旋转导向钻井工具智能PID控制.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 石 油机械 CHI NA P ETROL EUM MACHI NERY ． ． 钻井新技术 旋 转导 向钻 井工具智能 P I D控 制 李耀东 程为彬 汤 楠 霍爱清 汪跃龙 郭颖娜 康 思民 西安石油大学电子X - 程学院 摘要 稳定平台是调制式全旋转导向钻井工具的关键 ，其驱动机构是 一个强非线性、强扰 动 和参数变化大的时变系统，常规的 P I D控制难 以获得满意 的动态响应速度和稳定 静态性能。根 据旋转导 向钻井工具稳定平 台的工作特 点，结合智能控制，研 究了一种基 于间接专家系统 的智能 P I D控制，详细分析 了控制策略和参 数调试准则 ，并进行 了台架模 拟试验测试。结果表 明，智能 P I D控制可 以较好地克服强扰动、强非线性和参数大范 围变化等 因素，获得稳定 的控制性能。 关键词 旋转导向钻井工具 智能控制P I D专家系统 0 引 言 胜利石油管理局与西安石油大学联合研制了调 制式全旋转导向钻井工具系统 ，其导向过程是 由钻 井工具在全旋转状态下通过对 3个翼肋的伸缩来实 现的 ，通过上 、下盘 阀的高 、低压 的导通截止过程 改变翼肋对井壁的作用矢量力 ，产生具有一定方向 和大小的导 向力 J 。作为控制轴 的稳定平台是整 个工具的关键 ，其作用是在钻井工具中产生一个不 受钻杆旋转影响、相对稳定的平台，从而使导向钻 井工具及推板的工具面角在旋转时保持稳定 。为了 使稳定平 台在旋转 的钻柱内维持稳定 ，必须使施加 到控制轴上的力矩平衡 ，工作 中平台受到的主要力 矩包括驱动上盘阀旋转的扭矩 、钻柱旋转带来的机 械摩擦阻力矩和涡轮 电动机产生的电磁力矩 ，调节 电磁力矩就可以实现对稳定平 台的井斜和方位的控 制 ] 。 稳定平台的驱动机构具有强非线性 、强扰动和 参数变化大等特点 ，常规的 P I D控制难 以在参数大 范围内变化时获得满意的动态响应速度和稳定的静 态性能。近年来 ，先进控制理论与传统 P I D结合形 成先进 的 P I D控制器得到了广泛应用 ，智能 P I D控 制的环境适应和 自学习能力较强 ，具有可靠性 高、 连续运行性和在线控制实时性好等特点 。 笔者根据旋转导向钻井工具稳定平 台的工作特 点 ，结合智能控制 ，研究了基于间接专家系统的智 能 P I D控制 ，并进行了试验测试。存储数据分析表 明 ，智能 P I D控制可以较好地克服强扰动 、强非线 性和参数大范围变化等不利因素 ，获得稳定的控制 J生能 。 ． 1 系统模 型与 P I D控制 1 ． 1 控制 系统模型 根据稳定平台的设计特点 ，可以通过调节涡轮 电动机 的电流来调节电磁转矩 ，以改变作用在控制 轴上的总力矩 ，使控制轴转动和稳定。根据总体设 计思想 ，稳定平 台有角位置 和角速度 2种控制方 式 ，下面以图 1 所示的角速度控制为例来分析系统 模型及其控制。这是一个闭环负反馈角速度控制系 统 ，可 以自动克服闭环内各种干扰 ，维持导向工具 指 向 固定工具 面角 ， 此 时速度为0； 当新 的位 置指 图 1 系统 控 制 框 图 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 旋转导向钻井系统关 键技术研 究” 2 0 0 3 A A 6 0 2 0 1 3 ；中国石油天然气集 团公 司中青年创新基金项 目 “ 智能旋转垂直钻井工具稳定平 台关键控制技术研究” 0 7 E 1 0 1 4 ；陕西省 自然科 学基金项 目 “ 垂直钻井工具小角度姿态测量与控制技术研 究” S J 0 8 E 2 1 6 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 令给定后 ，将以一定的速度按位置随动系统原理工 作 ，带动导向工具旋转到给定工具面位置 ，然后保 持速度为 0 ，维持在新的工具面角上 。 图中，G S 为涡轮电动机 电枢 电路的传 递 函数，K为驱动电路放大系数，G s 为涡轮电 动机传递函数 ，D S 为数字控制器 ，H s 为 参数检测反馈电路的传递函数 ， s 为驱动上 盘阀旋转的扭矩和钻柱旋转带来 的机械摩擦阻力矩 之和，M S 为涡轮电动机产生 的电磁力矩 ，则 整个系统的闭环传递 函数为 ． 1 1 ． 2 离 散 P I D控 制 常规模拟 P I D控制的表达式为 u f K e r 础 K d e 2 式 中 、K 和 比例 、积分和微分增益 ； e 偏差。 为便于计算机实现 ，按照常规 P I D控制对控制 器进行离散化 ，其表达式为 u K p e k K ∑e 3 式 中 采样周期 ； 采样序号 ； e k 当前采样时刻的离散控制偏差； e k一1 前次采样时刻采样偏差。 从式 3 可 以看出，数字控制器的控制输出 与偏差和偏差变化率有关。 