基于RBF網(wǎng)絡滑模變結構控制的導向鉆井穩(wěn)定平臺研究

作者/邱龍、孫柯，西安石油大學電子工程學院

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基于RBF網(wǎng)絡滑模變結構控制的導向鉆井穩(wěn)定平臺研究

作者/邱龍、孫柯，西安石油大學電子工程學院

文章摘要：針對摩擦問題對旋轉導向鉆井穩(wěn)定平臺存在影響,提出一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡滑模變結構控制方法。采用神經(jīng)網(wǎng)絡和滑模變結構相結合，能夠提高穩(wěn)定平臺控制的精確性和抗干擾能力。實驗結果表明，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡滑模變結構控制方法能夠有效的跟蹤預設工具面角角位置，有較強的魯棒性。

關鍵詞：旋轉導向鉆井穩(wěn)定平臺；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡；滑模變結構

引言

對穩(wěn)定平臺控制是旋轉導向鉆井系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。在鉆井過程中，鉆井工具受井下復雜多變的工作環(huán)境影響，導致干擾穩(wěn)定平臺系統(tǒng)控制精度的參量較多。并且穩(wěn)定平臺跟隨鉆柱一直處于旋轉狀態(tài)，具有旋轉摩擦的非常規(guī)運動特性，因此穩(wěn)定平臺受較多摩擦扭矩變化的影響較大。考慮上述因素，研究可靠的控制策略是十分必要和關鍵的。

本文提出滑模變結構控制器與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡相結合來對旋轉導線鉆井穩(wěn)定平臺進行控制。主要是利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡具有高度非線性的連續(xù)時間動力系統(tǒng)這一特點，并且具有很強的自學習功能和對非線性系統(tǒng)的強大映射能力。最后結合滑?？刂铺岣呦到y(tǒng)魯棒性和抗干擾能力。

1.穩(wěn)定平臺模型

根據(jù)穩(wěn)定平臺在井下的工作方式，穩(wěn)定平臺可以被看作發(fā)電機式的單軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)。旋轉導向鉆井穩(wěn)定平臺由兩個渦輪電機，即上渦輪電機和下渦輪電機，電子控制倉及控制軸組成。

穩(wěn)定平臺廣義被控對象數(shù)學模型可寫為

其中ku為PWM脈寬調制系數(shù)，kE為電樞電流與電磁力矩之間的比例常數(shù)，kw為陀螺傳感器轉換系數(shù)，F(xiàn)f為摩擦力矩，F(xiàn)n為其他干擾力矩。

2.控制器設計

■2.1變結構控制器設計

■2.2RBF神經(jīng)網(wǎng)絡自適應滑?？刂破髟O計

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡是一種具有單隱層的高效的三層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡，具有最佳逼近性能和全局最優(yōu)特性，且網(wǎng)絡結構簡單，訓練速度快。

x為RBF網(wǎng)絡輸入，ci表示RBF網(wǎng)絡第i個神經(jīng)元的中心位置，bi為第i個神經(jīng)元的寬度，wT為RBF網(wǎng)絡權值。

其中，hi(x)為RBF網(wǎng)絡輸出

■2.3穩(wěn)定性分析

圖1　工具面角跟蹤曲線

3.仿真結果與分析

根據(jù)實驗測得的穩(wěn)定平臺控制對象數(shù)據(jù)及對穩(wěn)定平臺的參數(shù)辨識，使用Matlab/Simulink仿真工具，使用上述RBF神經(jīng)網(wǎng)滑模變結構控制方法對旋轉導向鉆井穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)進行仿真。

通過大量仿真實驗，得到下面的仿真結果。

從圖中可以看出，工具面角跟蹤效果快速、準確，能夠很好地達到控制要求。

4 結論

針對穩(wěn)定平臺在井下工作特點，提出一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡滑模變結構控制方法。該方法利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡逼近穩(wěn)定平臺數(shù)學模型，通過滑模變結構方法來增強系統(tǒng)魯棒性，并能夠保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結構表明，該方法能夠抑制摩擦力矩對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，消除滑模變結構控制產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象。使被控系統(tǒng)具有良好的魯棒性和較高的穩(wěn)定平臺姿態(tài)控制精度，控制性能得到了極大的改善。

【參考文獻】

＊[1]汪躍龍，王海皎，康思民等.導向鉆井穩(wěn)定控制平臺的反饋線性化控制[J].石油學報，2014，35(5):952—957

＊[2]霍愛清，賀昱曜，汪躍龍等.旋轉導向鉆井工具穩(wěn)定平臺模糊滑模控制研究[J].計算機仿真，2010，27(10)：152—155.