旋转导向钻井稳定平台串级模糊控制方法研究

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1、石油仪器PETROLEUMINSTRUMENrS2010年02月·开发设计·旋转导向钻井稳定平台串级模糊控制方法研究霍爱清葛蕾袁立志黄海勇。(1．西安石油大学陕西省钻机控制重点实验室陕西西安)(2．川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司陕西西安)(3．中海石油(湛江)有限公司文昌13—1／2油田作业公司广东湛江)摘要：通过对旋转导向钻井稳定平台控制原理的深入研究，提出了采用串级模糊算法对稳定平台控制的方法。并设计出二维模糊控制器，确定了模糊变量的隶属度函数及控制规则，且利用MATLAB软件进行了仿真研究，仿真试

2、验表明稳定平台串级模糊控制对钻井参数在较大范围内变化以及负载扰动对平台的影响，具有良好的稳定性、自适应性、鲁棒性且抗干扰能力强。关键词：串级模糊控制；稳定平台；MATLAB仿真中图法分类号：TE242文献标识码：B文章编号：1004—9134(2010)01．OOO403某些不确定性[、3]。因此，设计中要充分考虑到系统0引言的鲁棒性和自适应性。于是需在控制中加入智能控制旋转导向钻井技术具有机械钻速和井身轨迹控制以确保系统的各项性能指标。精度高、井眼净化效果好、位移延伸能力强等特点，是本文根据工程上对稳定平

3、台的要求，提出了用串导向钻井技术一次质的飞跃[。旋转导向钻井工具的级模糊控制算法控制稳定平台系统，试验结果表明该开发与应用能有效降低油气开发成本、提高油气采收控制方法具有较强的抗干扰能力及良好的鲁棒性。率。稳定平台是旋转导向钻井工具的核心环节，对其控制的成功与否直接关系到旋转导向钻井工具研制的1稳定平台串级模糊控制系统原理成败。目前，虽然传统的PID控制对固定输入已经有1．1串级控制系统的基本原理很好的控制效果，但钻井过程中的钻井液脉冲压力不串级控制系统的基本组成如图1所示。可能保持为一个固定值，由此会带来

4、过程对象模型的图1串级控制系统的基本组成图1中主被控量c为稳定平台工具面角，也称主PID控制。这样既能保证平台随动的精度，又能使稳参数；副被控量c为平台旋转速度，也称副参数。主定平台有较强的自适应性。被控量和副被控量通过对应的测量装置及控制器构成1．2模糊控制器设计双闭环控制。副被控量的控制回路在内，其输入信号设计采用二维模糊控制器，该控制器以E和E的就是主控制器的输出，而副控制器的输出就直接控制导数Ec为输入，11为输出。实验中E为稳定平台工调节阀，这两个控制回路称为内环和外环[、。实验具面角a，Ec为平

5、台旋转速度∞，u为扭矩发生器驱动中，外环控制将采用模糊控制，内环控制选取传统的电压信号。它们的论域分别界定为7个等级。语言模基金项目：陕西省自然科学基金资助项目(SJ08E216)~I中国石油天然气集团公司中青年创新基金资助项目(07E1014)第一作者简介：霍爱清，女，1966年生，副教授，现任教于西安石油大学，研究方向：模糊控制、变结构控制及导向钻井控制。邮编：7100652010年第24卷第1期霍爱清等：旋转导向钻井稳定平台串级模糊控制方法研究糊集取(NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL)，其中的

6、简记形式为了使稳定平台能快速跟随设定的工具面角，将含义分别为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。稳定平台的控制轴稳定在所需工具面角的位置，本实三个量均选用三角形隶属度函数。控制器模拟推理采验设计串级控制方法，即位置负反馈环为外环和速度用Mandani法。a、co和U均采用线性划分，其中a隶负反馈环为内环。位置负反馈环通过偏差信号控制工属度函数。具旋转，使导向工具达到设计的工具面位置；速度负反模糊控制规则如下：馈环主要是检测平台旋转速度，从而保证稳定平台的当转速值较大时，只做降速控制，基本不考虑实时工作

7、状态。角位置的测量值。因为即使是偏差角等于零时，只要本设计控制对象为稳定平台结构中的下发电机。L转速不等于零，系统的动态过程也不能算完成。它的传递函数为G(s)=，其中：k为广义对象当转速为零时，系统只按偏差角调整。使对象根总的放大系数；为等效时间常数，它主要取决于平据a的符号从规定方向趋近给定角。台本身转动的摩擦系数和转动惯量等机械参数。k当转速较小时，需根据叫、n综合考虑控制输出的1r变化。特别要注意这两个量之间的符号关系，并按以=÷，=号，其中：．厂为平台转动摩擦系数；J为平台下思路区别对待。∞和a同

8、号时，旋转运动正在使偏转动惯量。设计中，取J=0．011kg．in，取钢对钢的差角增加，控制量输出要与输入反号且尽可能取较大动摩擦系数f：0．15。可以得到k=6．67；T=0．值。使对象尽快降速，力争能在该转向半周内使∞为073零甚至反向。若∞和a符号相反，说明现在偏差角正即G(s)在减少，可适当地减少降速作用，可以利用小转速转动提高对象响应时间。降速的减少程度可根据系统的多2．2串级模糊控制性能分析个动态指标