21世纪将是海洋开发的时代，海洋已成为当代社会极为关注的领域。无论是各国政府还是社会各界有识之士都无例外地认为海洋是人类生存和社会可持续发展的基本条件。海洋资源是人类解决当前面临的人口膨胀、资源短缺、环境恶化的主要途径。　　 我国自20世纪80年代末开始对深海矿产资源进行勘探，至90年代中期止，主要的勘探对象是多金属结核。随着国际形势的变化，我国自20世纪90年代后期开始把勘探的重点转向深海富钴结壳。以前我国的富钴结壳勘探工具主要是拖网、海底照相和摄像，这些技术均不能满足资源勘探的需要。为解决我国富钴结壳勘探设备的空白，国家在“十五”计划期间提出了研制我国拥有自主知识产权的深海岩心取样钻机，以解决我国富钴结壳勘探的燃眉之急，为结壳取样提供技术手段，从而准确地计算结壳的储藏量和对结壳勘查区进行资源评估。2005年3月在中国大洋协会和国家“863”计划资源环境领域海洋资源开发技术主题联合支持下，课题组科研人员经过一年的艰苦努力，攻克了多个技术难关，研制出了拥有多项自主知识产权的深海岩心取样钻机。深海岩心取样钻机是一套集多种深海高新技术之大成的深海岩心采样系统，它的研制成功，填补了我国海洋矿产资源勘查设备的空白，整体技术指标达到国际先进水平，在深海勘探与采样技术领域具有广阔的应用前景。　　 但是，虽然我国在研制深海取样设备的技术方面取得了长足的进步，但就设备本身而言还存在一些亟待解决的技术问题，譬如取样深度小(小于5m)、对复杂海底地层的钻进控制能力和适应能力差、钻进效率低等问题。由于海底沉贯取样钻机工作于海底工况之中，比之陆地上的钻机有相当的特殊性。研究表明，海底钻探负载是复杂多变的，其主要影响因素包括钻进工艺与规程参数、海底地层构造、设备条件以及钻进工况等。而且在钻进过程中，这些影响因素往往是非线性、时变和不确定的，而且各因素之间存在复杂的交互作用，难以进行精确地预测和控制。因此，海底钻探负载的变化不仅具有随机性、模糊性和关联性，而且还具有离散性及动态发展等特点。在此种情况下，液压系统的功能和特性将直接决定海底沉贯取样钻机性能的优劣。　　 对于海底沉贳取样钻机液压系统而言，其核心问题是如何满足液压系统的驱动特性与钻探负载特性相适应这一客观要求。而目前国内外大部分全液压海底取样钻机均采用电动控制阀和油泵组成的开关控制型液压系统，其钻进控制能力和负载适应性差，钻进效率和能量利用率较低。为了克服目前海底钻机液压系统的性能缺陷，满足今后大功率海底取样钻进以及复杂控制的需要，本文从提高海底沉贯取样钻机液压系统负载自适应能力的角度出发，提出了新型海底沉贯取样钻机液压系统设计方案，并对系统结构、控制原理与功能特性等进行了深入分析和实验研究，为提高海底沉贯取样钻机的钻进控制能力与负载适应能力，降低能量损耗，实现海底取样钻探设备高效化、自动化奠定了的基础。　　 首先，本文对海底沉贯取样钻机中各执行机构的功能及其负载特性进行了全面系统的分析和研究。针对目前海底钻机液压系统钻进控制性能不稳定，易受负载变化影响，能量损耗大且钻进效率低等缺陷，从适应钻探负载特性这一客观要求出发，提出了研制具有负载自适应能力的钻机液压控制系统的总体方案，并对系统的性能要求进行了分析和总结。海底沉贯取样钻机负载自适应控制系统应具有实时监测和识别钻进负载变化的能力，并能根据负载变化情况，自动调整系统运行状态，以保持最佳钻进效率，降低能量损耗，确保钻探设备高效、平稳运行。　　 接着，本文采用解析的方法对静压一振动式海底沉贯取样钻机的沉贯取样的力学过程中，激振力与取样管壁厚、直径、土体与管壁之间的摩擦角、土样与取样管间吸附力系数和沉贯速度之间的关系进行了研究，得出结论：1、壁厚越厚，所需挤开的士体体积越大，沉贯阻力越大，所需要的最小激振力也越大；2、取样管直径越大，所需最小激振力也越大；3、摩擦角越大，所需激振力越大，但其变化对所需激振力的影响不大；4、吸附力系数越大，所需激振力越大，但其变化对所需激振力的影响不大；5、沉贯速度越大，由于动摩擦阻力的增大，所需激振力越大，但是在同一数量级的沉贯速度下，其变化所产生的影响并不突出。