旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺前饋模糊算法研究
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被譽為“鉆井導(dǎo)彈與制導(dǎo)技術(shù)”的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井是一項涉及多學(xué)科的高新科技尖端技術(shù)。它具有機械鉆速和井身軌跡控制精度高、位移延伸能力強等特點，且可以有效地克服滑動導(dǎo)向工具給系統(tǒng)帶來的摩擦阻力過大和井眼清清等問題，其中穩(wěn)定平臺的控制是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的關(guān)鍵。雖然傳統(tǒng)的PID控制對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，由此會帶來過程對象模型的某些不確定性。因此，設(shè)計中充分考慮到系統(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)工程上對穩(wěn)定平臺的要求，這里提出了采用前饋模糊控制算法控制穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的設(shè)計方案，試驗結(jié)果表明該控制方法抗干擾能力強、魯棒性好。
2 穩(wěn)定平臺前饋模糊控制系統(tǒng)原理
旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的穩(wěn)定平臺是整個導(dǎo)向工具中的關(guān)鍵。穩(wěn)定平臺可以不受鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響而相對穩(wěn)定于一個給定角度，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，鉆井工具穩(wěn)定跟蹤預(yù)置的鉆井軌跡，實現(xiàn)斜井和水平井的鉆采目。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺前饋控制的原理圖如圖l所示。
圖1中，G1(s)為模糊控制器；G2(s)為PID控制；G3(s)為下發(fā)電機的傳遞甬?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)。這樣既能保證平臺隨動的精度，又能使穩(wěn)定平臺有較強的自適應(yīng)性。
3 模糊控制器的設(shè)計
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)定平臺控制系統(tǒng)對精度和實時性要求，該設(shè)計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)動電壓信號為輸出u。根據(jù)不同的α及ω系統(tǒng)控制u。在導(dǎo)向鉆井工具運行時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速ω和偏差角α輸入數(shù)據(jù)分別為測量系統(tǒng)的角速度和角位置信號。偏差角的值為操作命令指定所給定的角位置和姿態(tài)測量傳感器的實際角位置之差。因此，模糊控制器控制規(guī)則如下：
(1)當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時，只做降速控制，不考慮實時角位置的測量值。因為即使是偏差角等于零時，只要轉(zhuǎn)速不等于零，系統(tǒng)的動態(tài)過程就未結(jié)束。
(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，系統(tǒng)只按偏差角調(diào)整。使對象根據(jù)α從規(guī)定方向趨近給定角。
(3)當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時，需根據(jù)ω、α綜合考慮控制輸出的變化。需要注意這兩個量之間的符號關(guān)系，即就是：ω和α同號時，旋轉(zhuǎn)運動正在使偏差角增加，控制量輸出應(yīng)與輸入反號且盡可能取較大值。使對象盡快在該轉(zhuǎn)向半周內(nèi)使ω為零甚至反向；若ω和α反號，說明現(xiàn)在偏差角減少，可以利用小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，提高對象響應(yīng)時間來減少降速。降速的減少可根據(jù)系統(tǒng)的多個動態(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，系統(tǒng)將根據(jù)輸入的α和ω來查詢模糊控制規(guī)則表，從而自動決定輸出u的大小。
3．3 基于模糊控制器的設(shè)計
設(shè)計ω，α和u的論域界定為7個等級。語言模糊集取NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL，含義分別為：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。3個量均選用三角形隸屬度函數(shù)，且均采用線性劃分，其中ω的實際論域為±120 r／m，α的實際論域為±180°，u的實際論域需根據(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。控制器模擬推理采用較簡單的Mandani算法。
4 系統(tǒng)仿真實驗
該系統(tǒng)設(shè)計的控制對象為下發(fā)電機，其傳遞函數(shù)為G(s)=Km／(Tms+1)，其中Km是廣義對象總的放大系數(shù)，等效時間常數(shù)Tm主要取決于平臺本身轉(zhuǎn)動的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量等機械參數(shù)。Km=1/f，Tm=J/f，其中f為平臺轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)，J為平臺轉(zhuǎn)動慣量。
在系統(tǒng)設(shè)計中，取J=0．01l kg?m2，取鋼對鋼的動摩擦系數(shù)f=0．15。可得到Km=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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