旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)前饋模糊算法研究

2 穩(wěn)定平臺(tái)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(tái)是整個(gè)導(dǎo)向工具中的關(guān)鍵。穩(wěn)定平臺(tái)可以不受鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響而相對(duì)穩(wěn)定于一個(gè)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(shí)，鉆井工具穩(wěn)定跟蹤預(yù)置的鉆井軌跡，實(shí)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(tái)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(jī)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(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。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)
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(tái)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(tái)控制系統(tǒng)對(duì)精度和實(shí)時(shí)性要求，該設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(dòng)電壓信號(hào)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(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速ω和偏差角α輸入數(shù)據(jù)分別為測(cè)量系統(tǒng)的角速度和角位置信號(hào)。偏差角的值為操作命令指定所給定的角位置和姿態(tài)測(cè)量傳感器的實(shí)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(shí)，只做降速控制，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)過程就未結(jié)束。
(2)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從規(guī)定方向趨近給定角。
(3)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。需要注意這兩個(gè)量之間的符號(hào)關(guān)系，即就是：ω和α同號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)正在使偏差角增加，控制量輸出應(yīng)與輸入反號(hào)且盡可能取較大值。使對(duì)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(hào)，說明現(xiàn)在偏差角減少，可以利用小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，提高對(duì)象響應(yīng)時(shí)間來(lái)減少降速。降速的減少可根據(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)，系統(tǒng)將根據(jù)輸入的α和ω來(lái)查詢模糊控制規(guī)則表，從而自動(dòng)決定輸出u的大小。
3．3 基于模糊控制器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)ω，α和u的論域界定為7個(gè)等級(jí)。語(yǔ)言模糊集取NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL，含義分別為：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。3個(gè)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(shí)際論域?yàn)椤?20 r／m，α的實(shí)際論域?yàn)椤?80°，u的實(shí)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?？刂破髂M推理采用較簡(jiǎn)單的Mandani算法。

4 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為下發(fā)電機(jī)，其傳遞函數(shù)為G(s)=Km／(Tms+1)，其中Km是廣義對(duì)象總的放大系數(shù)，等效時(shí)間常數(shù)Tm主要取決于平臺(tái)本身轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等機(jī)械參數(shù)。Km=1/f，Tm=J/f，其中f為平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)，J為平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，取J=0．01l kg?m2，取鋼對(duì)鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)f=0．15?？傻玫終m=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。