旋转导向钻井稳定平台串级模糊控制方法研究.pdf

石油仪器 P E T R O L E U M I N S T R U ME N r S 2 0 1 0 年 0 2 月 开发设计 旋转导向钻井稳定平台串级模糊控制方法研究 霍爱清 葛 蕾 袁立志 黄海勇。 1 ． 西安石油大学 陕西省钻机控制重点实验室陕西 西安 2 ． 川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司陕西 西安 3 ．中海石油 湛江 有限公司文昌 1 3 1 ／ 2 油田作业公司广东 湛江 摘 要通过对旋转 导向钻 井稳定 平台控制原理 的深入研 究， 提 出了采 用 串级模 糊算 法对稳定 平 台控制 的方法。并 设计出二维模糊控制器， 确定了模糊变量的隶属度函数及控制规则， 且利用 MA T L A B软件进行了仿真研究， 仿真试验表 明稳定平台串级模糊控制对钻井参数在较大范围内变化以及负载扰动对平台的影响， 具有 良好的稳定性、 自适应性、 鲁 棒性 且抗 干扰 能力强。 关 键 词 串级模 糊控 制 ； 稳定平 台； MA T L A B仿真 中图法分 类号 T E 2 4 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 0 0 1 ． O O O 4 0 3 0 引 言 旋转导向钻井技术具有机械钻速和井身轨迹控制 精度高、 井眼净化效果好 、 位移延伸能力强等特点 ， 是 导向钻井技术一次质的飞跃[ 。旋转导 向钻井工具的 开发与应用能有效 降低油气开发成本 、 提高油气采收 率 。稳定平台是旋转导向钻井工具的核心环节 ， 对其 控制的成功与否直接关系到旋转导向钻井工具研制的 成败。 目前 ， 虽然传统 的 P I D控制对 固定输入 已经有 很好的控制效果 ， 但钻井过程 中的钻井液脉冲压力不 可能保持为一个固定值 ， 由此会带来过程对象模型的 某些不确定性[ 、 3 ] 。因此 ， 设计 中要充分考虑到系统 的鲁棒性和 自适应性 。于是需在控制 中加入智能控制 以确保系统的各项性能指标 。 本文根据工程上对稳定平台的要求， 提出了用串 级模糊控制算法控制稳定平台系统 ， 试验结果表明该 控制方法具有较强的抗干扰能力及 良好的鲁棒性。 1 稳定平 台串级模糊 控制 系统原理 1 ． 1 串级控制系统的基本原理 串级控制系统的基本组成如图 1 所示。 图 1 串级 控 制 系 统 的 基 本 组 成 图 1 中主被控量 c 为稳定平台工具面角， 也称主P I D控制。这样既能保证平台随动的精度， 又能使稳 参数； 副被控量 c 为平台旋转速度， 也称副参数。主 定平台有较强的自 适应性。 被控量和副被控量通过对应的测量装置及控制器构成 1 ． 2 模糊控制器设计 双闭环控制。副被控量的控制回路在内， 其输入信号 设计采用二维模糊控制器， 该控制器以 E和 E的 就是主控制器的输出， 而 副控制器的输 出就直接控制 导数 E c为输入 ， 1 1 为输 出。实验 中 E为稳定平 台工 调节阀， 这 两个控 制回路称 为内环 和外环[ 、 。实验 具面角 a ， E c为平台旋转速度 ∞， u为扭矩发生器驱动 中， 外环控制将采用模糊控制， 内环控制选取传统的 电压信号。它们的论域分别界定为 7 个等级。语言模 基金项 目陕西省 自然科学基金资助项 目 S J 0 8 E 2 1 6 II 中国石油天然气集团公司中青年创新基金资助项 目 0 7 E1 0 1 4 第一作者简介 霍爱清 ， 女 ， 1 9 6 6年生， 副教授 ， 现任教于西安石油大学 ， 研究方向 模糊控制 、 变结构控制及导向钻井控制 。