霍愛清 葛 蕾 袁立志 黃海勇

(1.西安石油大學(xué)陜西省鉆機(jī)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安) (2.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 陜西西安)(3.中海石油(湛江)有限公司文昌13-1/2油田作業(yè)公司 廣東 湛江)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制方法研究*

霍愛清1葛 蕾1袁立志2黃海勇3

(1.西安石油大學(xué)陜西省鉆機(jī)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安) (2.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 陜西西安)(3.中海石油(湛江)有限公司文昌13-1/2油田作業(yè)公司 廣東 湛江)

通過對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)控制原理的深入研究,提出了采用串級(jí)模糊算法對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)控制的方法。并設(shè)計(jì)出二維模糊控制器,確定了模糊變量的隸屬度函數(shù)及控制規(guī)則,且利用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真研究,仿真試驗(yàn)表明穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制對(duì)鉆井參數(shù)在較大范圍內(nèi)變化以及負(fù)載擾動(dòng)對(duì)平臺(tái)的影響,具有良好的穩(wěn)定性、自適應(yīng)性、魯棒性且抗干擾能力強(qiáng)。

串級(jí)模糊控制;穩(wěn)定平臺(tái);MATLAB仿真

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)具有機(jī)械鉆速和井身軌跡控制精度高、井眼凈化效果好、位移延伸能力強(qiáng)等特點(diǎn),是導(dǎo)向鉆井技術(shù)一次質(zhì)的飛躍[1]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的開發(fā)與應(yīng)用能有效降低油氣開發(fā)成本、提高油氣采收率。穩(wěn)定平臺(tái)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的核心環(huán)節(jié),對(duì)其控制的成功與否直接關(guān)系到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具研制的成敗。目前,雖然傳統(tǒng)的PID控制對(duì)固定輸入已經(jīng)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為一個(gè)固定值,由此會(huì)帶來過程對(duì)象模型的某些不確定性[2、3]。因此,設(shè)計(jì)中要充分考慮到系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性。于是需在控制中加入智能控制以確保系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

本文根據(jù)工程上對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的要求,提出了用串級(jí)模糊控制算法控制穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明該控制方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力及良好的魯棒性。

1 穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制系統(tǒng)原理

1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理

串級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成

圖1中主被控量c1為穩(wěn)定平臺(tái)工具面角,也稱主參數(shù);副被控量c2為平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度,也稱副參數(shù)。主被控量和副被控量通過對(duì)應(yīng)的測(cè)量裝置及控制器構(gòu)成雙閉環(huán)控制。副被控量的控制回路在內(nèi),其輸入信號(hào)就是主控制器的輸出,而副控制器的輸出就直接控制調(diào)節(jié)閥,這兩個(gè)控制回路稱為內(nèi)環(huán)和外環(huán)[4、5]。實(shí)驗(yàn)中,外環(huán)控制將采用模糊控制,內(nèi)環(huán)控制選取傳統(tǒng)的

PID控制。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。

1.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用二維模糊控制器,該控制器以E和E的導(dǎo)數(shù)Ec為輸入,u為輸出。實(shí)驗(yàn)中E為穩(wěn)定平臺(tái)工具面角α,Ec為平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度ω,u為扭矩發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。它們的論域分別界定為7個(gè)等級(jí)。語言模糊集取(NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL),其中的簡記形式含義分別為:負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。三個(gè)量均選用三角形隸屬度函數(shù)。控制器模擬推理采用Mandani法。α、ω和u均采用線性劃分,其中α隸屬度函數(shù)。

模糊控制規(guī)則如下:

當(dāng)轉(zhuǎn)速值較大時(shí),只做降速控制,基本不考慮實(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)過程也不能算完成。

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的符號(hào)從規(guī)定方向趨近給定角。

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。特別要注意這兩個(gè)量之間的符號(hào)關(guān)系,并按以下思路區(qū)別對(duì)待。ω和α同號(hào)時(shí),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)正在使偏差角增加,控制量輸出要與輸入反號(hào)且盡可能取較大值。使對(duì)象盡快降速,力爭(zhēng)能在該轉(zhuǎn)向半周內(nèi)使ω為零甚至反向。若ω和α符號(hào)相反,說明現(xiàn)在偏差角正在減少,可適當(dāng)?shù)販p少降速作用,可以利用小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)提高對(duì)象響應(yīng)時(shí)間。降速的減少程度可根據(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)可根據(jù)輸入的α和ω查詢模糊控制規(guī)則表并自動(dòng)決定輸出u的大小。

2 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)模型的建立

為了使穩(wěn)定平臺(tái)能快速跟隨設(shè)定的工具面角,將穩(wěn)定平臺(tái)的控制軸穩(wěn)定在所需工具面角的位置,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方法,即位置負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)和速度負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)。位置負(fù)反饋環(huán)通過偏差信號(hào)控制工具旋轉(zhuǎn),使導(dǎo)向工具達(dá)到設(shè)計(jì)的工具面位置;速度負(fù)反饋環(huán)主要是檢測(cè)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度,從而保證穩(wěn)定平臺(tái)的工作狀態(tài)。

2.2 串級(jí)模糊控制性能分析

在MATLAB中,用FUZZY工具箱構(gòu)造模糊控制器,并在Simulink中組建出穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型,如圖2所示。

通過仿真試驗(yàn),得到穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖3(a)所示。圖中同時(shí)對(duì)比了雙PID控制穩(wěn)定平臺(tái)時(shí)的響應(yīng)曲線。

