微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

任 濤 ，馮 斌，孫 文，張春琳，唐道臨

1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.成都北方石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)有限公司，四川 成都 610051；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司物資裝備部，陜西 延安716000

引言

微球聚焦測(cè)井儀是石油測(cè)井領(lǐng)域內(nèi)一種十分重要的測(cè)井設(shè)備[1]?，F(xiàn)有的部分測(cè)井設(shè)備存在工作效率低下、設(shè)備機(jī)械運(yùn)行可靠性低、穩(wěn)定性差、執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能準(zhǔn)確到位等缺陷，并且設(shè)備的運(yùn)營(yíng)故障及維修成本高昂等問(wèn)題，因此，需要對(duì)測(cè)井設(shè)備的設(shè)計(jì)提出新的設(shè)計(jì)要求[2]。本文在微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中引入多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)改善上述問(wèn)題。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大量學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，邢家樂(lè)等應(yīng)用Adams 運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，對(duì)新型VSP 儀器推靠機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真與優(yōu)化[3]；趙斌等[4-5]進(jìn)行了基于Matlab 推靠系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究；趙宏林等對(duì)過(guò)套管電阻率測(cè)井儀推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究[6]；沈迪成等進(jìn)行了推靠系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[7]。文獻(xiàn)[8-9]主要借助Matlab 與Adams仿真平臺(tái)，針對(duì)不同工況對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析，但是受限于時(shí)代背景，沒(méi)有建立準(zhǔn)確的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)于各種約束條件也未作全面考慮；或僅考慮局部變量的單目標(biāo)優(yōu)化，未進(jìn)行系統(tǒng)性分析，具有較大的局限性。

在眾多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)推靠系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)井作業(yè)過(guò)程中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到位但推靠力不足的問(wèn)題，以推靠系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性分析為基礎(chǔ)[10]，從微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)的完整性出發(fā)，提出基于推靠系統(tǒng)傳動(dòng)角優(yōu)化目標(biāo)以及以推靠極板質(zhì)心點(diǎn)速度[11-13]、加速度為優(yōu)化目標(biāo)[14-15]的多目標(biāo)優(yōu)化方法[16-17]，建立推靠系統(tǒng)多目標(biāo)數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。并應(yīng)用全新的改進(jìn)復(fù)合形-遺傳算法來(lái)求解該優(yōu)化模型，改進(jìn)的復(fù)合形算法是基于原有復(fù)合形算法框架的基礎(chǔ)上引入了遺傳算法在解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上的諸多優(yōu)勢(shì)[18]：增加了初始化種群的隨機(jī)性，擴(kuò)散了初始化的搜索區(qū)域，集群化搜索策略將局部最優(yōu)解擴(kuò)展為全局最優(yōu)解；群體間以及個(gè)體之間的信息交換、變異等交叉策略；豐富了搜索對(duì)象，進(jìn)而加速尋優(yōu)過(guò)程，更高效地找出全局最優(yōu)解[19]。

1 微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

圖1 為微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。原設(shè)計(jì)中的柱銷滑槽副，這里用滑塊-滑槽代替。通過(guò)文獻(xiàn)[8]測(cè)井儀推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性分析與研究，得出測(cè)井儀推靠極板運(yùn)動(dòng)方程[21-22]

圖1 微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)單臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Motion diagram of single arm mechanism of push system with microsphere focusing logging tool

1.1 推靠極板上約束圓柱銷B 質(zhì)心點(diǎn)位移方程

根據(jù)推靠系統(tǒng)單臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及運(yùn)動(dòng)學(xué)定理可得推靠極板上圓柱銷B質(zhì)心點(diǎn)的位移方程為

1.2 推靠極板上約束圓柱銷B 質(zhì)心點(diǎn)速度方程

通過(guò)對(duì)式（1）兩端求導(dǎo)可得推靠極板上約束圓柱銷B質(zhì)心點(diǎn)的速度方程為

1.3 推靠極板上約束圓柱銷B 質(zhì)心點(diǎn)加速度方程

通過(guò)對(duì)式（2）兩端求導(dǎo)可得推靠極板上約束圓柱銷B質(zhì)心點(diǎn)的加速度方程為

1.4 微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)工作行程傳動(dòng)角

推靠系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在井下的工作行程并不是整周期運(yùn)動(dòng)，而是在一個(gè)工作行程中，推靠臂張開(kāi)帶動(dòng)推靠極板運(yùn)動(dòng)，使得安置于推靠極板上的微球極板貼合井臂。因此，在推靠系統(tǒng)的工作行程中的傳動(dòng)角區(qū)別于傳統(tǒng)的整周期傳動(dòng)角分析，不存在理論上的極限位置角。為改善推靠系統(tǒng)的傳動(dòng)性能，保證推靠極板的推靠力，即保證推靠極板與井壁的貼合程度，為微球極板的數(shù)據(jù)采集提供保障。

