旋转导向钻井工具智能PID控制.pdf

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1、石油机械2010年第38卷第8期CHINAPETROLEUMMACHINERY．．钻井新技术旋转导向钻井工具智能PID控制李耀东程为彬汤楠霍爱清汪跃龙郭颖娜康思民(西安石油大学电子X-程学院)摘要稳定平台是调制式全旋转导向钻井工具的关键，其驱动机构是一个强非线性、强扰动和参数变化大的时变系统，常规的PID控制难以获得满意的动态响应速度和稳定静态性能。根据旋转导向钻井工具稳定平台的工作特点，结合智能控制，研究了一种基于间接专家系统的智能PID控制，详细分析了控制策略和参数调试准则，并进行了台架模拟试验测试。结果表明，智能PID

2、控制可以较好地克服强扰动、强非线性和参数大范围变化等因素，获得稳定的控制性能。关键词旋转导向钻井工具智能控制PID专家系统连续运行性和在线控制实时性好等特点。0引言笔者根据旋转导向钻井工具稳定平台的工作特点，结合智能控制，研究了基于间接专家系统的智胜利石油管理局与西安石油大学联合研制了调能PID控制，并进行了试验测试。存储数据分析表制式全旋转导向钻井工具系统，其导向过程是由钻明，智能PID控制可以较好地克服强扰动、强非线井工具在全旋转状态下通过对3个翼肋的伸缩来实性和参数大范围变化等不利因素，获得稳定的控制现的，通过上、下盘

3、阀的高、低压的导通截止过程J生能。．改变翼肋对井壁的作用矢量力，产生具有一定方向和大小的导向力¨J。作为控制轴的稳定平台是整1系统模型与PID控制个工具的关键，其作用是在钻井工具中产生一个不受钻杆旋转影响、相对稳定的平台，从而使导向钻1．1控制系统模型井工具及推板的工具面角在旋转时保持稳定。为了根据稳定平台的设计特点，可以通过调节涡轮使稳定平台在旋转的钻柱内维持稳定，必须使施加电动机的电流来调节电磁转矩，以改变作用在控制到控制轴上的力矩平衡，工作中平台受到的主要力轴上的总力矩，使控制轴转动和稳定。根据总体设矩包括驱动上盘阀旋

4、转的扭矩、钻柱旋转带来的机计思想，稳定平台有角位置和角速度2种控制方械摩擦阻力矩和涡轮电动机产生的电磁力矩，调节式，下面以图1所示的角速度控制为例来分析系统电磁力矩就可以实现对稳定平台的井斜和方位的控模型及其控制。这是一个闭环负反馈角速度控制系制]。统，可以自动克服闭环内各种干扰，维持导向工具稳定平台的驱动机构具有强非线性、强扰动和指向固定工具面角，此时速度为0；当新的位置指参数变化大等特点，常规的PID控制难以在参数大范围内变化时获得满意的动态响应速度和稳定的静态性能。近年来，先进控制理论与传统PID结合形成先进的PID控

5、制器得到了广泛应用，智能PID控制的环境适应和自学习能力较强，具有可靠性高、图1系统控制框图基金项目：国家863计划项目“旋转导向钻井系统关键技术研究”(2003AA602013)；中国石油天然气集团公司中青年创新基金项目“智能旋转垂直钻井工具稳定平台关键控制技术研究”(07E1014)；陕西省自然科学基金项目“垂直钻井工具小角度姿态测量与控制技术研究”(SJ08E216)。石油机械2010年第38卷第8期令给定后，将以一定的速度按位置随动系统原理工致误差大时调整速度偏慢。分离式PID控制改进了作，带动导向工具旋转到给定工具

6、面位置，然后保这一点，在。6段采用纯比例控制，提高了误差大持速度为0，维持在新的工具面角上。时的响应速度。常规PID控制对误差的积分过程针图中，G(S)为涡轮电动机电枢电路的传递对性不强，如图中曲线．段，积分累积作用较大，函数，K为驱动电路放大系数，G(s)为涡轮电正确的控制策略是使控制量增加一正值以减小超动机传递函数，D(S)为数字控制器，H(s)为调，实际的积分作用却是继续增加了负值控制量；参数检测反馈电路的传递函数，(s)为驱动上在曲线段，正确的控制策略是使控制量增加一负盘阀旋转的扭矩和钻柱旋转带来的机械摩擦阻力矩值以

7、减小超调，实际的积分作用却是继续增加了正之和，M(S)为涡轮电动机产生的电磁力矩，则值控制量，致使系统超调不能迅速降低，延长了系整个系统的闭环传递函数为：统过渡时间；在曲线段，继续增加积分作用会造成系统再次出现超调。==．(1)1．2离散PID控制常规模拟PID控制的表达式为：u(f)=Ker础+Kde(2)式中、K和——比例、积分和微分增益；e——偏差。为便于计算机实现，按照常规PID控制对控制图2典型控制系统的误差变化曲线器进行离散化，其表达式为：间接专家智能控制基于以往调试经验所构成的专家知识库，根据偏差量和偏差变化率

8、，以及二者u()=Kpe(k)+K∑e()+乘积判断系统所处调整阶段，在不同阶段给定不同(3)的、K，和，以期获得最佳控制效果。依据旋转导向钻井工具特点、．模拟调试经验及式中采样周期；系统控制需求，规定、K和的变化步长分别——采样序号；为△。、△和△，并且满足如下不等式：e(k)——当前采