石油鉆井機自動送鉆系統(tǒng)控制的影響因素和優(yōu)化對策

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因為模糊控制欲常規(guī)PID 控制方式的適應(yīng)能力較強，所以本文基于此設(shè)計了一種將常規(guī)PID控制器與自調(diào)整模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制器，然后通過在線自調(diào)整控制參數(shù)，能夠使系統(tǒng)具有更好的自適應(yīng)控制，具有良好的動靜態(tài)特性。

1 鉆井機自動送鉆系統(tǒng)控制模型

鉆機的主要運動部分主要是由水平旋轉(zhuǎn)、縱向運動兩個部分所組合而成。其中，水平旋轉(zhuǎn)運動主要是由動力機組來帶動鉆桿上的轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)，從而可以帶動境地的鉆頭進行旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中會將巖石打碎，從而保證鉆頭可以持續(xù)向下推進。而縱向運動這一部分則是由絞車帶動，并且通過游車能夠?qū)⒄麄€鉆具帶動起來，所以縱向運動主要是負責(zé)氣盛鉆具和鉆具的下降。

在鉆井機進行自動送鉆的過程中，其控制鉆速的對象是送鉆絞車，而其主要是通過交流變頻器來控制送鉆電機的轉(zhuǎn)速，因為交流電機模型具有眾多特點，例如，強耦合、高階非線性以及多變量等，因此，為了能夠提高電機的動靜態(tài)特性，本文通過矢量控制的方式來控制鉆速。

2 雙閉環(huán)自動送鉆的工作原理

2.1 交流變頻自動送鉆的原理

在交流變頻的自動送鉆系統(tǒng)中，可以將其分為主電機送鉆系統(tǒng)和輔助小電機自動送鉆系統(tǒng)。其中，小電機自動送鉆系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速的特點，能夠及時的應(yīng)對各種突發(fā)狀況，所以在當(dāng)前已經(jīng)成為了交流變頻自動送鉆系統(tǒng)的研究方向[1]。其工作原理為：死繩傳感器可以實時接收鉆壓信息，而在接收到信息之后將會把鉆壓信息與設(shè)定鉆壓之間進行對比，然后將其中存在的偏差值向著模糊控制器傳遞，并在模糊控制器中實施處理，然后會將處理結(jié)果傳遞到交流變頻器，而通過變頻器中的變頻調(diào)速單元可以控制絞車的送鉆電機轉(zhuǎn)速，最終對送鉆鉆壓實現(xiàn)實時控制。

2.2 雙閉環(huán)自動送鉆系統(tǒng)的工作原理

自動送鉆系統(tǒng)需要控制的對象主要有鉆速、鉆壓，但是因為這幾項控制內(nèi)容存在著眾多的影響因素，所以在進行控制的過程中，參數(shù)會發(fā)生隨機改變，從而導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型難以建立。所以，結(jié)合交流變頻自動原理，建立雙閉環(huán)自動送鉆系統(tǒng)。其中，內(nèi)環(huán)是鉆速控制環(huán)，在提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度的同時，還可以使非線性得到良好的改善。而外環(huán)是通過鉆壓環(huán)，然后采用復(fù)合控制器實現(xiàn)控制的目的。

3 參數(shù)自調(diào)整模糊控制控制器

3.1 參數(shù)整定原理

雖然參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的動態(tài)特性相對較好，但其穩(wěn)定性較差。PID 控制器則剛好與參數(shù)自調(diào)整模糊控制器相反，因此通過將其進行結(jié)合，組成參數(shù)自調(diào)整模糊PID復(fù)合控制器，從而使控制系統(tǒng)既具有穩(wěn)態(tài)特性，同時還具有動態(tài)特性。[2]。

參數(shù)自調(diào)整模糊控制器主要是通過模糊數(shù)學(xué)中的知識，對已知參數(shù)和條件進行模糊化處理，然后將信息儲存到計算機庫內(nèi)，并在計算機中對于信息開展處理，并在模糊推理機中對其實施模糊處理，之后就可以獲取最優(yōu)PID參數(shù)。