因此，對(duì)推靠系統(tǒng)在工作行程的傳動(dòng)角進(jìn)行分析[11-12]。根據(jù)圖1 微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)單臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖以及上述角度關(guān)系，可得傳動(dòng)角

2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

2.1 設(shè)計(jì)變量

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，以機(jī)構(gòu)尺寸的各桿長(zhǎng)度、推靠?jī)?nèi)壁的固定鉸接點(diǎn)位置坐標(biāo)、推靠上臂的固定鉸接點(diǎn)距推靠?jī)?nèi)臂固定鉸接點(diǎn)的豎直距離、推靠?jī)?nèi)臂的結(jié)構(gòu)彎折角、滑塊E的起始位置坐標(biāo)以及兩個(gè)滑塊在推靠極板以及推靠主體上的行程空間等為設(shè)計(jì)變量，即

2.2 目標(biāo)函數(shù)及其處理過(guò)程

綜合該測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，工程人員期望該推靠系統(tǒng)具有良好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，要求推靠極板的速度波動(dòng)平穩(wěn)，加速度跳動(dòng)量較小，并且具備良好的傳力性能，以方便微球極板貼靠井壁測(cè)量數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)推靠系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析，獲取實(shí)際工況條件下的期望速度、期望加速度以及期望傳動(dòng)角作為目標(biāo)函數(shù)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)工程需求，提出如下目標(biāo)函數(shù)。

（1）目標(biāo)函數(shù)f1(X)：推靠極板鉸接處滑塊在行程內(nèi)的滑移速度圍繞期望速度平穩(wěn)波動(dòng)。

（2）目標(biāo)函數(shù)f2(X)：推靠極板鉸接處滑塊在行程內(nèi)的滑移加速度波動(dòng)最小，希望滑塊在工藝階段加速度波動(dòng)平穩(wěn)。

式中：

（3）目標(biāo)函數(shù)f3(X)：工作行程內(nèi)的最小傳動(dòng)角大于等于期望傳動(dòng)角；從而保證傳動(dòng)角在理想范圍內(nèi)，具有理想的傳動(dòng)能力。

式中：γ0測(cè)井推靠系統(tǒng)的期望傳動(dòng)角，一般取γ0=40°；

γj(X)測(cè)井推靠系統(tǒng)的實(shí)際傳動(dòng)角，（°）。

由于各目標(biāo)函數(shù)的單位是各自不同的，為分析方便，建立統(tǒng)一的分析機(jī)制，因此，首先要對(duì)各目標(biāo)函數(shù)作歸一化處理[23]。

總目標(biāo)函數(shù)采用多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化方法中的統(tǒng)一目標(biāo)法對(duì)分目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行直接加權(quán)，在進(jìn)行直接加權(quán)時(shí)，分目標(biāo)函數(shù)的變化范圍為[9]

式中：αi，βi目標(biāo)函數(shù)變化值的上下限。

指標(biāo)的容限

指標(biāo)的加權(quán)因子

設(shè)計(jì)變量的加權(quán)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)變量的加權(quán)參數(shù)Tab.1 Weighted parameters of design variables

根據(jù)已知目標(biāo)函數(shù)的變動(dòng)范圍以及目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化重要程度，計(jì)算（或估計(jì)）出加權(quán)因子，現(xiàn)建立總目標(biāo)函數(shù)如下

2.3 推靠系統(tǒng)工程化約束條件

由于測(cè)井儀推靠系統(tǒng)井下工況的特殊性，對(duì)其進(jìn)行工程優(yōu)化需要綜合考慮機(jī)構(gòu)成立約束條件，機(jī)構(gòu)高度，運(yùn)動(dòng)約束等性能指標(biāo)。現(xiàn)建立推靠系統(tǒng)工程優(yōu)化約束條件如下[17，20]。

（1）為保證機(jī)構(gòu)能夠正確運(yùn)行，根據(jù)Grashof 準(zhǔn)則，可得Grashof 雙曲柄機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)約束條件為

