣，為當前孔段k的控制增量，a、b、c為定向鉆孔軌跡延伸模型的系數。
17、在一個實施例中，軌跡預測模型為：
18、
19、其中，y為預測的下一孔段的軌跡誤差狀態，ψ和φ是軌跡預測模型的系數矩陣，為當前孔段k的軌跡誤差狀態，u為軌跡控制量，為當前孔段k的控制增量，nc為控制時域，np為預測時域，為軌跡誤差離散化模型的系數矩陣，a和b為軌跡誤差模型的系數矩陣。
20、在一個實施例中，非線性規劃問題為：
21、
22、h＝φtqφ+z
23、
24、其中，h為目標函數，u為軌跡控制量，h和f均為二次規劃函數的系數，ψ和φ是軌跡預測模型的系數矩陣，q和z分別為狀態權重矩陣和輸入權重矩陣，為當前孔段k的軌跡誤差狀態；為第k+i孔段傾角控制增量，為第k+i孔段方位角控制增量，uii是傾角控制增量的最小值，uim是傾角控制增量的最大值，uai是方位角控制增量的最小值，uam是方位角控制增量的最大值，i為滑動窗口的孔深寬度，np為預測時域，s.t.表示約束條件。
25、在一個實施例中，方法還包括：
26、將最優控制量的第一個控制量作為當前的控制輸入，并根據當前的控制輸入確定工具面向角。
27、在一個實施例中，方法還包括：
28、根據最優控制量和軌跡預測模型，確定軌跡誤差狀態的預測值；
29、根據當前孔段軌跡的測量值和軌跡誤差狀態的預測值，確定軌跡誤差的大小；
30、根據軌跡誤差的大小對軌跡誤差離散化模型進行修正，得到修正后的軌跡誤差離散化模型；修正后的軌跡誤差離散化模型用于下一孔段的軌跡跟蹤控制。
31、在一個實施例中，修正后的軌跡誤差離散化模型為：
32、
33、其中，為當前孔段k的軌跡誤差狀態的傾角分量，為當前孔段k的軌跡誤差狀態的方位角分量，為下一孔段的軌跡誤差狀態的傾角分量，為下一孔段的軌跡誤差狀態的方位角分量，a、b、c為定向鉆孔軌跡延伸模型的系數，l為孔深間隔，ωinc為軌跡誤差大小的傾角分量，ωazi為軌跡誤差大小的方位角分量；為當前孔段k的傾角控制增量，為當前孔段k的方位角控制增量；
34、修正后的約束條件為：
35、
36、其中，為第k+i孔段傾角控制增量，為第k+i孔段方位角控制增量，uii是傾角控制增量的最小值，uim是傾角控制增量的最大值，uai是方位角控制增量的最小值，uam是方位角控制增量的最大值，i為滑動窗口的孔深寬度，np為預測時域，ωinc(k+i)為第k+i孔段的軌跡誤差大小的傾角分量，ωazi(k+i)為第k+i孔段的軌跡誤差大小的方位角分量。
37、第二方面，提供一種基于單彎螺桿鉆具的坑道定向鉆孔軌跡跟蹤控制裝置，包括：
38、第一模型構建模塊，用于構建定向鉆孔軌跡延伸模型；
39、第二模型構建模塊，用于根據設計軌跡和參考控制量，基于定向鉆孔軌跡延伸模型，構建軌跡誤差模型；對軌跡誤差模型進行離散化處理，得到軌跡誤差離散化模型；
40、第三模型構建模塊，用于設定預測時域和控制時域，根據軌跡誤差離散化模型得到軌跡預測模型；
41、問題構建模塊，用于基于軌跡預測模型，構建目標函數，并根據目標函數確定非線性規劃問題；
42、求解模塊，用于求解非線性規劃問題，得到控制時域內的最優控制量。
43、在一個實施例中，裝置還包括：反饋校正模塊，反饋校正模塊用于：
44、根據最優控制量和軌跡預測模型，確定軌跡誤差狀態的預測值；
45、根據當前孔段軌跡的測量值和軌跡誤差狀態的預測值，確定軌跡誤差的大小；
46、根據軌跡誤差的大小對軌跡誤差離散化模型進行修正，得到修正后的軌跡誤差離散化模型；修正后的軌跡誤差離散化模型用于下一孔段的軌跡跟蹤控制。
47、相對于現有技術而言，本申請具有以下有益效果：
48、本申請根據煤礦井本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于單彎螺桿鉆具的坑道定向鉆孔軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括：
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述定向鉆孔軌跡延伸模型為：
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述軌跡誤差離散化模型為：
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述軌跡預測模型為：
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述非線性規劃問題為：
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述修正后的軌跡誤差離散化模型為：
9.一種基于單彎螺桿鉆具的坑道定向鉆孔軌跡跟蹤控制裝置，其特征在于，包括：
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括：反饋校正模塊，所述反饋校正模塊用于：
【技術特征摘要】
1.一種基于單彎螺桿鉆具的坑道定向鉆孔軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括：
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述定向鉆孔軌跡延伸模型為：
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述軌跡誤差離散化模型為：
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述軌跡預測模型為：
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述非線性規劃問題為：
6.如...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李浩，姚寧平，魏宏超，陸承達，張金寶，侯靜宇，李金宇，陳洪巖，
申請(專利權)人：中煤科工西安研究院集團有限公司，
類型：發明
國別省市：
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