旋轉(zhuǎn)導向鉆井穩(wěn)定平臺前饋模糊算法研究

1 引言
    被譽為“鉆井導彈與制導技術(shù)”的旋轉(zhuǎn)導向鉆井是一項涉及多學科的高新科技尖端技術(shù)。它具有機械鉆速和井身軌跡控制精度高、位移延伸能力強等特點，且可以有效地克服滑動導向工具給系統(tǒng)帶來的摩擦阻力過大和井眼清清等問題，其中穩(wěn)定平臺的控制是旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的關(guān)鍵。雖然傳統(tǒng)的PID控制對固定輸入已有很好的控制效果，但鉆井過程中的鉆井液脈沖壓力不可能保持固定值，由此會帶來過程對象模型的某些不確定性。因此，設(shè)計中充分考慮到系統(tǒng)的魯棒性和自適應性需在控制中加入智能控制以保證系統(tǒng)的性能指標。根據(jù)工程上對穩(wěn)定平臺的要求，這里提出了采用前饋模糊控制算法控制穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的設(shè)計方案，試驗結(jié)果表明該控制方法抗干擾能力強、魯棒性好。

2 穩(wěn)定平臺前饋模糊控制系統(tǒng)原理
    旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的穩(wěn)定平臺是整個導向工具中的關(guān)鍵。穩(wěn)定平臺可以不受鉆桿旋轉(zhuǎn)的影響而相對穩(wěn)定于一個給定角度，從而使旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)能夠在鉆柱、工具和導向塊旋轉(zhuǎn)時，鉆井工具穩(wěn)定跟蹤預置的鉆井軌跡，實現(xiàn)斜井和水平井的鉆采目。旋轉(zhuǎn)導向鉆井穩(wěn)定平臺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)電機的傳遞甬數(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)。這樣既能保證平臺隨動的精度，又能使穩(wěn)定平臺有較強的自適應性。

3 模糊控制器的設(shè)計
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)以及其嚴重的復雜性和不確定性，欲提高旋轉(zhuǎn)導向鉆井穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的控制功能，需引入模糊控制器。根據(jù)旋轉(zhuǎn)導向鉆井穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)對精度和實時性要求，該設(shè)計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)動電壓信號為輸出u。根據(jù)不同的α及ω系統(tǒng)控制u。在導向鉆井工具運行時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速ω和偏差角α輸入數(shù)據(jù)分別為測量系統(tǒng)的角速度和角位置信號。偏差角的值為操作命令指定所給定的角位置和姿態(tài)測量傳感器的實際角位置之差。因此，模糊控制器控制規(guī)則如下：
    (1)當轉(zhuǎn)速較大時，只做降速控制，不考慮實時角位置的測量值。因為即使是偏差角等于零時，只要轉(zhuǎn)速不等于零，系統(tǒng)的動態(tài)過程就未結(jié)束。
    (2)當轉(zhuǎn)速為零時，系統(tǒng)只按偏差角調(diào)整。使對象根據(jù)α從規(guī)定方向趨近給定角。
    (3)當轉(zhuǎn)速較小時，需根據(jù)ω、α綜合考慮控制輸出的變化。需要注意這兩個量之間的符號關(guān)系，即就是：ω和α同號時，旋轉(zhuǎn)運動正在使偏差角增加，控制量輸出應與輸入反號且盡可能取較大值。使對象盡快在該轉(zhuǎn)向半周內(nèi)使ω為零甚至反向；若ω和α反號，說明現(xiàn)在偏差角減少，可以利用小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，提高對象響應時間來減少降速。降速的減少可根據(jù)系統(tǒng)的多個動態(tài)指標綜合調(diào)整。隨著α的減少，可適當增加一些減速作用以減少超調(diào)角度。
    系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)將根據(jù)輸入的α和ω來查詢模糊控制規(guī)則表，從而自動決定輸出u的大小。
3．3 基于模糊控制器的設(shè)計
    設(shè)計ω，α和u的論域界定為7個等級。語言模糊集取NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL，含義分別為：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。3個量均選用三角形隸屬度函數(shù)，且均采用線性劃分，其中ω的實際論域為±120 r／m，α的實際論域為±180°，u的實際論域需根據(jù)系統(tǒng)響應的靈敏度和穩(wěn)定性等指標綜合調(diào)整確定。控制器模擬推理采用較簡單的Mandani算法。

