旋转导向钻井稳定平台前馈模糊算法研究

　　1 引言

　　被誉为“钻井导弹与制导技术”的旋转导向钻井是一项涉及多学科的高新科技尖端技术。它具有机械钻速和井身轨迹控制精度高、位移延伸能力强等特点，且可以有效地克服滑动导向工具给系统带来的摩擦阻力过大和井眼清清等问题，其中稳定平台的控制是旋转导向钻井系统的关键。虽然传统的PID控制对固定输入已有很好的控制效果，但钻井过程中的钻井液脉冲压力不可能保持固定值，由此会带来过程对象模型的某些不确定性。因此，设计中充分考虑到系统的鲁棒性和自适应性需在控制中加入智能控制以保证系统的性能指标。根据工程上对稳定平台的要求，这里提出了采用前馈模糊控制算法控制稳定平台系统的设计方案，试验结果表明该控制方法抗干扰能力强、鲁棒性好。

　　2 稳定平台前馈模糊控制系统原理

　　旋转导向钻井工具的稳定平台是整个导向工具中的关键。稳定平台可以不受钻杆旋转的影响而相对稳定于一个给定角度，从而使旋转导向系统能够在钻柱、工具和导向块旋转时，钻井工具稳定跟踪预置的钻井轨迹，实现斜井和水平井的钻采目。旋转导向钻井稳定平台前馈控制的原理图如图l所示。

　　图1中，G1(s)为模糊控制器;G2(s)为PID控制;G3(s)为下发电机的传递甬数;Gd(s)和Gf(s)为系统引入的前馈环节，其中：Gd(s)为前馈调节器函数，Gf(s)为干扰通道的传递函数;H1(s)为位置反馈通道传递函数;H2(s)为速度反馈通道传递函数。这样既能保证平台随动的精度，又能使稳定平台有较强的自适应性。

　　3 模糊控制器的设计

　　3.1 模糊控制器的基本结构

　　由于钻井工程中存在大量井下参数以及其严重的复杂性和不确定性，欲提高旋转导向钻井稳定平台系统的控制功能，需引入模糊控制器。根据旋转导向钻井稳定平台控制系统对精度和实时性要求，该设计采用双输入单输出的二维模糊控制器。模糊控制器的结构原理如图2所示。该控制器是一个两输入、单输出的模糊控制器，其中E和Ec为模糊控制器输入，u为模糊控制器输出，通过模糊控制规则控制u，以满足不同时刻E和Ec的要求。

　　3.2 模糊控制器控制规则

　　取偏差角α为偏差E，转速ω为偏差变化Ec，取扭矩发生器驱动电压信号为输出u。根据不同的α及ω系统控制u。在导向钻井工具运行时，系统的转速ω和偏差角α输入数据分别为测量系统的角速度和角位置信号。偏差角的值为操作命令指定所给定的角位置和姿态测量传感器的实际角位置之差。因此，模糊控制器控制规则如下：