以上结论为确定设计参数和控制钻进参数提供参考，也为后面的沉贯取样的压力自适应控制研究奠定基础。　　 随后，分析了海底振动取样器的参数设计，考虑了振幅、频率对钻进速度的影响，计算了振动器的电机功率。研究表明，振动器参数设计与选择是海底沉贯取样钻机设计过程中要解决的关键问题之一。与地表振动钻进相比，在海底振动钻进过程中，存在海水的阻尼及海水参与振动等问题。本文采用简化的力学模型并用修正系数来考虑海底振动钻进的特殊情况，对海底振动钻进所用振动器的振动参数(包括振幅、激振频率、偏心力矩、激振力，沉入比压、下压荷载与激振力之比)对振动钻进的影响进行了全面分析，设计了水深500m以内、取样深度为3m、取样直径为58mm的海底土层振动钻机适用的振动器。　　 然后，本文系统论述了海底沉贯取样钻机电液比例液压控制系统设计方案，对系统中的主要部件比例电磁铁、比例溢流阀建立了数学模型。然后利用所得的数学模型，分析了电液比例液压控制系统的稳定性和阶跃时间响应特性。　　 为了进一步提高电液比例控制系统的稳定性，本文对海底沉贯取样钻机电液比例闭环控制算法进行了研究：1.建立了海底沉贯取样钻机电液比例压力控制模型；2.测试了钻压控制同路的动态特性；3.采用PID算法对钻压进行了闭环控制研究。通过对PID控制算法的仿真分析，得出了本海底沉贯取样钻机的优选的参数为：比例系数为0.5，积分时间常数为1O，微分时间常数为0；4.设计了海底沉贯取样钻机液压压力的Fuzzy-PID复合控制算法。控制算法模拟仿真结果表明，此种复合算法响应速度快、控制精度高、系统稳定性好。其与传统PID算法的控制结果对比表明：Fuzzy-PID复合控制算法更能保证系统的稳定性，进一步提高了控制精度；设计的PID的三个参数对本系统较为合适。　　 最后，为了验证所设计的电液比例控制系统及模糊自适应控制算法在实际操作中的效果，本文对整个系统进行了现场实验研究。首先对测试系统及数据记录系统进行了设计，并介绍了测控系统的总体构成，钻压、给进位移、倾斜角度测量方式；然后针对测量参数数据量大、种类多等问题，开发设计了海底沉贯取样钻机钻进参数记录软件，并对其功能进行了介绍；最后，对钻机电液比例控制系统进行了现场调试，其基本功能可以正常实现，不采用先进控制算法的电液比例控制系统对钻压的控制存在一定的压力波动，采用本文中的模糊自适应控制算法后能更精确、平缓地控制钻压，很好的满足了海底钻机钻压精细控制的要求。　　 经过本文的理论研究和实验证明：1、将海底沉贯取样钻机负载敏感系统由机液敏感方式改进为电液控制方式，不仅能够基本满足各种地层钻进控制的需要，而且还能将各种复杂控制算法应用于系统中实现了对钻探负载的自主适应能力。2、海底钻机钻进过程是一个非线性、时变和不确定的过程，随机干扰过多且难以准确测量。PID算法适应性强，鲁棒性好，对模型精确性要求不高，因此适合于海底钻进控制。3、模糊控制系统对海底取样钻探这类复杂多变的过程具有更好的控制能力和适应性。4、将嵌入式计算机控制技术的引入到海底沉贯取样钻机测控系统中，为先进的控制策略及算法设计提供了良好的平台，将进一步增强海底钻机的钻进控制能力和负载自适应性，从而有效提高钻进效率和钻孔质量，降低钻进成本，防止海底孔内事故发生等。因此，以嵌入式计算机控制技术为核心的钻机负载自适应系统将具有良好的综合效益和技术优势。　　 综上所述，本论文通过理论分析与实验研究，针对海底沉贯取样钻机钻探负载的变化特性，以先进的流体传动与控制技术、嵌入式计算机控制技术和智能控制理论为基础，研究海底钻机负载自适应的液压压力控制系统设计方法和控制策略，并将研究成果应用于海底沉贯取样钻机控制系统中。研制海底沉贯取样钻机负载自适应控制系统将有利于促进我国海底取样事业的发展和技术更新，为实现国产海底钻探设备高效化、自动化、智能化提供技术保障。