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。