（2）滑塊行程H應(yīng)滿足設(shè)計(jì)公差要求，建立不等式約束條件為

式中：

Hmin允許的滑塊行程最小值，一般取Hmin為滑塊理論設(shè)計(jì)行程；

Hmax允許的滑塊行程最大值，一般取Hmax=1.5Hmin。

（3）為保證推靠?jī)?nèi)臂BCD的可制造性和裝配性，需對(duì)其夾角β 進(jìn)行約束

2.4 優(yōu)化算法

復(fù)合形-遺傳算法是一種集合復(fù)合形算法以及遺傳算法各自優(yōu)點(diǎn)的新搜索算法[18-19]。它是針對(duì)復(fù)合形算法在處理設(shè)計(jì)變量較多或者目標(biāo)函數(shù)較為復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，出現(xiàn)的易于局部收斂而無(wú)法全局檢索，即無(wú)法保證最終的優(yōu)化結(jié)果是全局收斂的最優(yōu)解而提出的改進(jìn)算法，改進(jìn)的復(fù)合形算法是基于原有復(fù)合形算法框架的基礎(chǔ)上引入了遺傳算法在解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上的兩大優(yōu)勢(shì)：群體搜索策略和群體間個(gè)體之間的信息交換；使得改進(jìn)的復(fù)合形算法在求解多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上更加高效。具體改進(jìn)如下。

（1）利用遺傳算法的隨機(jī)性，在隨機(jī)生成可行點(diǎn)時(shí)增加初始可行點(diǎn)的隨機(jī)性。

（2）在求最壞點(diǎn)的映射點(diǎn)時(shí)，采用向最好點(diǎn)映射的方法，充分利用優(yōu)點(diǎn)信息。

式中：

x(R)——映射點(diǎn)；

x(L),x(H)——復(fù)合形各頂點(diǎn)中的最好點(diǎn)，最壞點(diǎn)；

κ—映射系數(shù)，一般初始κ＞1，同時(shí)具有自適應(yīng)性。

（3）借用遺傳算法的思想，對(duì)每次進(jìn)行新的復(fù)合形頂點(diǎn)形成過(guò)程進(jìn)行一次變異，即對(duì)形成復(fù)合形的各頂點(diǎn)進(jìn)行可行化變異

式中：x(B)變異點(diǎn)；

x(S)除去最壞點(diǎn)之后各頂點(diǎn)的幾何中心點(diǎn)；

λ—具有自適應(yīng)性的變異系數(shù)；

x(K)復(fù)合形的各頂點(diǎn)，變異后的各可行變異點(diǎn)構(gòu)成新的復(fù)合形。

改進(jìn)后新的復(fù)合形算法在尋優(yōu)過(guò)程中，相較于標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合形而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）改善了最優(yōu)解空間的局限性，擴(kuò)大了復(fù)合形頂點(diǎn)在可行解空間中的范圍，從而增大了搜索最優(yōu)解的范圍，避免了出現(xiàn)局部最優(yōu)解；（2）在最壞點(diǎn)映射時(shí)，用最好點(diǎn)代替中心點(diǎn)，讓最壞點(diǎn)向最好點(diǎn)映射，加快了優(yōu)化計(jì)算的收斂速度。

圖2 為應(yīng)用改進(jìn)復(fù)合形算法的微球測(cè)井儀推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 改進(jìn)復(fù)合形推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化算法流程圖Fig.2 Flowchart of optimization algorithm for improved composite push system

3 優(yōu)化結(jié)果與討論

3.1 算法參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化結(jié)果

以正在研發(fā)的微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，考慮實(shí)際工況，根據(jù)推靠系統(tǒng)工作機(jī)構(gòu)的工藝要求以及推靠系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型[20]，對(duì)推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及傳動(dòng)壓力角進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化[14-15]。

現(xiàn)設(shè)定設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)N=14，根據(jù)現(xiàn)有的推靠系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)變量初始值選擇如下：xxx0=(280,294,315,76,375,88,80,65,170π/180,313,37,80,?37,233)T；并設(shè)置設(shè)計(jì)變量X的上下限XU，XL取值如下：XL=(260,285,310,50,370,80,75,60,120π/180,300,30,60,?40,220)T；XU=(290,320,330,80,410,90,95,75,170π/180,320,42,85,?30,240)T；另外，已知該推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)井推靠系統(tǒng)的期望傳動(dòng)角γ0=40°；推靠上臂的初始角速度ω0=3°/s；目標(biāo)井徑參數(shù)DO=25.4 mm×8.5 mm；圓柱銷B距離鉸接點(diǎn)A處的初始距離s1?0=190 mm；滑塊E距離鉸接點(diǎn)D處的初始距離s2?0=153 mm。