2 智 能 P I D控制 由于钻井过程的特殊性 ，导 向控制对系统响应 超调量和调整时间的要求不高 ，但考虑到钻井过程 中钻井液压力的波动性 、驱动机构的非线性和钻具 振动带来的对象模型的不确定性 ，应充分考虑系统 的鲁棒性 ，控制算法采用基于间接专家系统的智能 P I D控制。专家系统对 P I D控制参数的整定过程包 括对系统性能的判别 、特征参数的识别和控制参数 调整量的确定 。 2 ． 1 误差控制分析与知识表示 典型控制 系统 的误 差变化如 图 2所示 ，常 规 P I D控制的比例增益 K 在整个调整过程不变 ，导 致误差大时调整速度偏慢。分离式 P I D控制改进了 这一点，在 。 6段采用纯比例控制 ，提高 了误差大 时的响应速度。常规 P I D控制对误差的积分过程针 对性不强 ，如图中曲线． 段 ，积分累积作用较大 ， 正确的控制策略是使控制量增 加一正值 以减小超 调 ，实际的积分作用却是继续增加 了负值控制量 ； 在曲线 段 ，正确的控制策略是使控制量增加一负 值以减小超调 ，实际的积分作用却是继续增加 了正 值控制量 ，致使系统超调不能迅速降低 ，延长了系 统过渡时间；在 曲线 段 ，继续增加积分作用会 造成系统再次出现超调。 图 2典 型 控 制 系统 的误 差 变化 曲线 间接专家智能控制基于以往调试经验所构成的 专家知识库 ，根据偏差量和偏差变化率 ，以及二者 乘积判断系统所处调整阶段 ，在不 同阶段给定不同 的 、K ， 和 ，以期获得最佳控制效果 。 依据旋转导 向钻井工具特点 、 ． 模拟调试经验及 系统控制需求 ，规定 、K 和 的变化步长分别 为 △ 。 、△ 和 △ ，并且满足如下不等式 r ⋯ ≤ ≤ KP J K i ≤K i ≤K i⋯ 4 I K ≤K a ≤K d 为方便程序编写 ，令 1 e k ， 2 l e k I ， 3 A e ， 4 A e 一 1 ， Y 1 ，Y 2 K i ，Y 3 ，z 1 A h p ， 2 A h ，z 3 弓 A h d 。 2 ． 2参数调试准则 以下根据偏差量和偏差变化率 ，针对系统响应 所处的不同阶段 ，详细说明参数调试准则。 1 当 l e k { ≤M O M O0 t h e n Y 1 ly 1 ； Y 2 Y 2 z 2 ； Y 3 Y 3 3 ； 4 当e △ e 0 且M1 ≥ l e J ≥ 时，说明偏差朝绝对值增大的方向变化 ，但偏差量 较小，如图 2中曲线 如、 段 ，只需扭转偏差增大 变化趋势即可 ，可采用一般的控制。 准则 4 i f 2 M0 a n d 2 0 t h e n Y 1 Y 1 ； Y 2 Y 2 ； Y 3 Y 3 ； 5 当 e 0或 △ e △ e 一1 0 、 e △ e 0时，说明已经达到平衡状态 ，或 者偏差在朝绝对值减小的方向变化 ，如图 2中曲线 和 段 ，此时保持参数不变 。 准则 5 i f 1 3 0 o r 1 0 t h e n y 1 Y 1 ； Y 2 _y 2 ； Y 3 Y 3 ； 6 当e 后 0 、 I e l ≥M1，且 △ e △ e 一1 0时 ，说 明偏差处于极值状 态 ，误差较大 ，如图 2中曲线 ／和 f 点 ，应采用较 强的控制 ，扭转偏差变化趋势 ，迅速减少偏差绝对 值 ，此时增大 、K 和 。 准则 6 i f 1 3 0 a n d 3 x 4 M1 t h e n y 1 Y 1 1 ； Y 2 ， 2 z 2 ； Y 3 Y 3 3 ； 7 当 e A e 0、M 0 ≤l e J ≤ M1 ，且 △ e △ e 一1 0时，说明偏差处于 极值状态 ，但误差不大，如图 2中曲线 r 点 。此时 可采用一般控制 ，增大 ，保持 和 。 准则 7 i f 1 3 0 a n d 3 4 M0 a n d 1 M1 t h e n Y 1 Y 1 1 ； Y 2 Y 2 ； y 3 Y 3 ； 2 ． 3 试验结果分析 以上述控制算法进行模拟台架试验 ，通过对存 储的数据回放 ，可得实际工具面控制时相应 的角速 度控制结果 ，如 图 3所示 。 图 3试验数据 曲线 T1 s 图中纵轴为角速度采样值 ，数值 5 0表示角速 角速度超过 2 0 0 。 ／ s时数值等于 0；数值大于 5 0表 度为 0 ，数值 0表示顺 时针旋转角速 度为 2 0 0 。 ／ s ， 示逆时针旋转。在稳定平台启动的一段时间内，程 一 l 6一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 序需要 自检，输 出不做控制 ，稳定平台将随钻杆一 起旋转 ，角速度一般 超过 2 0 0 。 ／ s ，此 时角速度采 样数值为0 。从 曲线可以看出，角速度控制整体上 是保持在角速度采样值为 5 0的稳定位置上 ，当有 外部扰动时，系统将会自动进行调整，此时角速度 将有变化 ，并很快地返 回到角速度采样值为 5 0的 稳定位置 ；对于强干扰的情况 ，也能依据 P I D控制 规律 ，经过快速调整，很快地维持系统稳定 。这表 明智能 P I D控制可以克服强扰动和系统本身的非线 性缺陷，具有较好的动态和静态控制性能。 