陳延偉，史富斌

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州450015；2.西安石油大學(xué)陜西省鉆機(jī)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065）

1 引言

鉆機(jī)系統(tǒng)中鉆頭與絞車之間是由游車和鉆柱系統(tǒng)組成的彈性系統(tǒng)。當(dāng)鉆柱向下鉆進(jìn)時(shí)，不僅有濕性摩擦，而且還存在著干性摩擦。早期的送鉆系統(tǒng)采用人工控制給進(jìn)鉆井，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但難以實(shí)現(xiàn)對非線性鉆壓穩(wěn)定精確的控制，同時(shí)這種送鉆方式工作強(qiáng)度大，鉆頭上的載荷控制不均勻且容易導(dǎo)致鉆壓波動。隨著恒鉆壓自動送鉆技術(shù)的發(fā)展，鉆進(jìn)速度、平穩(wěn)性及鉆井質(zhì)量得以提高。

目前恒鉆壓自動送鉆系統(tǒng)主要采用的是PID控制技術(shù)［1-2］。但在鉆井過程中，鉆壓受地質(zhì)構(gòu)造、鉆井液性質(zhì)，井筒摩擦等因素影響，而且送鉆電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合和非線性的特點(diǎn)，建立系統(tǒng)的時(shí)滯、時(shí)變、非線性的送鉆數(shù)學(xué)模型非常困難。因此，即使閉環(huán)控制具有一定的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性，但這種傳統(tǒng)的控制方法不能有效地克服負(fù)載參數(shù)大范圍變化和非線性的影響，難以實(shí)現(xiàn)較精確穩(wěn)定的控制效果。

本文研究了基于模糊控制的交流變頻電動鉆機(jī)的恒鉆壓自動送鉆控制系統(tǒng)，根據(jù)鉆壓變化的特征，設(shè)計(jì)了鉆壓模糊控制器，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。驗(yàn)證了鉆壓模糊控制結(jié)構(gòu)合理，適應(yīng)能力強(qiáng)，鉆速響應(yīng)穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的控制性能。

2 恒鉆壓自動送鉆系統(tǒng)

恒鉆壓自動送鉆是指鉆機(jī)在正常的鉆井過程中，按照鉆井工藝設(shè)計(jì)的要求，對井底鉆壓、滾筒轉(zhuǎn)速、剎車之間建立控制函數(shù)，通過控制系統(tǒng)控制主滾筒的剎車，自動調(diào)節(jié)鉆壓，適時(shí)向井底送進(jìn)鉆頭，實(shí)現(xiàn)自動送鉆。

如圖1所示為自動送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。鉆壓信號通過死繩作用于張力傳感器，經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，經(jīng)過A／D采樣轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后通過計(jì)算得到實(shí)際的鉆壓信號，再進(jìn)入選擇單元進(jìn)行判斷，將正常范圍內(nèi)的鉆壓信號采樣值和給定鉆壓值進(jìn)行比較，通過模糊控制運(yùn)算后，其輸出控制量將產(chǎn)生的信號作為送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的給定輸入信號送入變頻調(diào)速單元，控制送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化通過變速箱和絞車滾筒等傳動裝置控制大鉤的下放速度，實(shí)現(xiàn)恒鉆壓閉環(huán)控制。

圖1 自動送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 自動送鉆模糊控制系統(tǒng)

實(shí)際的鉆井經(jīng)驗(yàn)證明，鉆進(jìn)時(shí)不能孤立地考慮鉆壓、轉(zhuǎn)速對鉆速的影響，應(yīng)將兩者聯(lián)系起來。目前鉆井過程中對鉆井參數(shù)的要求大多是鉆壓恒定，轉(zhuǎn)速可調(diào)。鉆井技術(shù)人員根據(jù)鄰近井的資料或試井資料來確定理想的鉆壓值，當(dāng)鉆壓值的取值范圍固定后，在一口井的鉆進(jìn)過程中就不再變化，也就是保持恒鉆壓連續(xù)鉆井。