通過(guò)復(fù)合形-遺傳算法對(duì)微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.2 Optimal design results of the main drive mechanism of the push system of the microsphere focusing logging tool

3.2 比較分析

從表2 中可以看出，為驗(yàn)證文中所建立的基于測(cè)井儀推靠極板質(zhì)心點(diǎn)的速度、加速度以及測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作行程內(nèi)的傳動(dòng)角為優(yōu)化目標(biāo)的微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型的正確性，將優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程分為了兩大類分屬4 種結(jié)果，前3 種情況分別以各自目標(biāo)函數(shù)f1(X)、f2(X)及f3(X)為單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。即單獨(dú)以測(cè)井儀推靠極板質(zhì)心點(diǎn)的速度、加速度以及測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作行程內(nèi)的傳動(dòng)角為獨(dú)立目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，第4 種情況為綜合考慮所有目標(biāo)函數(shù)經(jīng)加權(quán)處理后，以總目標(biāo)函數(shù)F(X)為最優(yōu)解函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。4 種情況經(jīng)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各目標(biāo)函數(shù)都接近于零卻又無(wú)法達(dá)到零。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，這與所取的推靠系統(tǒng)的各期望參數(shù)有關(guān)，除此之外，還與所取的離散點(diǎn)數(shù)有關(guān)，為提高運(yùn)算效率，選取了200 組樣點(diǎn)數(shù)。綜合分析，其計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3、圖4 和圖5 分別為4 種優(yōu)化后推靠極板質(zhì)心點(diǎn)速度、加速度以及推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)角曲線與原設(shè)計(jì)條件下的曲線結(jié)果的比較。

從圖3 中可以直觀地看出，單獨(dú)以f1(X)為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，可以獲得最為穩(wěn)定的速度波動(dòng)，但是速度曲線的峰值較低，在測(cè)井儀器工作過(guò)程中需要推靠系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，平穩(wěn)的貼靠過(guò)程。該優(yōu)化結(jié)果不足以滿足測(cè)井儀器的工作需求。觀察圖3中的優(yōu)化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)以f2(X)為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果同樣如此，整體速度波動(dòng)平穩(wěn)，但是速度峰值較低。以f3(X) 作為單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果在維持原有速度軌跡的基礎(chǔ)之上，降低了速度峰值，改善了速度波動(dòng)沖擊，并使速度峰值維穩(wěn)在一個(gè)小區(qū)間內(nèi)。以綜合目標(biāo)函數(shù)F(X)進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，在推靠系統(tǒng)啟動(dòng)與結(jié)束時(shí)間段速度波動(dòng)平穩(wěn)，而在穩(wěn)定工作段速度穩(wěn)步上升，但是從整體來(lái)看，速度較低不利于實(shí)現(xiàn)推靠系統(tǒng)的快速?gòu)堥_(kāi)過(guò)程。通過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)獨(dú)立以傳動(dòng)角均方根函數(shù)f3(X)作為單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果能夠較好地滿足推靠系統(tǒng)快速響應(yīng)，盡快貼靠井壁的工作需求。

圖3 推靠極板質(zhì)心點(diǎn)速度曲線優(yōu)化前后比較Fig.3 Comparison before and after optimization of velocity curve of centroid point of polar plate

圖4 推靠極板質(zhì)心點(diǎn)加速度曲線優(yōu)化前后比較Fig.4 Comparison of acceleration curves before and after optimization of pushing center plates

從圖4 可以看出，分析結(jié)果基本與圖3 相似。單獨(dú)以f1(X)、f2(X)為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，推靠極板的質(zhì)心加速度最為穩(wěn)定，但是加速度曲線的峰值過(guò)低，在測(cè)井儀器工作過(guò)程中需要推靠系統(tǒng)快速響應(yīng)，盡快地貼靠井壁，而以此目標(biāo)函數(shù)條件下的優(yōu)化結(jié)果難以滿足工作需求。以f3(X)作為單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，同圖3 結(jié)果類似，優(yōu)化后的加速度曲線改善了初始加速度的沖擊，降低了加速度峰值，減小了加速度的峰值波動(dòng)，并保持有恰當(dāng)?shù)募铀俣?，維持優(yōu)化前的加速度軌跡形態(tài)，可以較好地滿足油田測(cè)井的實(shí)際作業(yè)要求。以綜合目標(biāo)函數(shù)F(X)進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，在推靠系統(tǒng)啟動(dòng)與結(jié)束時(shí)間段加速度接近于零，在穩(wěn)定工作段加速度峰值有所提升，單純從加速度沖擊來(lái)說(shuō)，該優(yōu)化結(jié)果得到了較大的改善，但從滿足測(cè)井推靠系統(tǒng)快速響應(yīng)，盡快貼靠井壁的工作需求來(lái)說(shuō)，不能滿足實(shí)際的作業(yè)要求。

