作者/邱龍、孫柯，西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院

?

基于RBF網(wǎng)絡(luò)滑模變結(jié)構(gòu)控制的導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)研究

作者/邱龍、孫柯，西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院

文章摘要：針對(duì)摩擦問題對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)存在影響,提出一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和滑模變結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠提高穩(wěn)定平臺(tái)控制的精確性和抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模變結(jié)構(gòu)控制方法能夠有效的跟蹤預(yù)設(shè)工具面角角位置，有較強(qiáng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；滑模變結(jié)構(gòu)

引言

對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)控制是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在鉆井過程中，鉆井工具受井下復(fù)雜多變的工作環(huán)境影響，導(dǎo)致干擾穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)控制精度的參量較多。并且穩(wěn)定平臺(tái)跟隨鉆柱一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，具有旋轉(zhuǎn)摩擦的非常規(guī)運(yùn)動(dòng)特性，因此穩(wěn)定平臺(tái)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(guān)鍵的。

本文提出滑模變結(jié)構(gòu)控制器與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線鉆井穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行控制。主要是利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度非線性的連續(xù)時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng)這一特點(diǎn)，并且具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)功能和對(duì)非線性系統(tǒng)的強(qiáng)大映射能力。最后結(jié)合滑?？刂铺岣呦到y(tǒng)魯棒性和抗干擾能力。

1.穩(wěn)定平臺(tái)模型

根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)在井下的工作方式，穩(wěn)定平臺(tái)可以被看作發(fā)電機(jī)式的單軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)由兩個(gè)渦輪電機(jī)，即上渦輪電機(jī)和下渦輪電機(jī)，電子控制倉及控制軸組成。

穩(wěn)定平臺(tái)廣義被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型可寫為

其中ku為PWM脈寬調(diào)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)

■2.1變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

■2.2RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有單隱層的高效的三層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有最佳逼近性能和全局最優(yōu)特性，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，訓(xùn)練速度快。

x為RBF網(wǎng)絡(luò)輸入，ci表示RBF網(wǎng)絡(luò)第i個(gè)神經(jīng)元的中心位置，bi為第i個(gè)神經(jīng)元的寬度，wT為RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。

其中，hi(x)為RBF網(wǎng)絡(luò)輸出

■2.3穩(wěn)定性分析

圖1　工具面角跟蹤曲線

3.仿真結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的穩(wěn)定平臺(tái)控制對(duì)象數(shù)據(jù)及對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的參數(shù)辨識(shí)，使用Matlab/Simulink仿真工具，使用上述RBF神經(jīng)網(wǎng)滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

通過大量仿真實(shí)驗(yàn)，得到下面的仿真結(jié)果。

從圖中可以看出，工具面角跟蹤效果快速、準(zhǔn)確，能夠很好地達(dá)到控制要求。

4 結(jié)論

針對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)在井下工作特點(diǎn)，提出一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。該方法利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近穩(wěn)定平臺(tái)數(shù)學(xué)模型，通過滑模變結(jié)構(gòu)方法來增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，并能夠保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)構(gòu)表明，該方法能夠抑制摩擦力矩對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，消除滑模變結(jié)構(gòu)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(tái)姿態(tài)控制精度，控制性能得到了極大的改善。

【參考文獻(xiàn)】

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

＊[2]霍愛清，賀昱曜，汪躍龍等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具穩(wěn)定平臺(tái)模糊滑?？刂蒲芯縖J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27(10)：152—155.