毛一?。ㄖ惺髂鲜凸こ坦九R盤(pán)鉆井分公司，山東 臨邑 251508）

因?yàn)槟：刂朴Ｒ?guī)PID 控制方式的適應(yīng)能力較強(qiáng)，所以本文基于此設(shè)計(jì)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(guò)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(dòng)靜態(tài)特性。

1 鉆井機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)控制模型

鉆機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部分主要是由水平旋轉(zhuǎn)、縱向運(yùn)動(dòng)兩個(gè)部分所組合而成。其中，水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要是由動(dòng)力機(jī)組來(lái)帶動(dòng)鉆桿上的轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)，從而可以帶動(dòng)境地的鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)將巖石打碎，從而保證鉆頭可以持續(xù)向下推進(jìn)。而縱向運(yùn)動(dòng)這一部分則是由絞車(chē)帶動(dòng)，并且通過(guò)游車(chē)能夠?qū)⒄麄€(gè)鉆具帶動(dòng)起來(lái)，所以縱向運(yùn)動(dòng)主要是負(fù)責(zé)氣盛鉆具和鉆具的下降。

在鉆井機(jī)進(jìn)行自動(dòng)送鉆的過(guò)程中，其控制鉆速的對(duì)象是送鉆絞車(chē)，而其主要是通過(guò)交流變頻器來(lái)控制送鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)模型具有眾多特點(diǎn)，例如，強(qiáng)耦合、高階非線性以及多變量等，因此，為了能夠提高電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)特性，本文通過(guò)矢量控制的方式來(lái)控制鉆速。

2 雙閉環(huán)自動(dòng)送鉆的工作原理

2.1 交流變頻自動(dòng)送鉆的原理

在交流變頻的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)中，可以將其分為主電機(jī)送鉆系統(tǒng)和輔助小電機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)。其中，小電機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，能夠及時(shí)的應(yīng)對(duì)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(dòng)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(shí)時(shí)接收鉆壓信息，而在接收到信息之后將會(huì)把鉆壓信息與設(shè)定鉆壓之間進(jìn)行對(duì)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(shí)施處理，然后會(huì)將處理結(jié)果傳遞到交流變頻器，而通過(guò)變頻器中的變頻調(diào)速單元可以控制絞車(chē)的送鉆電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終對(duì)送鉆鉆壓實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

2.2 雙閉環(huán)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的工作原理

自動(dòng)送鉆系統(tǒng)需要控制的對(duì)象主要有鉆速、鉆壓，但是因?yàn)檫@幾項(xiàng)控制內(nèi)容存在著眾多的影響因素，所以在進(jìn)行控制的過(guò)程中，參數(shù)會(huì)發(fā)生隨機(jī)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(dòng)原理，建立雙閉環(huán)自動(dòng)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(shí)，還可以使非線性得到良好的改善。而外環(huán)是通過(guò)鉆壓環(huán)，然后采用復(fù)合控制器實(shí)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(dòng)態(tài)特性相對(duì)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(guò)將其進(jìn)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(shí)還具有動(dòng)態(tài)特性。[2]。

參數(shù)自調(diào)整模糊控制器主要是通過(guò)模糊數(shù)學(xué)中的知識(shí)，對(duì)已知參數(shù)和條件進(jìn)行模糊化處理，然后將信息儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)庫(kù)內(nèi)，并在計(jì)算機(jī)中對(duì)于信息開(kāi)展處理，并在模糊推理機(jī)中對(duì)其實(shí)施模糊處理，之后就可以獲取最優(yōu)PID參數(shù)。

3.2 設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則

在對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，其設(shè)計(jì)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(duì)于模糊推理原則在制定的時(shí)候，主要是通過(guò)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(diǎn)在于避免發(fā)生超調(diào)，并以系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)作為控制目的。本文通過(guò)比較模糊判決方法，選擇中心法[3]。通過(guò)分析參數(shù)對(duì)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(duì)較大的情況下，在此時(shí)控制會(huì)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(shí)要選擇相對(duì)較小的Kd值、較大的Kp值。另外，為了能夠避免因?yàn)榉e分飽和而出現(xiàn)超調(diào)量過(guò)大問(wèn)題，所以需要選擇相對(duì)較小的Ki。

（2）當(dāng)e的大小處于中等時(shí)，進(jìn)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(shí)，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?chē)霈F(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(shí)將會(huì)有ec來(lái)決定。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink 工具箱進(jìn)行仿真分析，在實(shí)際開(kāi)展鉆井工作中，需要嚴(yán)格控制鉆壓的誤差分范圍，也就是誤差的基本論域。同時(shí)，盡可能的避免負(fù)誤差的出現(xiàn)，因?yàn)樨?fù)誤差會(huì)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?yàn)殂@壓的隨機(jī)性相對(duì)較大，并且同時(shí)還會(huì)受到許多因素的影響，所以，石油井底的參數(shù)變化將會(huì)極其容易出現(xiàn)鉆壓誤差。因此，在對(duì)于仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的過(guò)程中，需要與鉆井人員的工作經(jīng)驗(yàn)形結(jié)合，將鉆壓設(shè)定值設(shè)為20t，所以在仿真過(guò)程中，需要設(shè)置為20t 來(lái)作為階躍信號(hào)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(guò)程中，此時(shí)的鉆壓出現(xiàn)了明顯的振蕩、超調(diào)，并且需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整；而基于曲線2得到的參數(shù)，鉆壓的變化相對(duì)較為穩(wěn)定，并且未發(fā)生超調(diào)。所以，利用常規(guī)PID 實(shí)施控制的過(guò)程中，選擇的參數(shù)將會(huì)直接影響到控制系統(tǒng)，并且在調(diào)節(jié)參數(shù)的時(shí)候，只能進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，這會(huì)對(duì)參數(shù)調(diào)節(jié)的效率造成嚴(yán)重影響。

圖一 常規(guī)PID控制仿真曲線

在相同條件下，負(fù)荷控制與常規(guī)PID控制的對(duì)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(shí)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(wèn)題，而超調(diào)量則大約是1.8%，誤差是0.36t，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的調(diào)整時(shí)間是2.3s。通過(guò)對(duì)比上述的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷控制器具有更好的控制效果，所以，在石油鉆井機(jī)的自動(dòng)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(yǔ)

綜上所述，石油鉆機(jī)自動(dòng)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(jì)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(lái)對(duì)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)開(kāi)展調(diào)節(jié)工作，并根據(jù)鉆井工藝的要求，系統(tǒng)可以對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)于復(fù)合控制器進(jìn)行仿真分析，自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)不僅可以有效的降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以降低鉆井的成本費(fèi)用。