钻机节能控制半物理仿真测试方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及工程机械设备领域，尤其是涉及一种钻机节能控制半物理仿真测试方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.一体式潜孔钻机(以下简称“潜孔钻机”)是一种主要的钻孔装备，广泛应用于冶金、煤炭、建材、铁路、水电建设、国防施工及土石方等工程中，随着市场的发展以及当今“低碳革命”兴起，低碳绿色的理念日趋深入人心，用户对潜孔钻机的性能要求也越来越高。高效、节能、绿色的潜孔钻机产品越来越受到市场的青睐。
3.通过构建一体式潜孔钻机节能控制半实物仿真系统可以对潜孔钻机作业过程中的动力系统优化匹配、节能控制策略、节能效果评价等重难点问题进行研究。但目前暂无公开的一体式潜孔钻机节能控制半实物仿真系统。现有的工程机械仿真系统并不适用于潜孔钻机。
4.专利文献“cn201210557473.2汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统”公开一种汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统，该仿真测试系统着眼于汽车起重机动力系统，即由发动机驱动的定量泵液压系统，利用该系统能完成发动机、定量泵和负载三者之间功率匹配控制算法的测试。而露天凿岩钻机由机械、电气、液压、气动及控制等多物理系统组成，其动力系统结构和控制比其它类型工程机械如挖掘机、装载机、混凝土泵车、起重机等更加复杂。潜孔钻机动力系统除发动机驱动的液压系统之外，还包含由发动机驱动的压缩空气系统，且其作业工况复杂多变。“cn201210557473.2汽车起重机的功率匹配控制仿真测试系统”无法用于包含发动机、变量泵、螺杆空压机、液压负载和气动负载几者之间的节能控制算法的测试，且该系统不能对潜孔钻机节能控制算法的节能效果做出定量分析和评价。
5.前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。
6.申请内容
7.本发明的目的在于提供一种钻机节能控制半物理仿真测试方法、系统，旨在解决现有的工程机械仿真测试系统不具备模拟机、电、液、气多物理系统集成的一体式潜孔钻机动态运行过程的能力，导致无法用于测试节能控制算法和以及进行基于实际作业工况的节能效果评价的问题。
8.本发明提供了一种钻机节能控制半物理仿真测试方法，适用于仿真测试系统，所述方法包括：
9.根据接收到的设置指令设置初始仿真模型；
10.基于预设控制策略控制运行所述仿真模型；
11.分析所述预设控制策略及对应的运行结果。
12.在一种可实现的方式中，所述根据接收到的设置指令设置初始仿真模型的步骤，包括：
13.获取实际物理样机参数；
14.基于所述样机参数设置所述仿真模型。
15.在一种可实现的方式中，所述基于所述参数设置所述仿真模型的步骤，包括：
16.从所述仿真模型中选择对应于所述物理样机的仿真设备；
17.基于所述参数对所述仿真设备进行设置。
18.在一种可实现的方式中，所述基于预设控制策略控制所述仿真模型运行的步骤之前，还包括：
19.获取钻机的实际作业载荷谱；
20.基于所述实际作业载荷谱运行所述仿真模型。
21.在一种可实现的方式中，所述分析所述预设控制策略及对应的运行结果的步骤，包括：
22.记录所述预设控制策略对应的运行结果；
23.分析所述运行结果对应的能耗信息；
24.输出所述预设控制策略及对应的能耗信息。
25.在一种可实现的方式中，所述基于预设控制策略控制所述仿真模型运行的步骤之前，还包括：
26.载入至少一种预设控制策略；
27.当所述预设控制策略存在两个以上时，按照预设规则选择对应的预设控制策略，控制所述仿真模型运行；
28.其中，所述预设规则包括以下至少一种：
29.按照预设顺序选择预设控制策略；
30.随机选择预设控制策略；
31.根据接收到的选择指令选择预设控制策略。
32.在一种可实现的方式中，所述基于预设控制策略控制所述仿真模型运行的步骤之前，还包括：
