本發(fā)明涉及鉆機(jī)控制，具體而言，涉及一種用于鉆探設(shè)備的自動化控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、鉆探設(shè)備是指用于鉆探施工這種特定工況的機(jī)械裝置和設(shè)備。鉆探設(shè)備在地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)資源開發(fā)、土木工程建設(shè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色。鉆探設(shè)備控制的智能化對于提高鉆探效率和精度、應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件和提升鉆探作業(yè)的整體水平都具有重要作用。

2、在鉆探設(shè)備的使用過程中，鉆頭與地層的接觸條件以及鉆探環(huán)境的復(fù)雜性往往對鉆探效率和設(shè)備的壽命產(chǎn)生顯著影響。傳統(tǒng)的鉆探設(shè)備主要依靠人為設(shè)定固定的鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，忽略了地層硬度的實時變化，導(dǎo)致鉆探效率較低，能耗較高，且可能引發(fā)設(shè)備過度磨損或損壞。鉆探過程中，地層的硬度變化難以預(yù)知，尤其是在不同地質(zhì)條件下，如軟硬交替的地層、巖石中的裂隙或夾層，傳統(tǒng)固定轉(zhuǎn)速的鉆探方法難以應(yīng)對這種變化，常常導(dǎo)致鉆頭的過度磨損、過高的能耗，甚至設(shè)備的故障。此外，鉆頭溫度的變化也會影響設(shè)備的運行效率，尤其是在高速鉆探時，過高的溫度會加劇鉆頭的損壞，影響鉆探設(shè)備的使用壽命。為了改善鉆探過程中對地層硬度和溫度變化的適應(yīng)性，一些現(xiàn)有技術(shù)引入了傳感器和控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測物理信號如轉(zhuǎn)矩、振動等來調(diào)整鉆機(jī)的工作參數(shù)。然而，這些技術(shù)通常只能被動響應(yīng)某些極端情況，并未實現(xiàn)對地層硬度和鉆探環(huán)境的實時預(yù)測和主動調(diào)整。

3、因此，有必要設(shè)計一種用于鉆探設(shè)備的自動化控制方法及系統(tǒng)用以解決當(dāng)前技術(shù)中存在的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提出了一種用于鉆探設(shè)備的自動化控制方法及系統(tǒng)，旨在解決鉆探設(shè)備難以精確、快速地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件的變化，無法在最大程度上優(yōu)化鉆探效率并延長設(shè)備的使用壽命的問題。

2、一個方面，本發(fā)明提出了一種用于鉆探設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)，包括：

3、傳感器組件，包括聲波傳感器和溫度傳感器，所述傳感器組件設(shè)置在鉆頭處；

4、控制模塊，與鉆探設(shè)備的電機(jī)以及傳感器組件連接，所述控制模塊用于采集所述傳感器組件的實時信息，并根據(jù)所述實時信息對所述電機(jī)進(jìn)行控制，所述控制模塊包括采集單元、處理單元、調(diào)整單元和判斷單元；

5、所述采集單元被配置為采集待鉆探信息，根據(jù)所述待鉆探信息確定所述電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速；所述采集單元還被配置為采集所述鉆探設(shè)備運行時所述聲波傳感器的聲波信號，對所述聲波信號進(jìn)行傅里葉變換獲得所述聲波信號的振幅特性；

6、所述處理單元被配置為提取所述聲波信號的主頻率與振動幅度，根據(jù)所述主頻率與振動幅度計算實時聲波數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的相似度，根據(jù)相似度對所述初始轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)所述處理單元判定所述歷史數(shù)據(jù)中不存在與所述實時聲波數(shù)據(jù)的相似度大于相似度閾值的數(shù)據(jù)時，所述處理單元以相似度最大值對應(yīng)的歷史轉(zhuǎn)速作為第一轉(zhuǎn)速并控制所述電機(jī)以所述第一轉(zhuǎn)速運行；

7、所述調(diào)整單元被配置為采集所述第一轉(zhuǎn)速運行下的主頻率與振動幅度，根據(jù)所述主頻率與振動幅度計算地面硬度，根據(jù)所述地面硬度對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，獲得第二轉(zhuǎn)速；

8、所述判斷單元被配置為基于所述溫度傳感器采集所述第二轉(zhuǎn)速運行下的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)判斷是否對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，獲得最終轉(zhuǎn)速。

