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旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)前饋模糊算法研究

作者: 時(shí)間:2009-09-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言
被譽(yù)為“導(dǎo)彈與制導(dǎo)技術(shù)”的是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的高新科技尖端技術(shù)。它具有機(jī)械鉆速和井身軌跡控制精度高、位移延伸能力強(qiáng)等特點(diǎn),且可以有效地克服滑動(dòng)工具給系統(tǒng)帶來(lái)的摩擦阻力過大和井眼清清等問題,其中的控制是系統(tǒng)的關(guān)鍵。雖然傳統(tǒng)的PID控制對(duì)固定輸入已有很好的控制效果,但鉆井過程中的鉆井液脈沖壓力不可能保持固定值,由此會(huì)帶來(lái)過程對(duì)象模型的某些不確定性。因此,設(shè)計(jì)中充分考慮到系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性需在控制中加入智能控制以保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)。根據(jù)工程上對(duì)的要求,這里提出了采用控制控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,試驗(yàn)結(jié)果表明該控制方法抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好。

2 穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)原理
導(dǎo)向鉆井工具的穩(wěn)定平臺(tái)是整個(gè)導(dǎo)向工具中的關(guān)鍵。穩(wěn)定平臺(tái)可以不受鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響而相對(duì)穩(wěn)定于一個(gè)給定角度,從而使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)能夠在鉆柱、工具和導(dǎo)向塊旋轉(zhuǎn)時(shí),鉆井工具穩(wěn)定跟蹤預(yù)置的鉆井軌跡,實(shí)現(xiàn)斜井和水平井的鉆采目。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)控制的原理圖如圖l所示。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/163584.htm

圖1中,G1(s)為控制器;G2(s)為PID控制;G3(s)為下發(fā)電機(jī)的傳遞甬?dāng)?shù);Gd(s)和Gf(s)為系統(tǒng)引入的前饋環(huán)節(jié),其中:Gd(s)為前饋調(diào)節(jié)器函數(shù),Gf(s)為干擾通道的傳遞函數(shù);H1(s)為位置反饋通道傳遞函數(shù);H2(s)為速度反饋通道傳遞函數(shù)。這樣既能保證平臺(tái)隨動(dòng)的精度,又能使穩(wěn)定平臺(tái)有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)
3.1 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)
由于鉆井工程中存在大量井下參數(shù)以及其嚴(yán)重的復(fù)雜性和不確定性,欲提高旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的控制功能,需引入模糊控制器。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)對(duì)精度和實(shí)時(shí)性要求,該設(shè)計(jì)采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器。模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。該控制器是一個(gè)兩輸入、單輸出的模糊控制器,其中E和Ec為模糊控制器輸入,u為模糊控制器輸出,通過模糊控制規(guī)則控制u,以滿足不同時(shí)刻E和Ec的要求。

3.2 模糊控制器控制規(guī)則
取偏差角α為偏差E,轉(zhuǎn)速ω為偏差變化Ec,取扭矩發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為輸出u。根據(jù)不同的α及ω系統(tǒng)控制u。在導(dǎo)向鉆井工具運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速ω和偏差角α輸入數(shù)據(jù)分別為測(cè)量系統(tǒng)的角速度和角位置信號(hào)。偏差角的值為操作命令指定所給定的角位置和姿態(tài)測(cè)量傳感器的實(shí)際角位置之差。因此,模糊控制器控制規(guī)則如下:
(1)當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí),只做降速控制,不考慮實(shí)時(shí)角位置的測(cè)量值。因?yàn)榧词故瞧罱堑扔诹銜r(shí),只要轉(zhuǎn)速不等于零,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程就未結(jié)束。
(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí),系統(tǒng)只按偏差角調(diào)整。使對(duì)象根據(jù)α從規(guī)定方向趨近給定角。
(3)當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí),需根據(jù)ω、α綜合考慮控制輸出的變化。需要注意這兩個(gè)量之間的符號(hào)關(guān)系,即就是:ω和α同號(hào)時(shí),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)正在使偏差角增加,控制量輸出應(yīng)與輸入反號(hào)且盡可能取較大值。使對(duì)象盡快在該轉(zhuǎn)向半周內(nèi)使ω為零甚至反向;若ω和α反號(hào),說明現(xiàn)在偏差角減少,可以利用小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),提高對(duì)象響應(yīng)時(shí)間來(lái)減少降速。降速的減少可根據(jù)系統(tǒng)的多個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)綜合調(diào)整。隨著α的減少,可適當(dāng)增加一些減速作用以減少超調(diào)角度。
系統(tǒng)工作時(shí),系統(tǒng)將根據(jù)輸入的α和ω來(lái)查詢模糊控制規(guī)則表,從而自動(dòng)決定輸出u的大小。
3.3 基于模糊控制器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)ω,α和u的論域界定為7個(gè)等級(jí)。語(yǔ)言模糊集取NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL,含義分別為:負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。3個(gè)量均選用三角形隸屬度函數(shù),且均采用線性劃分,其中ω的實(shí)際論域?yàn)椤?20 r/m,α的實(shí)際論域?yàn)椤?80°,u的實(shí)際論域需根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏度和穩(wěn)定性等指標(biāo)綜合調(diào)整確定??刂破髂M推理采用較簡(jiǎn)單的Mandani。

4 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為下發(fā)電機(jī),其傳遞函數(shù)為G(s)=Km/(Tms+1),其中Km是廣義對(duì)象總的放大系數(shù),等效時(shí)間常數(shù)Tm主要取決于平臺(tái)本身轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等機(jī)械參數(shù)。Km=1/f,Tm=J/f,其中f為平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù),J為平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,取J=0.01l kg?m2,取鋼對(duì)鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.15??傻玫終m=6.67,Tm=0.073。即傳遞函數(shù)為:
G(s)=6.67/(0.073 s+1) (1)
圖3為前饋模糊控制系統(tǒng)仿真框圖。


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