基于模糊控制的自動送鉆系統(tǒng)的設(shè)計

黃永平　賈國征

[摘要]根據(jù)自動送鉆系統(tǒng)，具有時變時滯和非線性等難以實現(xiàn)準(zhǔn)確控制的特點，提出在系統(tǒng)中運用模糊控制的設(shè)計方案。介紹整個自動送鉆系統(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，其中硬件以單片機為核心，外擴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)計部分進行仿真，仿真效果較好。整個系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)方法的自動送鉆相比具有明顯的優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]自動送鉆模糊控制最大隸屬度法

中圖分類號：TP2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597(2009)02100103－02

一、引言

自動送鉆控制系統(tǒng)的控制對象(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，同時鉆機工作本身也存在一定的非線性，因此自動送鉆系統(tǒng)屬于一個時滯時變的非線性系統(tǒng)，要獲得一個精確的數(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)控制理論是難以實現(xiàn)準(zhǔn)確控制的，而模糊控制對處理復(fù)雜系統(tǒng)(不確定性、大時滯、時變、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)驗定量化即數(shù)字化，使之能準(zhǔn)確模擬人的思維進行操作。對于應(yīng)用模糊控制算法的自動送鉆系統(tǒng)具有以下特點：

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

2．該系統(tǒng)具有上位工控機監(jiān)控功能，同時通過對鉆具轉(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，實現(xiàn)報警及緊急剎車制動功能：

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

4．由于系統(tǒng)采用的是電動機控制大鉤升降速度，速度控制簡單易行。

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

(二)主要組成部分及其作用

該系統(tǒng)主要由：壓力變送器、大鉤及減速機構(gòu)、電動機、控制單元、上位監(jiān)控機等組成。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到的壓力信號送入選擇單元，這一信號代表了鉆柱系統(tǒng)的懸重。

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

3．主電動機的作用是帶動絞車工作進行調(diào)速。

4．控制單元完成對采集的信號的分析、處理、輸出模擬控制信號。

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

(三)自動手動之間的無憂切換

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

(四)安全監(jiān)控

由于現(xiàn)有自動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，所以對其進行安全監(jiān)控是非常必要的。在這個安全監(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啟動報警電路發(fā)出報警聲，同時該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)無憂切換和緊急剎車。

三、系統(tǒng)設(shè)計

(一)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計以單片機8031為核心，根據(jù)現(xiàn)場對微機系統(tǒng)的要求，進行擴展和配置，主要擴展和配置包括：

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

2．配置有鍵盤和顯示電路，有一個八位的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)，再送鉆過程中則實時顯示鉆壓值。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4－20mAI流信號經(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，送給八位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809：

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

(二)控制系統(tǒng)的軟件編制

自動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行輸入量及控制量的模糊化：輸入和輸出變量被劃分為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(zO)、正小(Ps)、正中(PM)、正大(PB)7個模糊狀態(tài)；其中變量偏差E、偏差變化率Ec的論域為(-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，1，2，3，4，5，6)，13個等級，鉆壓調(diào)節(jié)量c的論域為{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7)，15個等級。模糊化是對模糊控制器的輸入變量求取相應(yīng)的語言值的隸屬度。

對于輸入變量偏差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進行模糊化處理。

其次是進行建立模糊控制器的控制規(guī)則。模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略，而手動策略又是人們通過學(xué)習(xí)、實驗以及長期經(jīng)驗積累逐漸形成且存儲在操作者頭腦中的一種技術(shù)知識的集合。利用語言歸納手動控制策略的過程，實際上是建立模糊控制規(guī)則的過程。手動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來消除誤差。對于本系統(tǒng)，建立的模糊控制規(guī)則表如表1所示：

最后進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，對于鉆機主電動機自動送鉆系統(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，則取他們的平均值。選擇最大隸屬度的方法簡單易行，算法實時性好，突出了隸屬度最大元素的控制作用，對于隸屬度較小的元素因利用的信息量少，因此對其控制作用沒有考慮。可以根據(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模糊決策表。這樣在采樣時刻所獲得的誤差和誤差變化信號被送入模糊控制器，模糊控制器根據(jù)信號的模糊化結(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，輸出到被控對象施加某種控制作用。

在整個設(shè)計完成以后，將軟件系統(tǒng)用MATLAB語言的Simulink進行了仿真，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)的綜合動態(tài)性能良好。

四、結(jié)束語

目前國內(nèi)的大多自動送鉆系統(tǒng)多數(shù)采用的是盤式剎車的鉆機，其絞車是由柴油機帶動的，其鉆體下放的速度的調(diào)節(jié)非常的不方便，同時使用的還有氣動自動送鉆，這兩種自動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機帶動絞車工作，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應(yīng)用于這個領(lǐng)域，采用模糊控制。此方法作為減少自動送鉆投運前工人干預(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送鉆儀的重要組成部分部分。