圖5 推靠系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程中主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角曲線優(yōu)化前后比較Fig.5 Comparison of transmission angle curve of main drive mechanism before and after optimization in driving process of pushback system

從圖5 可以看出，單獨(dú)以f1(X)為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)函數(shù)f1(X)是以推靠極板質(zhì)心點(diǎn)速度為目標(biāo)函數(shù)，因此，以其作為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角基本沒(méi)有影響，因推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)角依然維持原樣。而以加速度f(wàn)2(X)為單獨(dú)優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，由于極板加速度與主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角的關(guān)系，使得主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角軌跡與原設(shè)計(jì)呈相反趨勢(shì)變化。

單獨(dú)以f3(X)作為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，由于f3(X)本身就是以傳動(dòng)角作為目標(biāo)，因此，優(yōu)化后的結(jié)果使得整個(gè)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程的傳動(dòng)角整體增大，維持原有的變化趨勢(shì)。將f3(X)的優(yōu)化結(jié)果折算可知，單獨(dú)以傳動(dòng)角為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，極板推靠力可達(dá)238.6 N，相較于原本的211.9 N，極板推靠力提升了12.6%，滿足油田的實(shí)際作業(yè)要求。

而以綜合目標(biāo)函數(shù)F(X)進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，可以看出，在推靠系統(tǒng)貼靠井壁的過(guò)程中，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角以對(duì)稱方式體現(xiàn)，在啟動(dòng)和貼靠過(guò)程具有較大的傳動(dòng)角，中間過(guò)程中傳動(dòng)角略有下降，但考慮到在極板貼靠井壁后的傳動(dòng)角低于以目標(biāo)函數(shù)f3(X)的優(yōu)化結(jié)果。即綜合多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，在極板推靠力上，無(wú)法達(dá)到既定的目標(biāo)要求，低于238.6 N，于優(yōu)化前的最終極板推靠力基本保持一致。

綜合對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，綜合目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性方面有較大改善，并且在推靠系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了較大的初始傳動(dòng)傳動(dòng)角。但是結(jié)合實(shí)際考慮，極板推靠力優(yōu)化結(jié)果無(wú)法滿足極板推靠力的預(yù)定要求。在油田實(shí)際測(cè)井工程應(yīng)用中，首先要保障極板推靠力達(dá)到預(yù)期，這樣才能保證測(cè)井作業(yè)數(shù)據(jù)的有效性與準(zhǔn)確性。

因此，綜合考慮各優(yōu)化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)以目標(biāo)函數(shù)f3(X)進(jìn)行優(yōu)化求解，能夠滿足實(shí)際測(cè)井的作業(yè)要求，保障極板推靠力接近240 N，并且其在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度，加速度峰值波動(dòng)方面有所改善，緩解了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的桿件沖擊，改善了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。綜上所述，以目標(biāo)函數(shù)f3(X)，進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果滿足系統(tǒng)的期望優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）提出了基于推靠極板速度、加速度以及推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作行程內(nèi)的傳動(dòng)角為優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計(jì)要求的推靠系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

（2）基于微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)，以及微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)的實(shí)際工程化設(shè)計(jì)約束條件，建立了以測(cè)井儀推靠極板質(zhì)心點(diǎn)的速度、加速度以及測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作行程內(nèi)的傳動(dòng)角為優(yōu)化目標(biāo)的微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

（3）根據(jù)該優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，應(yīng)用改進(jìn)的復(fù)合形算法，快速地計(jì)算出機(jī)構(gòu)參數(shù)合理并且滿足眾多目標(biāo)函數(shù)的理想推靠系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。為測(cè)井儀推靠系統(tǒng)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供多組備選方案。

（4）將優(yōu)化結(jié)果與原設(shè)計(jì)的微球聚焦測(cè)井儀推靠系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力性能分析比對(duì)，優(yōu)化后的推靠系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及推靠極板的傳力性能上有較大的改善，驗(yàn)證了其優(yōu)化方法的正確性與有效性。其研究方法和研究成果具有一定的參考意義。