33.接收到的调整指令；
34.基于所述调整指令对所述预设控制策略进行调整。
35.本技术还提供了一种钻机节能控制半物理仿真测试系统，所述系统包括：
36.负载模块：用于根据接收的实际作业载荷谱模拟仿真模型的实际负载；
37.整机控制器：用于根据预设控制策略控制仿真模型运行；
38.仿真模型：用于根据所述预设控制策略及所述实际负载运行；
39.监测模块：用于记录并分析所述预设控制策略及对应的运行结果。
40.在一种可实现的方式中，所述系统还包括：
41.设置模块：用于根据获取的实际物理样机参数对所述仿真模型进行设置。
42.在一种可实现的方式中，所述监测模块还用于根据接收的调整指令对所述预设控制策略进行调整。
43.在一种可实现的方式中，当所述整机控制器中存在至少两个预设控制策略时，按照预设规则选择对应的预设控制策略控制所述仿真模型运行；
44.其中，所述预设规则包括以下至少一种：
45.按照预设顺序选择预设控制策略；
46.随机选择预设控制策略；
47.根据接收到的选择指令选择预设控制策略。
48.本发明还提供了一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的钻机节能控制半物理仿真测试方法的步骤。
49.本发明的有益效果：
50.通过本技术提供的钻机节能控制半物理仿真测试方法、系统，可以用同一标准对节能控制策略和控制算法的节能效果优劣作出评价和对比，并且能节约时间和成本；在模拟测试系统应用的过程中能及时修正整机控制器的控制算法和控制逻辑，以及对模型进行修正，降低研发成本，缩短了开发周期；此外，通过根据实际作业时所实测的液压系统和压缩空气系统载荷谱的模拟加载，仿真结果的真实度更高，与实际工况更加贴合，基于仿真和物理装置模块的场景结合能够产出大量真实可靠的数据；且能对不同控制算法的节能效果做出定量对比评价，对于一体式潜孔钻机节能控制策略和控制算法优化有着较大帮助。
附图说明
51.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
52.图1为本技术提供的一种钻机节能控制半物理仿真测试方法的流程示意图；
53.图2为本技术实施例提供的加载实际负载的流程示意图；
54.图3为本技术提供的分析所述预设控制策略及对应的运行结果的流程示意图；
55.图4为本技术提供的钻机节能控制半物理仿真测试系统结构示意图；
56.图5为本技术实施例提供的钻机节能控制半物理仿真测试系统框架示意图。
具体实施方式
57.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
58.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本技术不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
59.应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些
信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。本技术使用的术语“或”、“和/或”、“包括以下至少一个”等可被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。例如，“包括以下至少一个：a、b、c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a和b和c”，再如，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a和b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
60.应该理解的是，虽然本技术实施例中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