邮编 7 1 0 0 6 5 2 0 1 0年第 2 4 卷第 1 期 霍爱 清等 旋转导 向钻井稳定平 台串级模糊 控制方法研究 糊集取 N L， N M， N S ， Z E， P S ， P M， P L ， 其中的简记形式 含义分别 为 负大 、 负 中、 负小 、 零 、 正小 、 正 中、 正大。 三个量均选用三角形隶属度函数。控制器模拟推理采 用 Ma n d a n i 法。a 、 c o和 U均采用线性划分 ， 其 中 a隶 属度函数 。 模糊控制规则如下 当转速值较大时 ， 只做降速控制 ， 基本不考虑实时 角位置的测量值 。因为即使是偏差角等于零 时， 只要 转速不等于零 ， 系统的动态过程也不能算完成 。 当转速为零时， 系统只按偏差角调整。使对象根 据 a的符号从规定方 向趋近给定角。 当转速较小时 ， 需根据 叫、 n综合考虑控 制输 出的 变化。特别要注意这两个量之间的符号关系 ， 并按 以 下思路区别对待。∞和 a同号时 ， 旋转运动正在使偏 差角增加 ， 控制量输 出要 与输入反号且尽可 能取较大 值。使对象尽快降速 ， 力争能在该转向半周内使 ∞为 零甚至反向。若 ∞和 a符号相反 ， 说明现在偏差角正 在减少 ， 可适 当地减少降速作用 ， 可以利用小转速转动 提高对象响应时间。降速的减少程度可根据系统的多 个动态指标综合调整。随着 a的减少 ， 可适 当增加一 些减速作用 以减少超调角度 。 系统工作时可根据输入的a和 ∞查询模糊控制规 则表并 自动决定输 出 1 1 的大小。 2 系统仿真试验 为了使稳定平台能快速跟随设定的工具面角， 将 稳定平台的控制轴稳定在所需工具面角的位置 ， 本实 验设计 串级控制方法 ， 即位置负反馈环为外环和速度 负反馈环为 内环。位置负反馈环通过偏差信号控制工 具旋转 ， 使导 向工具达到设计的工具面位置 ； 速度负反 馈环主要是检测平 台旋转速度 ， 从而保证稳定平 台的 工作状态。 本设计控制对象为稳定平台结构 中的下发电机 。 L 它的传递 函数为 G s ， 其中 k 为广义对象 总的放大系数 ； 为等效时间常数 ， 它主要取决于平 台本身转动 的摩擦系数和转动惯量 等机械参数。k 1 r ， 号， 其中 ．厂 为平台转动摩擦系数； J 为平台 转动惯量。设计 中 ， 取 J0 ． 0 1 1 k g ． i n ， 取钢对钢 的 动摩擦 系数 f0 ． 1 5 。可 以得 到 k 6 ． 6 7 ； T0 ． 07 3 即 G s 2 ． 2 串级模糊控制性能分析 在 MA T L AB中， 用 F U Z Z Y工具 箱构造模糊控制 器 ， 并在 S i mu l i n k中组建出稳定平 台串级模糊控制系 统的 S i m u l i n k仿真模型 ， 如图 2所示 。 通过仿真试验 ， 得到稳定平 台串级模糊控制系统 的响应曲线如图 3 a 所示。图 中同时对 比了双 P I D 控制稳定平台时的响应 曲线 。 2 ． 1 系统模型的建立 由1 1 3 a 的仿真结果可一看 出稳定平 台串级模 一 __厂 n 而 厂 廿 P1D Controlle Gain2 Gain31hnster Fon lntegrato G a i n 5 J 一 Ga i nl 控制 图 3 稳定平 台系统 串级模糊控制 相应 曲线 6 石油仪器 P E T R O I U M I N S T R U ME N T S 2 0 1 0年 o 2 月 糊控制系统的性能指标为 调节时间 t 。 1 0 s ， 超调量 几乎为零 ， 稳态误差 e 0 ； 双 P I D控制 的性 能指标 为 调节时间 t 1 7 s ， 超调量 ％约为 4 5 ％， 稳态误 差 e 。 0 。通过 两者 的仿 真结果 可 以看 出， 采用 双 P I D控制调节时间长且有较大 的超调量 ， 而采用串级 模糊控制的系统则有调节时间短 ， 零超调 ， 稳态误差为 零 ， 反应时间较快的优点 ， 因此采用 串级模糊控制稳定 平台系统可以有效提高系统动态响应 。 