基于模糊控制的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃永平　賈國征

[摘要]根據(jù)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，具有時(shí)變時(shí)滯和非線性等難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制的特點(diǎn)，提出在系統(tǒng)中運(yùn)用模糊控制的設(shè)計(jì)方案。介紹整個(gè)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)的主要組成及其各部分的作用，以及安全監(jiān)控的組成。本系統(tǒng)中最核心的部分是控制單元的設(shè)計(jì)，其中硬件以單片機(jī)為核心，外擴(kuò)模擬量輸入輸出電路，I／O接口，以及給定量輸入裝置：軟件則采用的是用最大隸屬度法，并將軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行仿真，仿真效果較好。整個(gè)系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)方法的自動(dòng)送鉆相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)送鉆模糊控制最大隸屬度法

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597(2009)02100103－02

一、引言

自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)的控制對(duì)象(鉆壓)受地質(zhì)構(gòu)造、巖石性能、鉆井液性質(zhì)、井壁阻力等因素的影響，井下諸多已知或未知因素給建立合理的數(shù)學(xué)模型帶來較大的困難，同時(shí)鉆機(jī)工作本身也存在一定的非線性，因此自動(dòng)送鉆系統(tǒng)屬于一個(gè)時(shí)滯時(shí)變的非線性系統(tǒng)，要獲得一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。也就是說，用基于精確數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論是難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制的，而模糊控制對(duì)處理復(fù)雜系統(tǒng)(不確定性、大時(shí)滯、時(shí)變、非線性)具有明顯的優(yōu)越性。因此該系統(tǒng)控制方法上易于采用模糊控制。模糊控制方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，它是把人的經(jīng)驗(yàn)定量化即數(shù)字化，使之能準(zhǔn)確模擬人的思維進(jìn)行操作。對(duì)于應(yīng)用模糊控制算法的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1．模糊控制比傳統(tǒng)的PID控制更加簡(jiǎn)單而有效省去了繁瑣的參數(shù)設(shè)定，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作人員意味著操作將非常簡(jiǎn)單；

2．該系統(tǒng)具有上位工控機(jī)監(jiān)控功能，同時(shí)通過對(duì)鉆具轉(zhuǎn)速、鉆具扭矩、大鉤鉤一載、鉆井泵泵壓和游車位置的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)報(bào)警及緊急剎車制動(dòng)功能：

3．系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兼容功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)之間的無擾切換：

4．由于系統(tǒng)采用的是電動(dòng)機(jī)控制大鉤升降速度，速度控制簡(jiǎn)單易行。

二、系統(tǒng)基本原理、組成、無憂切換及安全監(jiān)控

(一)基本原理

在該系統(tǒng)中，鉆壓變化信號(hào)通過死繩作用于壓力傳感器，輸出鉆壓變化信號(hào)，鉆壓變化信號(hào)通過壓力變送信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入控制單元，處理之后的控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，用該信號(hào)控制變頻調(diào)速單元，輸出可變的頻率電壓信號(hào)來控制絞車主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化通過減速機(jī)構(gòu)及絞車滾筒等傳動(dòng)裝置最終控制大鉤下放快慢，完成恒鉆壓閉環(huán)控制。如果鉆壓信號(hào)經(jīng)選擇單元后為異常鉆壓信號(hào)則有選擇單元自動(dòng)給定一個(gè)下放速度，直接輸入到速度控制單元進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制，直到鉆壓恢復(fù)正常。自動(dòng)送鉆原理圖如下圖：

(二)主要組成部分及其作用

該系統(tǒng)主要由：壓力變送器、大鉤及減速機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)、控制單元、上位監(jiān)控機(jī)等組成。各主要組成部分的作用分述如下：

1．壓力變送器將壓力傳感器測(cè)到的壓力信號(hào)送入選擇單元，這一信號(hào)代表了鉆柱系統(tǒng)的懸重。

2．大鉤及減速機(jī)構(gòu)通過絞車和滾筒等裝置控制大鉤的下放速度達(dá)到調(diào)節(jié)鉆壓的目的。

3．主電動(dòng)機(jī)的作用是帶動(dòng)絞車工作進(jìn)行調(diào)速。

4．控制單元完成對(duì)采集的信號(hào)的分析、處理、輸出模擬控制信號(hào)。

5．上位監(jiān)控機(jī)與控制單元之間進(jìn)行信息通訊，并進(jìn)行顯示、打印、記錄、設(shè)置以及連接一些常規(guī)外設(shè)。

(三)自動(dòng)手動(dòng)之間的無憂切換

使用自動(dòng)送鉆裝置時(shí)，在鉆井過程中存在兩種送鉆操作方式，即司鉆手動(dòng)操作司鉆閥控制鉆進(jìn)與自動(dòng)送鉆控制鉆進(jìn)，二者存在切換問題。當(dāng)壓力變送器將壓力信號(hào)傳送到選擇單元后，經(jīng)過選擇判定是正常壓力還是異常壓力，若是后者則自動(dòng)切換到控制單元經(jīng)處理后執(zhí)行手動(dòng)操作，待鉆壓正常后再自動(dòng)切換到自動(dòng)送鉆狀態(tài)。無憂切換的方案很多，在本系統(tǒng)中采用的是在鉆壓附近進(jìn)行無憂切換的技術(shù)，這樣可以縮短投入到自動(dòng)送鉆狀態(tài)的時(shí)間。

