鉆機(jī)恒鉆壓自動(dòng)送鉆系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)＊

陳延偉，史富斌

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州450015；2.西安石油大學(xué)陜西省鉆機(jī)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065）

1 引言

鉆機(jī)系統(tǒng)中鉆頭與絞車(chē)之間是由游車(chē)和鉆柱系統(tǒng)組成的彈性系統(tǒng)。當(dāng)鉆柱向下鉆進(jìn)時(shí)，不僅有濕性摩擦，而且還存在著干性摩擦。早期的送鉆系統(tǒng)采用人工控制給進(jìn)鉆井，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難以實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性鉆壓穩(wěn)定精確的控制，同時(shí)這種送鉆方式工作強(qiáng)度大，鉆頭上的載荷控制不均勻且容易導(dǎo)致鉆壓波動(dòng)。隨著恒鉆壓自動(dòng)送鉆技術(shù)的發(fā)展，鉆進(jìn)速度、平穩(wěn)性及鉆井質(zhì)量得以提高。

目前恒鉆壓自動(dòng)送鉆系統(tǒng)主要采用的是PID控制技術(shù)［1-2］。但在鉆井過(guò)程中，鉆壓受地質(zhì)構(gòu)造、鉆井液性質(zhì)，井筒摩擦等因素影響，而且送鉆電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合和非線性的特點(diǎn)，建立系統(tǒng)的時(shí)滯、時(shí)變、非線性的送鉆數(shù)學(xué)模型非常困難。因此，即使閉環(huán)控制具有一定的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和快速性，但這種傳統(tǒng)的控制方法不能有效地克服負(fù)載參數(shù)大范圍變化和非線性的影響，難以實(shí)現(xiàn)較精確穩(wěn)定的控制效果。

本文研究了基于模糊控制的交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的恒鉆壓自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)，根據(jù)鉆壓變化的特征，設(shè)計(jì)了鉆壓模糊控制器，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。驗(yàn)證了鉆壓模糊控制結(jié)構(gòu)合理，適應(yīng)能力強(qiáng)，鉆速響應(yīng)穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的控制性能。

2 恒鉆壓自動(dòng)送鉆系統(tǒng)

恒鉆壓自動(dòng)送鉆是指鉆機(jī)在正常的鉆井過(guò)程中，按照鉆井工藝設(shè)計(jì)的要求，對(duì)井底鉆壓、滾筒轉(zhuǎn)速、剎車(chē)之間建立控制函數(shù)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制主滾筒的剎車(chē)，自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆壓，適時(shí)向井底送進(jìn)鉆頭，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆。

如圖1所示為自動(dòng)送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。鉆壓信號(hào)通過(guò)死繩作用于張力傳感器，經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A／D采樣轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)算得到實(shí)際的鉆壓信號(hào)，再進(jìn)入選擇單元進(jìn)行判斷，將正常范圍內(nèi)的鉆壓信號(hào)采樣值和給定鉆壓值進(jìn)行比較，通過(guò)模糊控制運(yùn)算后，其輸出控制量將產(chǎn)生的信號(hào)作為送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的給定輸入信號(hào)送入變頻調(diào)速單元，控制送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化通過(guò)變速箱和絞車(chē)滾筒等傳動(dòng)裝置控制大鉤的下放速度，實(shí)現(xiàn)恒鉆壓閉環(huán)控制。

圖1 自動(dòng)送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 自動(dòng)送鉆模糊控制系統(tǒng)

實(shí)際的鉆井經(jīng)驗(yàn)證明，鉆進(jìn)時(shí)不能孤立地考慮鉆壓、轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響，應(yīng)將兩者聯(lián)系起來(lái)。目前鉆井過(guò)程中對(duì)鉆井參數(shù)的要求大多是鉆壓恒定，轉(zhuǎn)速可調(diào)。鉆井技術(shù)人員根據(jù)鄰近井的資料或試井資料來(lái)確定理想的鉆壓值，當(dāng)鉆壓值的取值范圍固定后，在一口井的鉆進(jìn)過(guò)程中就不再變化，也就是保持恒鉆壓連續(xù)鉆井。