稳定平台串级模 糊控制系统在实际使用中 ， 控制 对象模型参数会发生变化， 若 厂 变化 1 0 ％， f 0 ． 1 6 5 ， 则有 k 6 ． 0 6 ， T m 0 ． 0 6 7 ， 系统响应曲线如图 3 b 中绿线所示。若．厂 变化 2 0 ％， 3 0 ％系统响应曲线如图 3 b 中蓝线 和棕 线所示 。考虑系统 中存在非线性延 时， 延时时间为 0 ． 2 s ， 系统响应曲线如 图 3 b 中红线 所示。由图 3 b 可 以看 出， 改变 系统模型参数 ， 四条 响应曲线基本重合在一起 ， 说明串级模糊控制 的导 向 钻井稳定平台有很好的 自适应性 ， 对模型不确定性有 很好的鲁棒性。 2 ． 3 前馈控制试验 前馈控制通常取某 一主要扰 动信 号作 为补偿信 号， 它与反馈调节原理完全不 同， 是按照引起被调参数 变化的干扰大小进行调节的。这种调节系统 中要直接 测量干扰量的变化 ， 当干扰刚刚出现而能测 出时 ， 干扰 补偿器就能发出调节信号使调节量作相应 的变化 ， 使 两者抵消于被调量发生偏差之前 ， 从而使系统更具有 稳定性[ 6 l 。 在钻井时井下的情况复杂， 除了工具 自身产生 的 模型参数变化外 ， 其它各种各样的扰动随时都有可能 产生 ， 如钻机憋钻 、 卡钻 、 岩层 的性质导致钻头的受力 不均匀 ， 钻井液压力 、 排量波动等。由于电流大小可以 反映负载变化对稳定平 台的影响 ， 是一个 主要的扰动 信号 ， 故而选取该信号作为前馈信号， 构成电流前馈控 制系统。 在仿真试验中， 分别 以常数信号 、 脉冲信号 、 随机 信号来代表各种可能的扰动， 对 系统进行抗 干扰能力 的仿真研究， 仿真结果依次如图4中的 a 、 b 、 c 。 f 图 4 干扰信号及其 系统 响应 曲线 仿真表明， 用串级模糊控制稳定平 台系统能很好 的达到控制要求 ， 针对多种干扰 ， 系统的波动很小 ， 能 够很快的进入稳定运行状态， 控制效果 良好。 3 结论 本文通过对稳定平台串级模糊控制系统的性能分 析 以及对各种扰动信号的仿真 ， 表明采用 串级模糊控 制方法对实现稳定平台控制具有设计简单 、 系统鲁棒 性及抗干扰能力强等特点 。且对加入电流前馈补偿 串 级模糊控制 ， 能有效地抑制 由负载变化 引起的不确定 性因素的影响， 达到了稳定平台控制的 目标 。 参 考 文 献 [ 1 ] 韩来聚， 王瑞和， 刘新华， 等．调制式旋转导向钻井系统 稳定平 台控制原理及 性能分析 [ J ] ． 石油 大学学报 自然 科 学版 ， 2 0 0 4 ， 2 8 5 [ 2 ] 汤楠， 穆向阳． 调制式旋转导向钻井工具稳定平台控 制机构研究[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 3 ， 2 5 3 [ 3 ] 汤楠， 霍爱清， 崔琪琳． 基于状态空间法的旋转导向钻 井工具控制系统研究[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 2 [ 4 ] 崔琪琳， 张绍槐 ， 刘于祥． 旋转导向钻井系统稳定平 台变 结构控制研究[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 3 [ 5 ] 王正林， 郭阳宽． 过程控制与 S i m u l i n k应用[ M] ． 北京 电 子工业 出版社 ， 2 0 0 6 [ 6 ] 陶永华， 尹怡欣 ， 葛芦生 ． 新型 P I D控制及其应用[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 8 收稿日期 2 0 0 9 0 7 0 6 编辑梁保江