3 结束语 旋转导 向钻井工具具有强非线 性、强扰动特 征 ，结合间接专家系统所设计的智能 P I D控制根据 系统响应所处的不同阶段 ，给定不 同的增益 ，以达 到快速减小偏差 和超调 的 目的。台架模拟试验表 明，这种智能 P I D控制可以较好地控制强扰动 、强 非线性和参数大范围变化等不利因素，获得稳定的 控制性能 ，也可应用于垂直钻井工具的稳定控制 。 参考文献 [ 1 ] 闫文辉， 彭勇，张绍槐 ． 旋转导向钻井工具的研 制原理 [ J ]．石油学报，2 0 0 5 ，2 6 5 9 49 7 ． [ 2 ] 韩来聚，孙铭新，狄勤丰 ．调制式旋转导向钻井系 统工作原理研究 [ J ]．石油机械，2 0 0 2 ，3 0 3 7～9．35 ． [ 3 ] 汤楠 ，穆向阳．调制式旋转导向钻井工具稳定平 台控制机构原理研究 [ J ]．石油钻采工艺，2 0 0 3 ， 2 5 3 91 2 ． 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 28 99 2 ． 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 4 9 5 1 ． 汤楠 ，霍爱清 ，汪跃 龙 ，等 ．旋转 导向钻井 工具 稳定平 台控制功 能试验研 究 [ J ]．石 油学报， 2 0 0 8 。2 9 2 2 8 42 8 7 ． 高东杰 ，谭 杰，林红权 ．应用先进控制技 术 [ M]． 北京国防工业出版社 ，2 0 0 3 2 0 8 2 1 2 ． H a n s o n J M． A d v a n c e d g u i d a n c e a n d c o n t r o l p r o j e c t f 0 r r e u s a b l e l a u n c h v e h i c l e s[ R]． A I A A一2 0 0 03 9 5 7 ， 2 0 0o ． 张邦楚，王少锋，王卫华，等 ．基于单神经元的飞 航导弹智能 P I D控制 [ J ]．上海航天，2 0 0 5 ，2 2 5 1 9 2 3 ． 王卫华，田海宝，林永生 ，等 ． 飞航导弹自动驾驶 仪智能 P I D控制 [ J ]．弹箭与制导学报 ，2 0 0 5 ， 2 5 3 4 7 04 7 3 ． 第一作者简介 李耀东 ，生于 1 9 8 4年 ，西安石油大学 在读硕士研 究生，研究方 向为控制科学 与工 程。地址 7 1 0 0 6 5 陕西省西安市 。Em a i l 1 y d 8 4 0 8 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 2 l 本文编辑刘锋 下期部分文章预告 基于非线性屈曲分析的井架承载能力评估方法 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 许茂冯加权杜强 S C J 1 2 6 ． 0 4 0型双井节能抽油机 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 李新华 新型带压作业管柱接箍探测装置的研制 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 贾光政李静任永 良等 H C X J C 2 7 0 6抽汲式采油绞车的研制 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 马 志 螺杆泵专用锚的研制与应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张军韩兵奇 陈良虎等 基于 C A N总线海洋平 台设备状态检测系统的设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 程永瑞汪永康刘 丹等 高压天然气管道内粉尘在线检测系统性能分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 张星姬忠礼陈鸿海等 稠油开采电加热设备节能技术 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 王俊奇张祖峰李建馨等 车装钻机安全监测系统的研究与开发 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 何君 闰伟 帅健等 液压倒扣器在水平井、斜井修井中的应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 徐克彬马昌庆邹余明等 新型水力喷射解堵技术在吉林油田的应用 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 谢敏许建 国 张凤等 D Q 7 5 0 0型斜直井钻机机械臂修复⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 余灵敏马亚锋 ] J] J] j 1 j 1 J] J