61.取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
62.需要说明的是，在本文中，采用了诸如s1、s2等步骤代号，其目的是为了更清楚简要地表述相应内容，不构成顺序上的实质性限制，本领域技术人员在具体实施时，可能会先执行s4后执行s3等，但这些均应在本技术的保护范围之内。
63.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
64.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或者“单元”的后缀仅为了有利于本技术的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或者“单元”可以混合地使用。
65.为解决现有的工程机械仿真测试系统不具备模拟机、电、液、气多物理系统集成的一体式潜孔钻机动态运行过程的能力，导致无法用于测试节能控制算法和以及进行基于实际作业工况的节能效果评价的问题。
66.如图1所示，为本技术提供的一种钻机节能控制半物理仿真测试方法的流程示意图，所述方法适用于仿真测试系统，包括：
67.根据接收到的设置指令设置初始仿真模型；
68.基于预设控制策略控制运行所述仿真模型；
69.分析所述预设控制策略及对应的运行结果。
70.在本技术的一种实施例中，在运行仿真模型系统之前，需要对仿真模型进行设置，使得仿真模型按照实际的设备参数进行运行。在本实施例一种较优的方式中，获取实际的物理样机参数，例如，发动机、液压泵、主控制阀、液压油缸、液压马达、螺杆空压机、调压阀、
卸荷阀、进气阀等，根据获取到的实际物理样机的参数，对仿真模型进行设置。在一种可实施的方式中，为了使仿真模型可以满足应对各种不同设备的测试，除了上述的物理样机对应的仿真设备外，还包括有对应其他物理样机的仿真设备，因此在本实施例中，在设置仿真模型的参数之前，还可以从仿真模型中选择对应于获取物理样机参数的仿真设备，在根据获取到的物理样机参数，对选中的仿真设备进行设置。在本技术实施例中，除了上述的从实际物理样机获取对应的参数外，另一种较优的实施方式，根据实际项目需求中规划的样机参数，即该样机参数为研发阶段的参数，对仿真设备进行设置测试，通过对测试结果进行分析后，调整该样机参数以使达到满足项目需求的最优设计。
71.在基于上述方式对仿真模型进行设置好参数后，进一步的，需要对设置好的仿真模型加载实际负责，如图2所示，为本技术实施例提供的加载实际负载的流程示意图，如图所示，包括：
72.获取钻机的实际作业载荷谱；
73.基于所述实际作业载荷谱运行所述仿真模型。
74.在本技术的一个实施例中，在满足实际测试需求，依据上述操作选择设置好仿真模型的参数之后，进一步的需要对该设置好的仿真模型加载实际负载，在本实施例中，一种较优的方式，从历史钻机的实际作业载荷谱中选择满足测试需求的载荷谱加载到上述的仿真模型中，用于模拟仿真模型的实际负载。由于在实际测试时，为满足多种负载的测试需求，一种较优的方式中，加载多个实际作业载荷谱，根据接收到的选择指令从多个实际作业载荷谱中选择满足测试需求的载荷谱模拟仿真模型的实际负载；另一种较优的实施方式中，需要在多种实际作业载荷谱的负载下进行测试，则按照预定的规则选择实际作业载荷谱模拟实际负载，例如，按照从高负载到低负载的顺序或者反顺序的方式，逐一选择实际作业载荷谱模拟实际负责；在例如，按照随机规则，逐一选择实际作业载荷谱模拟实际负载。
75.在本技术的一个实施例中，如上述的，在设置好仿真模型的参数、以及加载好用于模拟实际负载的实际作业载荷谱之后，根据预设控制策略控制该仿真模型在模拟的实际负载下进行运行。
76.在本技术一种较优的实施例中，当预设控制策略只有一个时，则按照该预设控制策略控制仿真模型在实际复杂下运行。在运行完一轮测试之后，根据用户输入的调整指令，对该预设控制策略进行调整之后，再次运行仿真模型进行测试，依次上述方式对预设控制策略进行多次调整及控制仿真模型进行多次运行测试。
