1、引言

被譽為“鉆井導彈與制導技術”的旋轉導向鉆井是一項涉及多學科的高新科技尖端技術。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帶來的摩擦阻力過大和井眼清清等問題，其中穩定平臺的控制是旋轉導向鉆井系統的關鍵。雖然傳統的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，設計中充分考慮到系統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的性能指標。根據工程上對穩定平臺的要求，這里提出了采用前饋模糊控制算法控制穩定平臺系統的設計方案，試驗結果表明該控制方法抗干擾能力強、魯棒性好。

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導向工具中的關鍵。穩定平臺可以不受鉆桿旋轉的影響而相對穩定于一個給定角度，從而使旋轉導向系統能夠在鉆柱、工具和導向塊旋轉時，鉆井工具穩定跟蹤預置的鉆井軌跡，實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）為下發電機的傳遞甬數；Gd（s）和Gf（s）為系統引入的前饋環節，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時性要求，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 模糊控制器控制規則

取偏差角α為偏差E，轉速ω為偏差變化Ec，取扭矩發生器驅動電壓信號為輸出u。根據不同的α及ω系統控制u。在導向鉆井工具運行時，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測量傳感器的實際角位置之差。因此，模糊控制器控制規則如下：

（1）當轉速較大時，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，只要轉速不等于零，系統的動態過程就未結束。

（2）當轉速為零時，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，需根據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系，即就是：ω和α同號時，旋轉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。使對象盡快在該轉向半周內使ω為零甚至反向；若ω和α反號，說明現在偏差角減少，可以利用小轉速轉動，提高對象響應時間來減少降速。降速的減少可根據系統的多個動態指標綜合調整。隨著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，系統將根據輸入的α和ω來查詢模糊控制規則表，從而自動決定輸出u的大小。

3．3 基于模糊控制器的設計

設計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，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的實際論域需根據系統響應的靈敏度和穩定性等指標綜合調整確定。控制器模擬推理采用較簡單的Mandani算法。

4、系統仿真實驗

該系統設計的控制對象為下發電機，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，等效時間常數Tm主要取決于平臺本身轉動的摩擦系數和轉動慣量等機械參數。Km=1/f，Tm=J/f，其中f為平臺轉動摩擦系數，J為平臺轉動慣量。

在系統設計中，取J=0．01l kg·m2，取鋼對鋼的動摩擦系數f=0．15。可得到Km=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。

4．1 系統性能仿真分析

在MATLAB軟件中，用FUZZY工具箱按照模糊控制器的控制規則構造模糊控制器，在Simulink中組建如圖3所示的穩定平臺前饋模糊控制系統的Simulink仿真模型。

為了突出所采用的前饋模糊控制算法的優越性，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。其仿真結果如圖4所示。

由圖4明顯發現：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，其超調量過大，系統出現明顯的波動。而前饋模糊控制，在無擾動信號時，系統未出現明顯超調，而系統運行穩定后加相同擾動，系統也未出現明顯波動，并能夠很快進入穩定運行狀態，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定平臺系統可有效提高系統動態響應。穩定平臺串級模糊控制系統的實際使用中，改變系統模型參數后系統響應曲線基本重合，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，除了工具自身產生的模型參數變化外，其他各種各樣的擾動隨時都有可能產生，如鉆機憋鉆、卡鉆、巖層性質導致鉆頭受力不均，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，分別以常數信號、脈沖信號、產生正態分布的隨機信號代表各種擾動，對系統進行抗干擾能力的仿真研究。仿真結果如圖6所示。仿真表明，采用前饋模糊控制穩定平臺系統能達到很好的控制要求，針對多種干擾，系統的波動很小，能夠很快進入穩定運行狀態，控制效果良好。

5、結語

建立了穩定平臺前饋模糊控制系統的仿真模型，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計簡單、算法簡單、系統魯棒性強等特點。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。這種控制器結構簡單，易于實現，而且結果精度較高。從而驗證了前饋模糊控制算法在導向鉆井穩定平臺控制系統中的可行性。

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