如圖2所示為自動送鉆控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)為三閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為鉆壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制［3］。

圖2 自動送鉆系統(tǒng)控制框圖

內(nèi)環(huán)廣義的對象主要由變頻器、三相異步電機(jī)、測速編碼器等構(gòu)成。這部分不受地質(zhì)構(gòu)造、巖石性質(zhì)、井壁的阻力等外界環(huán)境因素的影響。在控制過程中，通過變頻器的轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)矢量控制，最后實(shí)現(xiàn)對送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。系統(tǒng)中測速編碼器構(gòu)成速度反饋環(huán)路，將電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號反饋到速度控制單元的輸入端。針對鉆壓控制環(huán)，由于鉆壓系統(tǒng)具有時(shí)滯、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的需要精確數(shù)學(xué)模型的控制算法難以實(shí)現(xiàn)，故采用模糊控制。

4 恒鉆壓模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器用于自動送鉆系統(tǒng)中是將檢測的鉆壓值與給定鉆壓值進(jìn)行比較后，進(jìn)行相應(yīng)的模糊處理，然后將模糊處理結(jié)果送給變頻器，實(shí)現(xiàn)對送鉆電機(jī)的控制，此時(shí)電機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)，以控制鉆桿下放速度，從而達(dá)到恒鉆壓目的。其典型系統(tǒng)框圖如圖3所示。鉆壓模糊控制系統(tǒng)采用二維模糊控制器。

圖3 恒鉆壓模糊控制系統(tǒng)

4.1 輸入輸出變量

本文設(shè)計(jì)的鉆壓模糊控制系統(tǒng)中，輸入變量為鉆壓誤差E和鉆壓誤差的變化率EC，輸出為鉆具的下放速度U。鉆井工藝要求在鉆井過程中鉆壓保持恒定，鉆壓 P 的變化范圍是［-0.5，0.5］kN，即為鉆壓誤差E的基本論域。在實(shí)際控制時(shí)盡量不要出現(xiàn)負(fù)偏差，負(fù)偏差說明實(shí)際鉆壓過大，會縮短鉆頭的使用壽命。誤差變化率EC的基本論域?yàn)椋?1，1］kN ／s；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地層均勻和水力參數(shù)保持恒定的情況下，鉆機(jī)鉆頭每秒鐘鉆進(jìn)約5-6mm時(shí)鉆頭的磨損量最小。鉆進(jìn)中的輸出量U從零開始，可以取其變化范圍［0，6］mm ／s，即鉆頭每小時(shí)向地層中鉆進(jìn)的速率范圍為［0，21.6］m ／h。鉆速u的論域是非對稱的，為了便于計(jì)算，將控制量u采用增量式［4］，即每次控制量的輸出是對實(shí)際量的增量，這樣對控制作用進(jìn)行變換，控制量的論域變成對稱的，取論域?yàn)椋?6，6］。將誤差E和誤差變化率EC的模糊論域量化為13級，控制量的模糊論域量化為15級。量化的比例因子為：Ke＝E／e，Kec＝EC ／ec，Ku＝ U ／u。

（1）輸入變量鉆壓誤差e

基本論域：［-0.5，0.5］kN；

量化論域：

詞集：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝

表示鉆壓誤差：太低、偏低、稍低、正常、稍大、偏大、太大。

（2）鉆壓誤差的變化率ec

基本論域：［-1，1］kN ／s；

量化論域：

詞集：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝

表示鉆壓變化速率：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

（3）輸出量鉆具下放速度

基本論域：［-6，6］mm ／s

量化論域：

詞集：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝

表示鉆速：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

4.2 模糊變量隸屬度的確定

在模糊函數(shù)實(shí)踐中表明，模糊控制過程對于語言變量值的隸屬度函數(shù)的范圍有一定的敏感度，而對其形狀并不敏感，因此控制中可選用有利于計(jì)算隸屬度的三角函數(shù)、梯形函數(shù)或簡單高斯函數(shù)。在本文設(shè)計(jì)的控制器中，為了減少計(jì)算量，隸屬度函數(shù)全部采用三角函數(shù)的形式。輸入變量E、EC和輸出變量U隸屬度曲線分別為圖4、圖5和圖6所示。