如圖2所示為自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)為三閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為鉆壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制［3］。

圖2 自動(dòng)送鉆系統(tǒng)控制框圖

內(nèi)環(huán)廣義的對(duì)象主要由變頻器、三相異步電機(jī)、測(cè)速編碼器等構(gòu)成。這部分不受地質(zhì)構(gòu)造、巖石性質(zhì)、井壁的阻力等外界環(huán)境因素的影響。在控制過(guò)程中，通過(guò)變頻器的轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)矢量控制，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。系統(tǒng)中測(cè)速編碼器構(gòu)成速度反饋環(huán)路，將電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)反饋到速度控制單元的輸入端。針對(duì)鉆壓控制環(huán)，由于鉆壓系統(tǒng)具有時(shí)滯、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的需要精確數(shù)學(xué)模型的控制算法難以實(shí)現(xiàn)，故采用模糊控制。

4 恒鉆壓模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器用于自動(dòng)送鉆系統(tǒng)中是將檢測(cè)的鉆壓值與給定鉆壓值進(jìn)行比較后，進(jìn)行相應(yīng)的模糊處理，然后將模糊處理結(jié)果送給變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)送鉆電機(jī)的控制，此時(shí)電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)，以控制鉆桿下放速度，從而達(dá)到恒鉆壓目的。其典型系統(tǒng)框圖如圖3所示。鉆壓模糊控制系統(tǒng)采用二維模糊控制器。

圖3 恒鉆壓模糊控制系統(tǒng)

4.1 輸入輸出變量

本文設(shè)計(jì)的鉆壓模糊控制系統(tǒng)中，輸入變量為鉆壓誤差E和鉆壓誤差的變化率EC，輸出為鉆具的下放速度U。鉆井工藝要求在鉆井過(guò)程中鉆壓保持恒定，鉆壓 P 的變化范圍是［-0.5，0.5］kN，即為鉆壓誤差E的基本論域。在實(shí)際控制時(shí)盡量不要出現(xiàn)負(fù)偏差，負(fù)偏差說(shuō)明實(shí)際鉆壓過(guò)大，會(huì)縮短鉆頭的使用壽命。誤差變化率EC的基本論域?yàn)椋?1，1］kN ／s；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地層均勻和水力參數(shù)保持恒定的情況下，鉆機(jī)鉆頭每秒鐘鉆進(jìn)約5-6mm時(shí)鉆頭的磨損量最小。鉆進(jìn)中的輸出量U從零開(kāi)始，可以取其變化范圍［0，6］mm ／s，即鉆頭每小時(shí)向地層中鉆進(jìn)的速率范圍為［0，21.6］m ／h。鉆速u(mài)的論域是非對(duì)稱(chēng)的，為了便于計(jì)算，將控制量u采用增量式［4］，即每次控制量的輸出是對(duì)實(shí)際量的增量，這樣對(duì)控制作用進(jìn)行變換，控制量的論域變成對(duì)稱(chēng)的，取論域?yàn)椋?6，6］。將誤差E和誤差變化率EC的模糊論域量化為13級(jí)，控制量的模糊論域量化為15級(jí)。量化的比例因子為：Ke＝E／e，Kec＝EC ／ec，Ku＝ U ／u。

（1）輸入變量鉆壓誤差e

基本論域：［-0.5，0.5］kN；

量化論域：

詞集：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝

表示鉆壓誤差：太低、偏低、稍低、正常、稍大、偏大、太大。

（2）鉆壓誤差的變化率ec

基本論域：［-1，1］kN ／s；

量化論域：

詞集：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝

表示鉆壓變化速率：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

（3）輸出量鉆具下放速度

基本論域：［-6，6］mm ／s

量化論域：

詞集：｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝

表示鉆速：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

4.2 模糊變量隸屬度的確定

在模糊函數(shù)實(shí)踐中表明，模糊控制過(guò)程對(duì)于語(yǔ)言變量值的隸屬度函數(shù)的范圍有一定的敏感度，而對(duì)其形狀并不敏感，因此控制中可選用有利于計(jì)算隸屬度的三角函數(shù)、梯形函數(shù)或簡(jiǎn)單高斯函數(shù)。在本文設(shè)計(jì)的控制器中，為了減少計(jì)算量，隸屬度函數(shù)全部采用三角函數(shù)的形式。輸入變量E、EC和輸出變量U隸屬度曲線分別為圖4、圖5和圖6所示。