4 系統(tǒng)仿真實驗
    該系統(tǒng)設(shè)計的控制對象為下發(fā)電機，其傳遞函數(shù)為G(s)=Km／(Tms+1)，其中Km是廣義對象總的放大系數(shù)，等效時間常數(shù)Tm主要取決于平臺本身轉(zhuǎn)動的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量等機械參數(shù)。Km=1/f，Tm=J/f，其中f為平臺轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)，J為平臺轉(zhuǎn)動慣量。
    在系統(tǒng)設(shè)計中，取J=0．01l kg·m2，取鋼對鋼的動摩擦系數(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。

4．1 系統(tǒng)性能仿真分析
    在MATLAB軟件中，用FUZZY工具箱按照模糊控制器的控制規(guī)則構(gòu)造模糊控制器，在Simulink中組建如圖3所示的穩(wěn)定平臺前饋模糊控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型。
    為了突出所采用的前饋模糊控制算法的優(yōu)越性，還對比了采用前饋PID控制算法，通過仿真比較它們的控制性能。其仿真結(jié)果如圖4所示。

    由圖4明顯發(fā)現(xiàn)：前饋模糊控制方式控制性能較好，前饋PID控制的響應速度雖快，但是其抗擾動能力相對較差．在相同擾動的情況下，其超調(diào)量過大，系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的波動。而前饋模糊控制，在無擾動信號時，系統(tǒng)未出現(xiàn)明顯超調(diào)，而系統(tǒng)運行穩(wěn)定后加相同擾動，系統(tǒng)也未出現(xiàn)明顯波動，并能夠很快進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，抗干擾能力明顯加強。由此可見，前饋模糊控制具有響應速度快，抗干擾能力強的特點，因此采用前饋模糊控制穩(wěn)定平臺系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)動態(tài)響應。穩(wěn)定平臺串級模糊控制系統(tǒng)的實際使用中，改變系統(tǒng)模型參數(shù)后系統(tǒng)響應曲線基本重合，如圖5所示。說明前饋模糊控制的導向鉆井穩(wěn)定平臺有很好的自適應性和魯棒性。
4．2 前饋模糊控制抗擾動性仿真
    鉆井時井下情況復雜，除了工具自身產(chǎn)生的模型參數(shù)變化外，其他各種各樣的擾動隨時都有可能產(chǎn)生，如鉆機憋鉆、卡鉆、巖層性質(zhì)導致鉆頭受力不均，鉆井液壓力、排量波動等。為了測試前饋模糊控制的抗擾動性，分別以常數(shù)信號、脈沖信號、產(chǎn)生正態(tài)分布的隨機信號代表各種擾動，對系統(tǒng)進行抗干擾能力的仿真研究。仿真結(jié)果如圖6所示。仿真表明，采用前饋模糊控制穩(wěn)定平臺系統(tǒng)能達到很好的控制要求，針對多種干擾，系統(tǒng)的波動很小，能夠很快進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，控制效果良好。

5 結(jié)語
    建立了穩(wěn)定平臺前饋模糊控制系統(tǒng)的仿真模型，通過對前饋模糊控制、前饋PID兩種控制方式的比較，實驗得出前饋模糊控制方案具有設(shè)計簡單、算法簡單、系統(tǒng)魯棒性強等特點。通過仿真還可看到前饋模糊控制能有效抑制各種不確定性的干擾因素。這種控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，而且結(jié)果精度較高。從而驗證了前饋模糊控制算法在導向鉆井穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)中的可行性。