[发明专利]动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法

摘要

一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法，根据其数学模型分别建立模拟加载装置的液压缸、磁粉制动器和比例溢流阀的传递函数；运用模糊推理方法使用模糊自适应PID控制器计算出输入和输出之间的关系，进行PID参数的最佳调整；然后应用Matlab软件中Simulink模块将所设计的控制方法与常规PID控制方法的仿真结果比较；结果显示，模糊自适应PID控制方法具有更快的响应时间、更好的抗干扰能力；研究结果表明：本发明的控制方法对于动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台的模拟加载系统是可行的，并且系统的响应速度得到提升，系统稳定性更好。

主权项

1.一种动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台加载控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：建立动态偏置指向式钻井工具试验台模拟加载系统的数学模型/n1.建立液压缸的数学模型/n液压缸在工程上认为是二阶环节和一节环节的组合，其传递函数为：/n /n式中：A-有杆腔面积，m²；δ_h-阻尼比；w_h-无阻尼固有频率，Hz，S为传递函数固定系数；/n2.建立磁粉制动器的数学模型/n在不考虑磁粉粘滞阻力和转动离心力产生的附加扭矩的情况下，磁粉制动器的数学模型为：/n /n式中：B-磁感应强度，T；D-定子外径，m；L₁-宽度，m；μ₀-气隙磁导率，H/m；μ_δ-磁粉磁导率，H/m；/n在制动器磁路中，由磁场欧姆定律得：/n /n式中：N-激励磁线圈匝数，匝；I-激励磁线圈电流，A；R_δ-间隙及磁粉总磁阻，1/H；R_i-铁磁阻，1/H；L-电感量，H；S_δ-空隙中磁粉与磁路相正交的面积，m²；/n将式(6)和式(7)进行拉氏变化并联立得：/n /n上式可看作为典型的一阶惯性系统，由于磁粉制动器在工作时存在延迟的情况，则磁粉制动器的传递函数为：/n /n3.建立电液比例压力阀的数学模型/n由于实验台液压控制系统的固有频率高，钻头所受到的轴向压力大小是由比例溢流阀所控制，比例溢流阀简化为一个典型的二阶振荡环节，其传递函数为：/n /n式中：ξ-系统阻尼比；w-阀体本身固有频率，Hz；/n比例溢流阀中电磁铁的推力可以随着输入电压的大小变化从而产生连续变化的液压力实现无级调节，可使试验台能够按照要求准确的对钻井工具进行轴向压力的加载。/n步骤二：模糊控制规则库和隶属函数的设计/n利用FISEditor创建Mamdani推理的模糊控制器，其结构为二输入(e，e_c)和三输出(ΔK_p，ΔK_i，ΔK_d)的模式，输入量(e，e_c)的论域值设为(-6，6)，相同于输出量(ΔK_p，ΔK_i，ΔK_d)的模糊论域(-6，6)，语言变量均为{NB,NM,NS,ZO,PB,PM,PS}；隶属函数则选择一般的三角形隶属度函数(trimf)，其中设第一条隶属曲线负大(ZB)模糊矢量用Z-型隶属度函数(zmf)，最后一条隶属曲线正大(PB)模糊矢量用S-型隶属度函数(smf)，输入量和输出量的隶属度函数相同。/n模糊控制规则的建立和选取是控制系统中最关键的部分，其设计原则如下表1；/n表1 ΔK_p，ΔK_i，ΔK_d的模糊控制规则表/n /n(1)K_p的作用是保证系统的响应速度，K_p越大，系统的响应速度越迅速，调节精度越精准，但是K_p不宜过大；此时系统误差|e|较大时，K_p选较大值，K_i选0，K_d选较小值。/n(2)K_i的作用是消除系统的稳态误差，K_i越大，系统的稳态误差消失的越快；K_i越小，误差消失的时间越慢，调节精度也会受到影响；此时|e|和|e_c|系统误差正常大小时，K_p选较小值，可保证系统的响应速度不受影响，避免产生较大的超调量，K_i和K_d取值应适中。/n(3)K_d的作用是改善系统的动态特性，控制偏差向任何方向的变化，可提前预报偏差的变化趋势，K_d过大时会使系统的调节时间延长，并且系统容易受到干扰；此时的|e|较小时，K_i和K_d取值应适中，可保证系统的控制精度，加强系统的抗干扰能力。/n步骤三：动态偏置指向式旋转导向钻井工具试验台模拟加载控制系统的仿真/n先利用Matlab软件中Simulink模块建立所设计的控制方法与常规PID控制方法的仿真结构框图，首先将步骤一中建立的数学模型传递函数串联输入到Simulink的函数模块中，然后将步骤二中建立的模糊控制规则输入到模糊控制器中，再将模糊推理系统fuzzpid.fis输出到Matlab工作空间中使其生效，将无PID调节、常规PID控制、模糊自适应PID控制三种不同情况下对旋转导向钻井工具试验台的模拟加载的控制系统用Simulink搭建出来，最后在Simulink中建立相关框图并将其并联在一起；/n再利用临界比例度法在线整定PID参数，所得的参数作为模糊自适应PID控制的初值；系统在工作时，根据模糊推理方法和相关规则进行在线自动校正，即可得模糊PID控制器的量化因子K_e，K_ec的具体值，以及比例因子K_p，K_i，K_d的具体值，最后运行所搭建的Simulink系统模型，其产生的曲线由示波器输出。/n