旋轉導向鉆井穩定平臺前饋模糊算法研究

2 穩定平臺前饋模糊控制系統原理
旋轉導向鉆井工具的穩定平臺是整個(gè)導向工具中的關(guān)鍵。穩定平臺可以不受鉆桿旋轉的影響而相對穩定于一個(gè)給定角度，從而使旋轉導向系統能夠在鉆柱、工具和導向塊旋轉時(shí)，鉆井工具穩定跟蹤預置的鉆井軌跡，實(shí)現斜井和水平井的鉆采目。旋轉導向鉆井穩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；Gd(s)和Gf(s)為系統引入的前饋環(huán)節，其中：Gd(s)為前饋調節器函數，Gf(s)為干擾通道的傳遞函數；H1(s)為位置反饋通道傳遞函數；H2(s)為速度反饋通道傳遞函數。這樣既能保證平臺隨動(dòng)的精度，又能使穩定平臺有較強的自適應性。

3 模糊控制器的設計
3．1 模糊控制器的基本結構
由于鉆井工程中存在大量井下參數以及其嚴重的復雜性和不確定性，欲提高旋轉導向鉆井穩定平臺系統的控制功能，需引入模糊控制器。根據旋轉導向鉆井穩定平臺控制系統對精度和實(shí)時(shí)性要求，該設計采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器。模糊控制器的結構原理如圖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(guò)模糊控制規則控制u，以滿(mǎn)足不同時(shí)刻E和Ec的要求。

3．2 模糊控制器控制規則
取偏差角α為偏差E，轉速ω為偏差變化Ec，取扭矩發(fā)生器驅動(dòng)電壓信號為輸出u。根據不同的α及ω系統控制u。在導向鉆井工具運行時(shí)，系統的轉速ω和偏差角α輸入數據分別為測量系統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(shí)際角位置之差。因此，模糊控制器控制規則如下：
(1)當轉速較大時(shí)，只做降速控制，不考慮實(shí)時(shí)角位置的測量值。因為即使是偏差角等于零時(shí)，只要轉速不等于零，系統的動(dòng)態(tài)過(guò)程就未結束。
(2)當轉速為零時(shí)，系統只按偏差角調整。使對象根據α從規定方向趨近給定角。
(3)當轉速較小時(shí)，需根據ω、α綜合考慮控制輸出的變化。需要注意這兩個(gè)量之間的符號關(guān)系，即就是：ω和α同號時(shí)，旋轉運動(dòng)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。使對象盡快在該轉向半周內使ω為零甚至反向；若ω和α反號，說(shuō)明現在偏差角減少，可以利用小轉速轉動(dòng)，提高對象響應時(shí)間來(lái)減少降速。降速的減少可根據系統的多個(gè)動(dòng)態(tài)指標綜合調整。隨著(zhù)α的減少，可適當增加一些減速作用以減少超調角度。
系統工作時(shí)，系統將根據輸入的α和ω來(lái)查詢(xún)模糊控制規則表，從而自動(dòng)決定輸出u的大小。
3．3 基于模糊控制器的設計
設計ω，α和u的論域界定為7個(gè)等級。語(yǔ)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(gè)量均選用三角形隸屬度函數，且均采用線(xiàn)性劃分，其中ω的實(shí)際論域為±120 r／m，α的實(shí)際論域為±180°，u的實(shí)際論域需根據系統響應的靈敏度和穩定性等指標綜合調整確定?？刂破髂M推理采用較簡(jiǎn)單的Mandani算法。

4 系統仿真實(shí)驗
該系統設計的控制對象為下發(fā)電機，其傳遞函數為G(s)=Km／(Tms+1)，其中Km是廣義對象總的放大系數，等效時(shí)間常數Tm主要取決于平臺本身轉動(dòng)的摩擦系數和轉動(dòng)慣量等機械參數。Km=1/f，Tm=J/f，其中f為平臺轉動(dòng)摩擦系數，J為平臺轉動(dòng)慣量。
在系統設計中，取J=0．01l kg?m2，取鋼對鋼的動(dòng)摩擦系數f=0．15?？傻玫終m=6．67，Tm=0．073。即傳遞函數為：
G(s)=6．67／(0．073 s+1) (1)
圖3為前饋模糊控制系統仿真框圖。