77.在本技术另一种较优的实施例中，当预设控制策略存在两个以上时，按照预设规则选择对应的预设控制策略，控制所述仿真模型运行。例如，按照预设顺序，即从低性能到高性能的顺序方式，或者相反的顺序方式，逐一选择预设控制策略；在例如，随机选择预设控制策略，即，随机挑选选择一预设控制策略控制仿真模型运行，依次逐一对所有预设控制策略进行测试；在例如，根据接收到的选择指令选择预设控制策略，在本实施例中，考虑到本技术技术方案可以用于对多种仿真模型进行测试，因此，会预先存储多个预设控制策略以满足不同仿真模型的不同需求的测试，在实际操作时，一种较优的实施方式，则根据用户的选择指令，选择至少一个预设控制策略，按照顺序或者随机的方式控制对应的仿真模型进行运行测试。在本技术实施例中，在测试过程中，还可以根据接收到的用户输入的调整指令，随时对预设控制策略进行调整，按照调整之后的控制策略控制仿真模型继续运行测试。
78.在基于上述的方式，控制仿真模型运行测试之后，为了更清楚的了解各个预设控制策略对于仿真模型运行结果的影响，需要对各预设控制策略及运行结果进行分析。如图3所示，为本技术提供的分析所述预设控制策略及对应的运行结果的流程示意图，具体包括：
79.记录所述预设控制策略对应的运行结果；
80.分析所述运行结果对应的能耗信息；
81.输出所述预设控制策略及对应的能耗信息。
82.在本技术的一个实施例中，如上述的，在仿真模型基于实际负载情况下，按照预设控制策略运行测试完成之后，对预设控制策略及对应的运行结果进行记录，其中，对于根据调整指令调整后的预设控制策略及对应的运行结果，作为新的控制策略进行记录。基于该记录的信息进行分析，分析每个控制策略及对应的运行结果所对应的能耗信息之后，进行输出，其中可以通过数据显示的方式进行输出，也可以按照图形的方式进行输出。
83.如图4所示，为本技术提供的钻机节能控制半物理仿真测试系统结构示意图，所述系统包括：
84.负载模块：用于根据接收的实际作业载荷谱模拟仿真模型的实际负载；
85.整机控制器：用于根据预设控制策略控制仿真模型运行；
86.仿真模型：用于根据所述预设控制策略及所述实际负载运行；
87.监测模块：用于记录并分析所述预设控制策略及对应的运行结果。
88.在本技术的一个实施例中，钻机节能控制半物理仿真测试系统用于一体式潜孔钻机，其中，负载模块用于将相同工况下潜孔钻机实车多组试验数据进行数据处理后得到的实际作业载荷谱，加载于潜孔钻机的仿真模型，作为仿真模型的负载输入，以最大程度上模拟潜孔钻机实际作业过程中的真实负载，提高仿真的精准度，并且在相同模拟负载工况下，排除了其它因素的干扰，对节能控制算法的节能效果评价会更准确。在本实施例中，负载模块，包括有液压系统负载单元，用于提供液压系统的实际负载；压缩空气系统负载单元，用于提供压缩空气系统的实际负载。
89.如图5所示，为本技术实施例提供的钻机节能控制半物理仿真测试系统框架示意图，其中仿真模型包括发动机模块、液压系统模块和压缩空气系统模块，其中，发动机模块同时驱动其包括的液压泵组和螺杆空压机，分别为液压系统模块和压缩空气系统模块提供动力。液压泵组输出液压油，液压油流经液压控制阀进入液压缸或液压马达；螺杆空压机输出的压缩空气通过控制阀进入回转动力头和中空的钻杆，到达潜孔冲击器，并驱动其活塞往复运动，活塞冲击钻头，产生的冲击能作用于岩石使之破碎；潜孔钻机通过液压系统和压缩空气系统的协同配合，驱动不同的负载以实现钻孔作业。在本技术的一个实施例中，仿真模型的发动机模块，包括发动机、液压泵组、螺杆空压机、主控制阀、液压油缸、液压马达、螺杆空压机、调压阀、卸荷阀和进气阀等。发动机驱动液压泵组输出液压油，液压油经过主控制阀到达液压油缸或液压马达，以带动液压系统负载；与此同时，发动机驱动螺杆空压机输出压缩空气，经过调压阀到达潜孔冲击器，以带动气动负载。其中，发动机模型、液压泵模型、主控制阀模型、液压油缸模型、液压马达模型、螺杆空压机模型、调压阀模型、卸荷阀模型、进气阀模型的应用程序由仿真计算机根据接收到的参数设置指令进行设置修改。
90.整机控制器通过其存储的预设控制策略中选择一个控制策略，控制潜孔钻机仿真模型在上述的实际负载下进行运行，并对信号传输接口发送的液压系统负载压力、流量，压