圖4 變量E的隸屬函數(shù)

圖5 變量EC的隸屬函數(shù)

圖6 變量U的隸屬函數(shù)

4.3 建立模糊控制規(guī)則表

通過(guò)總結(jié)熟練司鉆的操作經(jīng)驗(yàn)，可以歸納出一類(lèi)根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差和誤差的變化趨勢(shì)來(lái)消除誤差的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

其模糊控制規(guī)則表首先考慮誤差為負(fù)的情況，當(dāng)誤差為負(fù)大時(shí)，說(shuō)明實(shí)際鉆壓大于給定鉆壓，若誤差變化為負(fù)，這時(shí)誤差有增大的趨勢(shì)，則使井底鉆壓繼續(xù)增大，為了消除已有的負(fù)大誤差并抑制誤差變大，要讓輸出鉆壓降低，使輸出為負(fù)大即可。當(dāng)誤差為負(fù)而誤差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減少誤差的趨勢(shì)，所以為了盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)選擇較小的控制量。

表1 模糊控制規(guī)則表

由表1可以看出，當(dāng)誤差為負(fù)大且誤差變化為正小時(shí)，控制量的變化取為正中。若誤差變化正大或正中時(shí)，控制量不宜增加，否則造成控制系統(tǒng)超調(diào)產(chǎn)生正誤差，此時(shí)的控制量變化為零。

上述選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選的控制量以達(dá)到盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量應(yīng)注意防止超調(diào)，要以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為首要考慮因素。誤差為正和誤差為負(fù)時(shí)原理類(lèi)似。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)中將送鉆電機(jī)矢量控制和模糊控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)鉆機(jī)的恒鉆壓自動(dòng)送鉆功能。利用Matlab的Fuzzy工具箱及Simulink仿真環(huán)境建立系統(tǒng)的仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

根據(jù)油田鉆進(jìn)的工作經(jīng)驗(yàn)，在鉆壓20t左右時(shí)，鉆進(jìn)速度和鉆壓的平方成正比，因此在模糊控制器的仿真過(guò)程中采用階躍信號(hào)作為控制器的輸入信號(hào)，取幅值為20。AC vector control子模塊是送鉆電機(jī)矢量模型控制封裝后生成的。仿真實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8 自動(dòng)送鉆模糊控制仿真曲線

圖8中的輸出響應(yīng)曲線橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示鉆壓。從圖8可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較快，系統(tǒng)超調(diào)量為6%，低于工程要求的10%；穩(wěn)態(tài)誤差非常小，低于工程要求的5%。同時(shí)通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的比例因子和量化因子大小，能進(jìn)一步減小系統(tǒng)的超調(diào)量。同常規(guī)PID控制和模糊PID控制相比較［5-6］，基于模糊控制的恒鉆壓自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，響應(yīng)速度更快且穩(wěn)定。

圖7 恒鉆壓自動(dòng)送鉆系統(tǒng)仿真圖

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的研究，結(jié)合送鉆電機(jī)的矢量控制，本文設(shè)計(jì)了鉆機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的恒鉆壓模糊控制器。仿真實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)恒鉆壓自動(dòng)送鉆過(guò)程，縮短了過(guò)渡時(shí)間，提高了系統(tǒng)控制穩(wěn)定性，當(dāng)參數(shù)變化較大并有干擾時(shí)，仍能取得較好的控制效果。此控制方法對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

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