9、進(jìn)一步的，所述采集單元根據(jù)所述待鉆探信息確定所述電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速時，包括：

10、

11、其中，n0表示初始轉(zhuǎn)速，l表示待鉆進(jìn)長度，d表示鉆井直徑，w表示鉆壓，ρ表示地層材料平均密度，nmin表示最低轉(zhuǎn)速，α表示鉆頭類型系數(shù)，且α取值為0.8-1.2。

12、進(jìn)一步的，對所述聲波信號進(jìn)行傅里葉變換獲得所述聲波信號的振幅特性時，包括：

13、

14、其中，s(k)表示第k個頻率分量的復(fù)數(shù)結(jié)果，s(n)表示第n個采樣點的聲波信號值，n表示采樣點的總數(shù)，k表示頻率索引，j表示虛數(shù)單位；

15、所述振幅特性為∣s(k)∣。

16、進(jìn)一步的，所述處理單元根據(jù)所述主頻率與振幅特征計算實時聲波數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的相似度時，包括：

17、所述處理單元提取所述聲波信號中振幅最大的頻率分量，記為所述主頻率；

18、將所述主頻率與振動幅度作為所述實時聲波數(shù)據(jù)的特征，記為(fz，az)；

19、基于歐幾里得距離法計算所述實時聲波數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的相似度，所述相似度通過下式計算獲得：

20、

21、其中，si表示實時聲波數(shù)據(jù)與歷史第i數(shù)據(jù)的相似度，fz表示實時聲波數(shù)據(jù)的主頻率，az表示實時聲波數(shù)據(jù)的振動幅度，fh?i表示歷史第i數(shù)據(jù)的主頻率，ah?i表示歷史第i數(shù)據(jù)的振動幅度。

22、進(jìn)一步的，所述處理單元根據(jù)相似度對所述初始轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整時，包括：

23、當(dāng)所述歷史數(shù)據(jù)中存在與所述實時聲波數(shù)據(jù)的相似度大于相似度閾值的數(shù)據(jù)時，選取相似度最大值對應(yīng)的歷史轉(zhuǎn)速作為所述第二轉(zhuǎn)速，并控制所述電機(jī)以所述第二轉(zhuǎn)速運行；

24、當(dāng)所述歷史數(shù)據(jù)與所述實時聲波數(shù)據(jù)的相似度均小于或等于相似度閾值時，所述處理單元以相似度最大值對應(yīng)的歷史轉(zhuǎn)速作為第一轉(zhuǎn)速并控制所述電機(jī)以所述第一轉(zhuǎn)速運行。

25、進(jìn)一步的，所述調(diào)整單元根據(jù)所述主頻率與振動幅度計算地面硬度時，包括：

26、h＝k1·fz1+az1·k2+ch；

27、其中，h表示地面硬度，fz1表示第一轉(zhuǎn)速運行下的主頻率，az1表示第一轉(zhuǎn)速運行下的振動幅度，k1表示主頻率的硬度敏感系數(shù)，k2表示振幅的硬度敏感系數(shù)，ch表示地層硬度的校正常數(shù)。

28、進(jìn)一步的，所述調(diào)整單元根據(jù)所述地面硬度對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整時，包括：

29、所述調(diào)整單元將所述地面硬度分別與預(yù)先設(shè)定的第一預(yù)設(shè)地面硬度和第二預(yù)設(shè)地面硬度進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果確定調(diào)整系數(shù)對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，所述第一預(yù)設(shè)地面硬度小于第二預(yù)設(shè)地面硬度；

30、當(dāng)所述地面硬度小于或等于第一預(yù)設(shè)地面硬度時，所述調(diào)整單元確定第一調(diào)整系數(shù)對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整獲得所述第二轉(zhuǎn)速；當(dāng)所述地面硬度大于第一預(yù)設(shè)地面硬度且小于或等于第二預(yù)設(shè)地面硬度時，所述調(diào)整單元確定第二調(diào)整系數(shù)對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整獲得所述第二轉(zhuǎn)速；當(dāng)所述地面硬度大于第二預(yù)設(shè)地面硬度時，所述調(diào)整單元確定第三調(diào)整系數(shù)對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整獲得所述第二轉(zhuǎn)速；所述第一調(diào)整系數(shù)大于第二調(diào)整系數(shù)，所述第二調(diào)整系數(shù)大于第三調(diào)整系數(shù)；