圖4 變量E的隸屬函數(shù)

圖5 變量EC的隸屬函數(shù)

圖6 變量U的隸屬函數(shù)

4.3 建立模糊控制規(guī)則表

通過總結(jié)熟練司鉆的操作經(jīng)驗(yàn)，可以歸納出一類根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差和誤差的變化趨勢來消除誤差的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

其模糊控制規(guī)則表首先考慮誤差為負(fù)的情況，當(dāng)誤差為負(fù)大時(shí)，說明實(shí)際鉆壓大于給定鉆壓，若誤差變化為負(fù)，這時(shí)誤差有增大的趨勢，則使井底鉆壓繼續(xù)增大，為了消除已有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，要讓輸出鉆壓降低，使輸出為負(fù)大即可。當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減少誤差的趨勢，所以為了盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)選擇較小的控制量。

表1 模糊控制規(guī)則表

由表1可以看出，當(dāng)誤差為負(fù)大且誤差變化為正小時(shí)，控制量的變化取為正中。若誤差變化正大或正中時(shí)，控制量不宜增加，否則造成控制系統(tǒng)超調(diào)產(chǎn)生正誤差，此時(shí)的控制量變化為零。

上述選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選的控制量以達(dá)到盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量應(yīng)注意防止超調(diào)，要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為首要考慮因素。誤差為正和誤差為負(fù)時(shí)原理類似。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)中將送鉆電機(jī)矢量控制和模糊控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電動鉆機(jī)的恒鉆壓自動送鉆功能。利用Matlab的Fuzzy工具箱及Simulink仿真環(huán)境建立系統(tǒng)的仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

根據(jù)油田鉆進(jìn)的工作經(jīng)驗(yàn)，在鉆壓20t左右時(shí)，鉆進(jìn)速度和鉆壓的平方成正比，因此在模糊控制器的仿真過程中采用階躍信號作為控制器的輸入信號，取幅值為20。AC vector control子模塊是送鉆電機(jī)矢量模型控制封裝后生成的。仿真實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8 自動送鉆模糊控制仿真曲線

圖8中的輸出響應(yīng)曲線橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示鉆壓。從圖8可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較快，系統(tǒng)超調(diào)量為6%，低于工程要求的10%；穩(wěn)態(tài)誤差非常小，低于工程要求的5%。同時(shí)通過調(diào)整系統(tǒng)的比例因子和量化因子大小，能進(jìn)一步減小系統(tǒng)的超調(diào)量。同常規(guī)PID控制和模糊PID控制相比較［5-6］，基于模糊控制的恒鉆壓自動送鉆系統(tǒng)，響應(yīng)速度更快且穩(wěn)定。

圖7 恒鉆壓自動送鉆系統(tǒng)仿真圖

6 結(jié)束語

通過對電動鉆機(jī)自動送鉆控制系統(tǒng)的研究，結(jié)合送鉆電機(jī)的矢量控制，本文設(shè)計(jì)了鉆機(jī)自動送鉆系統(tǒng)的恒鉆壓模糊控制器。仿真實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)恒鉆壓自動送鉆過程，縮短了過渡時(shí)間，提高了系統(tǒng)控制穩(wěn)定性，當(dāng)參數(shù)變化較大并有干擾時(shí)，仍能取得較好的控制效果。此控制方法對實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］張曉軍，王建才等.交流變頻電機(jī)自動送鉆系統(tǒng)的原理和應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（11）：60-64.

［2］安建鈞.變頻調(diào)速恒鉆壓自動送鉆系統(tǒng)［J］.石油機(jī)械，2006，34（11）：30-33.

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