圖2 串級(jí)模糊控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)串級(jí)模糊控制相應(yīng)曲線

由圖3(a)的仿真結(jié)果可一看出穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)為:調(diào)節(jié)時(shí)間ts=10 s,超調(diào)量幾乎為零,穩(wěn)態(tài)誤差ess=0;雙PID控制的性能指標(biāo)為:調(diào)節(jié)時(shí)間ts=17 s,超調(diào)量σ%約為45%,穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。通過兩者的仿真結(jié)果可以看出,采用雙PID控制調(diào)節(jié)時(shí)間長且有較大的超調(diào)量,而采用串級(jí)模糊控制的系統(tǒng)則有調(diào)節(jié)時(shí)間短,零超調(diào),穩(wěn)態(tài)誤差為零,反應(yīng)時(shí)間較快的優(yōu)點(diǎn),因此采用串級(jí)模糊控制穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制系統(tǒng)在實(shí)際使用中,控制對(duì)象模型參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,若f變化10%,f=0.165,則有km=6.06,Tm=0.067,系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖3(b)中綠線所示。若f變化20%,30%系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖3(b)中藍(lán)線和棕線所示。考慮系統(tǒng)中存在非線性延時(shí),延時(shí)時(shí)間為0.2 s,系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖3(b)中紅線所示。由圖3(b)可以看出,改變系統(tǒng)模型參數(shù),四條響應(yīng)曲線基本重合在一起,說明串級(jí)模糊控制的導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)有很好的自適應(yīng)性,對(duì)模型不確定性有很好的魯棒性。

2.3 前饋控制試驗(yàn)

前饋控制通常取某一主要擾動(dòng)信號(hào)作為補(bǔ)償信號(hào),它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同,是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測(cè)量干擾量的變化,當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)而能測(cè)出時(shí),干擾補(bǔ)償器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化,使兩者抵消于被調(diào)量發(fā)生偏差之前,從而使系統(tǒng)更具有穩(wěn)定性[6]。

在鉆井時(shí)井下的情況復(fù)雜,除了工具自身產(chǎn)生的模型參數(shù)變化外,其它各種各樣的擾動(dòng)隨時(shí)都有可能產(chǎn)生,如鉆機(jī)憋鉆、卡鉆、巖層的性質(zhì)導(dǎo)致鉆頭的受力不均勻,鉆井液壓力、排量波動(dòng)等。由于電流大小可以反映負(fù)載變化對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的影響,是一個(gè)主要的擾動(dòng)信號(hào),故而選取該信號(hào)作為前饋信號(hào),構(gòu)成電流前饋控制系統(tǒng)。

在仿真試驗(yàn)中,分別以常數(shù)信號(hào)、脈沖信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)來代表各種可能的擾動(dòng),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾能力的仿真研究,仿真結(jié)果依次如圖4中的(a)、(b)、(c)。

圖4 干擾信號(hào)及其系統(tǒng)響應(yīng)曲線

仿真表明,用串級(jí)模糊控制穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)能很好的達(dá)到控制要求,針對(duì)多種干擾,系統(tǒng)的波動(dòng)很小,能夠很快的進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),控制效果良好。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)串級(jí)模糊控制系統(tǒng)的性能分析以及對(duì)各種擾動(dòng)信號(hào)的仿真,表明采用串級(jí)模糊控制方法對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)控制具有設(shè)計(jì)簡單、系統(tǒng)魯棒性及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。且對(duì)加入電流前饋補(bǔ)償串級(jí)模糊控制,能有效地抑制由負(fù)載變化引起的不確定性因素的影響,達(dá)到了穩(wěn)定平臺(tái)控制的目標(biāo)。

[1] 韓來聚,王瑞和,劉新華,等.調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)控制原理及性能分析[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,28(5)

[2] 湯 楠,穆向陽.調(diào)制式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具穩(wěn)定平臺(tái)控制機(jī)構(gòu)研究[J].石油鉆采工藝,2003,25(3)

[3] 湯 楠,霍愛清,崔琪琳.基于狀態(tài)空間法的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具控制系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報(bào),2004,25(2)

[4] 崔琪琳,張紹槐,劉于祥.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)變結(jié)構(gòu)控制研究[J].石油學(xué)報(bào),2007,28(3)

[5] 王正林,郭陽寬.過程控制與Simulink應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

[6] 陶永華,尹怡欣,葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998

Cascade fuzzy algorithms research of stabilized platform in rotary steering drilling system.

Huo Aiqing,Ge Lei,Yuan Lizhi and Huang Haiyong.

The control principle of the servo platform in rotary steerable drilling system was studied.To control the stabilized platform,cascade fuzzy algorithms is presented.A two-dimensional fuzzy controller is designed,the fuzzy variable degree of membership function and the control rule are determined,and the simulation research using the MATLAB software is studied.The simulation showed that stabilized platform using cascade fuzzy control system on a wide range of parameters change,disturbance and load disturbance parameters such issues,has a good stability,adaptability,robustness and anti-jamming capabilities.

Cascade Fuzzy Algorithms;Platform Stabilization;MATLAB Simulation

TE242

B

1004-9134(2010)01-0004-03

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(SJ08E216)和中國石油天然氣集團(tuán)公司中青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(07E1014)

霍愛清,女,1966年生,副教授,現(xiàn)任教于西安石油大學(xué),研究方向:模糊控制、變結(jié)構(gòu)控制及導(dǎo)向鉆井控制。郵編:710065

2009-07-06編輯梁保江)

PI,2010,24(1):4～6

·開發(fā)設(shè)計(jì)·