缩空气系统排气压力、流量以及发动机转速、转矩等信号进行计算和处理，并将处理后的发动机转速、液压泵排量和螺杆空压机排气压力控制等信号输出至潜孔钻机仿真模型。在本技术的一个实施方式中，当整机控制器中存在至少两个预设控制策略时，按照预设规则选择对应的预设控制策略控制所述仿真模型运行；例如，按照预设顺序，即从低性能到高性能的顺序方式，或者相反的顺序方式，逐一选择预设控制策略；在例如，随机选择预设控制策略，即，随机挑选选择一预设控制策略控制仿真模型运行，依次逐一对所有预设控制策略进行测试；在例如，根据接收到的选择指令选择预设控制策略，在本实施例中，考虑到本技术技术方案可以用于对多种仿真模型进行测试，因此，会预先存储多个预设控制策略以满足不同仿真模型的不同需求的测试，在实际操作时，一种较优的实施方式，则根据用户的选择指令，选择至少一个预设控制策略，按照顺序或者随机的方式控制对应的仿真模型进行运行测试。在本技术实施例中，在测试过程中，还可以根据接收到的用户输入的调整指令，随时对预设控制策略进行调整，按照调整之后的控制策略控制仿真模型继续运行测试。
91.监测模块与仿真模型和整机控制器连接，用于对每个控制策略控制运行仿真模型后的运行结果进行记录，并将该结果进行输出显示；同时，还用于根据接收的调整指令对整机控制器中的控制策略的参数、技能控制算法等进行修改等，通过对测试过程的实时监测，实现对潜孔钻机实物控制器硬件性能和节能控制算法的安全、高效、可靠、经济测试。
92.在一种可实现的方式中，所述系统还包括：
93.设置模块：用于根据获取的实际物理样机参数对所述仿真模型进行设置。
94.在本技术的一种实施例中，在运行仿真模型系统之前，需要对仿真模型进行设置，使得仿真模型按照实际的设备参数进行运行。在本实施例一种较优的方式中，获取实际的物理样机参数，例如，发动机、液压泵、主控制阀、液压油缸、液压马达、螺杆空压机、调压阀、卸荷阀、进气阀等，根据获取到的实际物理样机的参数，对仿真模型进行设置。在一种可实施的方式中，为了使仿真模型可以满足应对各种不同设备的测试，除了上述的物理样机对应的仿真设备外，还包括有对应其他物理样机的仿真设备，因此在本实施例中，在设置仿真模型的参数之前，还可以从仿真模型中选择对应于获取物理样机参数的仿真设备，在根据获取到的物理样机参数，对选中的仿真设备进行设置。在本技术实施例中，除了上述的从实际物理样机获取对应的参数外，另一种较优的实施方式，根据实际项目需求中规划的样机参数，即该样机参数为研发阶段的参数，对仿真设备进行设置测试，通过对测试结果进行分析后，调整该样机参数以使达到满足项目需求的最优设计。
95.本技术还提供了一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的钻机节能控制半物理仿真测试方法的步骤。
96.本技术实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括计算机程序代码，当计算机程序代码在计算机上运行时，使得计算机执行如上各种可能的实施方式中的方法。
97.本技术实施例还提供一种芯片，包括存储器和处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于从存储器中调用并运行计算机程序，使得安装有芯片的设备执行如上各种可能的实施方式中的方法。
98.以上，仅为本技术的具体实施方式，上述场景仅是作为示例，并不构成对于本技术实施例提供的技术方案的应用场景的限定，本技术的技术方案还可应用于其他场景。任何
熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
99.在本技术中，对于相同或相似的术语概念、技术方案和/或应用场景描述，一般只在第一次出现时进行详细描述，后面再重复出现时，为了简洁，一般未再重复阐述，在理解本技术技术方案等内容时，对于在后未详细描述的相同或相似的术语概念、技术方案和/或应用场景描述等，可以参考其之前的相关详细描述。