31、所述調(diào)整單元還被配置為將所述第二轉(zhuǎn)速存儲至所述歷史數(shù)據(jù)，所述第二轉(zhuǎn)速與主頻率以及振動幅度對應(yīng)存儲。

32、進(jìn)一步的，所述判斷單元根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)判斷是否對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整時，包括：

33、所述判斷單元將所述溫度數(shù)據(jù)與溫度閾值進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果判斷是否對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整；

34、當(dāng)所述溫度數(shù)據(jù)大于所述溫度閾值時，所述判斷單元判定對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，獲得所述最終轉(zhuǎn)速；

35、當(dāng)所述溫度數(shù)據(jù)小于或等于所述溫度閾值時，所述判斷單元判定不對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整并將所述第二轉(zhuǎn)速作為所述最終轉(zhuǎn)速。

36、進(jìn)一步的，當(dāng)所述判斷單元判定對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整時，包括：

37、所述判斷單元根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)和溫度閾值獲得溫度差值，所述溫度差值為所述溫度數(shù)據(jù)與溫度閾值的差值，所述判斷單元根據(jù)所述溫度差值確定轉(zhuǎn)速調(diào)整系數(shù)對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整獲得所述最終轉(zhuǎn)速，所述轉(zhuǎn)速調(diào)整系數(shù)與所述溫度差值成反比關(guān)系，所述轉(zhuǎn)速調(diào)整系數(shù)取值為0-1。

38、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：通過集成聲波傳感器和溫度傳感器，在鉆頭處實時采集鉆探過程中的聲波信號和溫度數(shù)據(jù)，并利用傅里葉變換分析聲波信號的主頻率和振幅特性，從而實時判斷地層硬度變化。通過對比實時聲波數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的相似度，能夠動態(tài)調(diào)整鉆機(jī)的初始轉(zhuǎn)速，使其適應(yīng)不同地質(zhì)條件。當(dāng)歷史數(shù)據(jù)不足以準(zhǔn)確匹配實時情況時，還能根據(jù)最大相似度確定最優(yōu)歷史轉(zhuǎn)速。結(jié)合溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)速調(diào)整，避免因鉆頭過熱導(dǎo)致的設(shè)備損壞和性能下降。提高了鉆探設(shè)備的適應(yīng)性和作業(yè)效率，減少了因地層硬度變化導(dǎo)致的鉆頭磨損，延長了設(shè)備的使用壽命，降低了能耗。通過實時監(jiān)測與反饋控制，解決了傳統(tǒng)鉆探設(shè)備在復(fù)雜地質(zhì)條件下效率低、磨損高和能耗大的問題。

39、另一方面，本技術(shù)還提供了一種用于鉆探設(shè)備的自動化控制方法，應(yīng)用于用于鉆探設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)，包括：

40、在鉆頭處設(shè)置聲波傳感器和溫度傳感器；

41、采集待鉆探信息，根據(jù)所述待鉆探信息確定電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速；采集鉆探設(shè)備運行時所述聲波傳感器的聲波信號，對所述聲波信號進(jìn)行傅里葉變換獲得所述聲波信號的振幅特性；

42、提取所述聲波信號的主頻率與振動幅度，根據(jù)所述主頻率與振動幅度計算實時聲波數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的相似度，根據(jù)相似度對所述初始轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)所述處理單元判定所述歷史數(shù)據(jù)中不存在與所述實時聲波數(shù)據(jù)的相似度大于相似度閾值的數(shù)據(jù)時，以相似度最大值對應(yīng)的歷史轉(zhuǎn)速作為第一轉(zhuǎn)速并控制所述電機(jī)以所述第一轉(zhuǎn)速運行；

43、采集所述第一轉(zhuǎn)速運行下的主頻率與振動幅度，根據(jù)所述主頻率與振動幅度計算地面硬度，根據(jù)所述地面硬度對所述第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，獲得第二轉(zhuǎn)速；

44、基于所述溫度傳感器采集所述第二轉(zhuǎn)速運行下的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)判斷是否對所述第二轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，獲得最終轉(zhuǎn)速。

45、可以理解的是，上述用于鉆探設(shè)備的自動化控制方法及系統(tǒng)具備相同的有益效果，在此不再贅述。