3.2 設(shè)計模糊控制規(guī)則

在對模糊控制器進行設(shè)計的時候，其設(shè)計的內(nèi)容在于制定模糊規(guī)則。在模糊控制器內(nèi)，模糊控制規(guī)則能夠?qū)⑤斎牒洼敵鲋g建立聯(lián)系，而對于模糊推理原則在制定的時候，主要是通過誤差和誤差的變化率大小作為依據(jù)。誤差較大的情況下，選擇控制量的大小其目的是為了消除誤差；在誤差較小的情況下，其選擇重點在于避免發(fā)生超調(diào)，并以系統(tǒng)穩(wěn)定性來作為控制目的。本文通過比較模糊判決方法，選擇中心法[3]。通過分析參數(shù)對于控制系統(tǒng)輸出的影響，可以得到參數(shù)自整定規(guī)則：

（1）當(dāng)e 相對較大的情況下，在此時控制會以加快響應(yīng)速度、減小穩(wěn)態(tài)誤差為主要目的，因此這時要選擇相對較小的Kd值、較大的Kp值。另外，為了能夠避免因為積分飽和而出現(xiàn)超調(diào)量過大問題，所以需要選擇相對較小的Ki。

（2）當(dāng)e的大小處于中等時，進行控制的主要目的是為了減小超調(diào)量。因此，需要選擇較小的Ki值。而要想保障其具有相應(yīng)的快速性，那么Kp、Kd就必須要適中。

（3）當(dāng)e的大小處于較小情況下時，為了能夠保證系統(tǒng)最大程度上的穩(wěn)定性，就需要加大Kp、Ki，而要想避免設(shè)定值周圍出現(xiàn)振蕩的情況，就需要加大系統(tǒng)自身的抗干擾性，Kd在此時將會有ec來決定。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink 工具箱進行仿真分析，在實際開展鉆井工作中，需要嚴格控制鉆壓的誤差分范圍，也就是誤差的基本論域。同時，盡可能的避免負誤差的出現(xiàn)，因為負誤差會加快鉆頭的磨損速度，從而降低鉆頭的使用效率。除此之外，將誤差變化率的取值范圍控制在[-2,2]，因為鉆壓的隨機性相對較大，并且同時還會受到許多因素的影響，所以，石油井底的參數(shù)變化將會極其容易出現(xiàn)鉆壓誤差。因此，在對于仿真參數(shù)進行設(shè)置的過程中，需要與鉆井人員的工作經(jīng)驗形結(jié)合，將鉆壓設(shè)定值設(shè)為20t，所以在仿真過程中，需要設(shè)置為20t 來作為階躍信號幅值。

如下圖一所示為采取不同PID參數(shù)控制之后的曲線圖，從下圖中能夠看出，在采用曲線1控制的過程中，此時的鉆壓出現(xiàn)了明顯的振蕩、超調(diào)，并且需要較長的時間進行調(diào)整；而基于曲線2得到的參數(shù)，鉆壓的變化相對較為穩(wěn)定，并且未發(fā)生超調(diào)。所以，利用常規(guī)PID 實施控制的過程中，選擇的參數(shù)將會直接影響到控制系統(tǒng)，并且在調(diào)節(jié)參數(shù)的時候，只能進行手動調(diào)節(jié)，這會對參數(shù)調(diào)節(jié)的效率造成嚴重影響。

圖一 常規(guī)PID控制仿真曲線

在相同條件下，負荷控制與常規(guī)PID控制的對比曲線。常規(guī)PID 控制其鉆壓出現(xiàn)了十分明顯的振蕩，超調(diào)量大約為9.3%，其誤差最大為1.85t，其調(diào)整時間則大概處于6.5s以內(nèi)；該鉆壓幾乎未出現(xiàn)超調(diào)、振蕩的問題，而超調(diào)量則大約是1.8%，誤差是0.36t，在達到穩(wěn)態(tài)所需要的調(diào)整時間是2.3s。通過對比上述的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，負荷控制器具有更好的控制效果，所以，在石油鉆井機的自動送鉆控制系統(tǒng)中采用復(fù)合控制器，可以獲得更好的控制效果。

5 結(jié)語

綜上所述，石油鉆機自動送鉆控制系統(tǒng)主要是基于石油的鉆井工藝、石油的鉆井安全要求所設(shè)計的一種常規(guī)PID和參數(shù)自調(diào)整模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制器。不需要依靠人工來對自動送鉆系統(tǒng)開展調(diào)節(jié)工作，并根據(jù)鉆井工藝的要求，系統(tǒng)可以對鉆壓、轉(zhuǎn)速等實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。通過對于復(fù)合控制器進行仿真分析，自動送鉆控制系統(tǒng)不僅可以有效的降低工作人員的勞動強度，還可以降低鉆井的成本費用。