(四)安全監(jiān)控

由于現(xiàn)有自動(dòng)送鉆裝置可靠性和安全性的不足，限制了它的推廣和應(yīng)用，所以對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)控是非常必要的。在這個(gè)安全監(jiān)控中，其硬件主要是由壓力傳感器、扭矩傳感器、速度傳感器、位置傳感器、輸入輸出接口及其外部器件組成。在這個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，通過安全監(jiān)控顯示電路顯示事故類型同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)無憂切換和緊急剎車。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在自動(dòng)送鉆系統(tǒng)中，其設(shè)計(jì)主要指的是控制單元的軟硬件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)以單片機(jī)8031為核心，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的要求，進(jìn)行擴(kuò)展和配置，主要擴(kuò)展和配置包括：

1．外擴(kuò)l片EPROM2764，1個(gè)RAM2624，8155可編程并行I/O接口，前兩個(gè)片子分別用于程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

2．配置有鍵盤和顯示電路，有一個(gè)八位的LED數(shù)碼顯示器及鍵盤組成，顯示器用于鍵盤掃描過程中顯示當(dāng)前有關(guān)設(shè)置參數(shù)，再送鉆過程中則實(shí)時(shí)顯示鉆壓值。鍵盤則包括數(shù)字鍵及包括鉆亞社之間在內(nèi)的各功能鍵；

3．模擬量輸入通道電路，它把傳感器送出的電信號(hào)4－20mAI流信號(hào)經(jīng)電流／電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成單片及所能接受的0－5V的電壓信號(hào)，送給八位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809：

4．模擬量輸出通道電路，它把單片機(jī)計(jì)算出的控制量轉(zhuǎn)換成調(diào)速單元可以接受的模擬信號(hào)所用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片位DAC0832；發(fā)光二極管與I/O接口點(diǎn)組成的發(fā)光報(bào)警電路。

(二)控制系統(tǒng)的軟件編制

自動(dòng)送鉆模糊控制器采用雙輸入一單輸出的結(jié)構(gòu)。以輸入變量偏差E以及輸入變量偏差變化率EC為輸入，以鉆壓調(diào)節(jié)量C為輸出。在模糊控制器里面首先必須進(jìn)行輸入量及控制量的模糊化：輸入和輸出變量被劃分為負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(zO)、正小(Ps)、正中(PM)、正大(PB)7個(gè)模糊狀態(tài)；其中變量偏差E、偏差變化率Ec的論域?yàn)?-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，1，2，3，4，5，6)，13個(gè)等級(jí)，鉆壓調(diào)節(jié)量c的論域?yàn)閧-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7)，15個(gè)等級(jí)。模糊化是對(duì)模糊控制器的輸入變量求取相應(yīng)的語言值的隸屬度。

對(duì)于輸入變量偏差E其隸屬度以圖2的圖線表示。經(jīng)過模糊化以后可以得到E的隸屬度為u(E)。同理可以將偏差變化率Bc和鉆壓調(diào)節(jié)量C進(jìn)行模糊化處理。

其次是進(jìn)行建立模糊控制器的控制規(guī)則。模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)策略又是人們通過學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)以及長期經(jīng)驗(yàn)積累逐漸形成且存儲(chǔ)在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識(shí)的集合。利用語言歸納手動(dòng)控制策略的過程，實(shí)際上是建立模糊控制規(guī)則的過程。手動(dòng)控制策略一般都可以用條件語句加以描述，根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差變化的趨勢(shì)來消除誤差。對(duì)于本系統(tǒng)，建立的模糊控制規(guī)則表如表1所示：

最后進(jìn)行的是輸出量的精確化。模糊推理以及模糊量的精確化過程有多種方法，對(duì)于鉆機(jī)主電動(dòng)機(jī)自動(dòng)送鉆系統(tǒng)采用的是最大隸屬度法。即選取模糊子集中隸屬度最大的元素作為控制量，若隸屬度最大的元素有多個(gè)，則取他們的平均值。選擇最大隸屬度的方法簡(jiǎn)單易行，算法實(shí)時(shí)性好，突出了隸屬度最大元素的控制作用，對(duì)于隸屬度較小的元素因利用的信息量少，因此對(duì)其控制作用沒有考慮?？梢愿鶕?jù)模糊變量誤差和誤差變化按照模糊控制規(guī)則通過模糊推理建立一個(gè)模糊決策表。這樣在采樣時(shí)刻所獲得的誤差和誤差變化信號(hào)被送入模糊控制器，模糊控制器根據(jù)信號(hào)的模糊化結(jié)果查詢模糊控制表得到控制量的模糊量。模糊控制器將模糊量轉(zhuǎn)換成精確量，輸出到被控對(duì)象施加某種控制作用。

在整個(gè)設(shè)計(jì)完成以后，將軟件系統(tǒng)用MATLAB語言的Simulink進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下：

從仿真結(jié)果圖上可以看出：系統(tǒng)的超調(diào)量較小約為4％，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1％，系統(tǒng)的綜合動(dòng)態(tài)性能良好。

四、結(jié)束語

目前國內(nèi)的大多自動(dòng)送鉆系統(tǒng)多數(shù)采用的是盤式剎車的鉆機(jī)，其絞車是由柴油機(jī)帶動(dòng)的，其鉆體下放的速度的調(diào)節(jié)非常的不方便，同時(shí)使用的還有氣動(dòng)自動(dòng)送鉆，這兩種自動(dòng)送鉆方式都存在鉆壓不穩(wěn)的情況。在本系統(tǒng)中我們采用的是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絞車工作，它的調(diào)速性能非常的良好，方便并易于操作。同時(shí)在控制系統(tǒng)中我們采用的不是常規(guī)的PID控制，而是將人工智能的知識(shí)應(yīng)用于這個(gè)領(lǐng)域，采用模糊控制。此方法作為減少自動(dòng)送鉆投運(yùn)前工人干預(yù)程度專題研究的內(nèi)容之一，模糊控制將于其它措施一起成為未來智能化自動(dòng)送鉆儀的重要組成部分部分。