（计算机科学与技术专业论文）油井电脉冲解堵造缝机器人智能控制系统研究.pdf

摘要为了提高堵塞井和低渗油井的采收率，电脉冲解堵造缝技术已作为油井常规解堵技术在油田得到了广泛的推广和应用，但在电脉冲解堵造缝技术具体实施油井解堵造缝操作时，仍然存在着诸多局限性。采用管道机器人携带电极来实现井下的电脉冲解堵造缝操作克服了电脉冲解堵造缝技术原有的诸多局限性。本文对实现电脉冲解堵造缝技术的管道机器人的智能控制系统进行了研究。针对当前电脉冲解堵造缝技术在油田具体实施中面临的问题，利用管道机器人携带电极实施电脉冲解堵造缝技术具有很大的实用价值。本文介绍了电脉冲解堵仪的组成和工作原理，对其存在的只有解堵效果而基本无造缝功能、智能化程度低等缺点，采用建立在多传感器信息融合基础之上的管道机器人智能控制系统来解决。阐述了机器人的关键技术以及本文实现油井解堵造缝所采用的管道机器人的整体结构和工作原理。为了对管道机器人进行控制、优化设计和仿真，建立了管道机器入井下运动的动力学模型。针对管道机器人智能控制系统控制精度的要求，采用多传感器的信息融合来降低信息的不确定性。利用多传感器融合采集的准确数据作为智能管道机器人智能控制系统的数据输入。由于管道机器人的自适应支撑机构控制系统的性能主要受到系统中存在的非线性摩擦环节的影响，采用基于摩擦模型补偿的自适应鲁棒控制方法来达到满意的跟踪控制效果，但是此方法参数辨识的准确性差。本文又采用基于死区补偿的神经网络自适应鲁棒控制进行改进，用尽量少的参数和网络对系统非线性环节进行补偿和控制。最后对控制方法做了m a t l a b 仿真实验，与p d 控制的仿真效果做了对比，仿真实验效果证明控制系统的性能得到了显著提高。关键词：电脉冲解堵造缝，管道机器人，多传感器，信息融合，智能控制r e s e a r c ho i lt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o tr o b o tu s e di nt h ew e l lb a lz o n g d o n g ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y )d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rz h a n gw e n d o n g & a s s o c i a t ep r o f l iq i n g y u na b s t r a c ti no r d e rt oi m p r o v er a t eo fp r o d u c t i o no f j a m m e do i lw e l l sa n dl o w - p e n e t r a n c eo i lw e l l s ，e l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o tt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yp r o m o t e da n da p p l i e d h o w e v e rt h e r ea r es t i l lm a n yl i m i t a t i o n si ns p e c i f i cp r a c t i c a la p p l i c a t i o n p i p e l i n er o b o tc a r r y i n ge l e c t r o d eu s e dt oa c h i e v et h eu n d e r g r o u n dt oc a l t yo u te l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o tt e c h n o l o g yo v e r c o m e sm a n yl i m i t a t i o n so ft h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fp i p e l i n er o b o tt oc a r r yo u tt h et e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o ti ss t u d i e d f o rt h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o ti nt h ef i e l ds p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n ，i m p l e m e n t a t i o no fp i p e l i n er o b o tc a r r y i n ge l e c t r o d e st oc a r r yo u te l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o tt e c h n o l o g yh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a lp u l s eb r o k e ni n s t r u m e n t f o rt h es h o r t c o m i n g so fo n l yc a r r y i n go u tp l u gr e m o v a lb u tn o tm a k i n gs l o ta n dl o wd e g r e eo fi n t e l l i g e n c e ，t h ep a p e ru s e st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fp i p e l i n er o b o t 埘t l lt h ee s t a b l i s h m e n to fm u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o nt os o l v e t h ep a p e rd e s c r i b e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fr o b o ta n do v e r a l ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fp i p e l i n er o b o t i no r d e rt oc o n t r o lt h ep i p e l i n er o b o t ，o p t i m a ld e s i g na n ds i m u l a t i o n , ap i p e l i n er o b o td y n a m i cm o d e lo fu n d e r g r o u n dm o v e m e n ti se s t a b l i s h e d f o rt h ec o n t r o la c c u r a c yr e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fp i p e l i n er o b o t ，t h ep a p e ru t i l i z e sm u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o nt or e d u c ei n f o r m a t i o nu n c e r t a i n t y m u l t i s e n s o ra c c u r a t ed a t ai su s e da sd a t ae n t r yo fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fp i p e l i n er o b o t a st h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e mo fa d a p t i v eo fp i p e l i n er o b o tm a i n l yi si n f l u e n c e db yt h ee x i s t e n c eo fn o n l i n e a rf r i c t i o n ，m o d e lo fa d a p t i v er o b u s tc o n t r o lm e t h o db a s e do nf r i c t i o nc o m p e n s a t i o na c h i e v e ss a t i s f a c t o r yc o n t r o le f f e c t h o w e v e r , t h i sm e t h o di sp o o ro fa c c u r a c yo fp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n 。s ot h ep a p e rt a k e sa d v a n t a g eo fn e u r a ln e t w o r ka d a p t i v er o b u s tc o n t r o lb a s e do nd e a dc o m p e n s a t i o nt oi m p r o v e ，w h i c hm a k e su s eo fl e s sp a r a m e t e r sa n dn e t w o r kt oc o m p e n s a t ea n dc o n t r o lt h en o n l i n e a rp a r to ft h es y s t e m f i n a l l y , b ym a t l a bs i m u l a t i o nd o n ee x p e r i m e n tu p o no nc o n t r o ls t r a t e g y , t h es i m u l m i o nr e s u l t so fp dc o n t r o li sc o m p a r e d t h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e mi ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a li m p u l s ef o rp l u gr e m o v a la n dm a k i n gs l o t ，p i p e l i n er o b o t m u l t i s e n s o r , i n f o r m a t i o nf u s i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：伺鲁耳，日期：2 0 0 年岁月铂日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构)送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：鱼皇盘!指导教师签名：强童盘! 盔垃指导教师签名：邋熏丑! 丛：疆日期：2 1 7 归年日期：纠f 1 7 年5 具2 8by 月z 日中国石油大学( 华东) 硕士学位论文1 1 课题的研究背景和意义第一章绪论石油作为一种重要的能源和战略资源，在各国经济发展中占据着举足轻重的地位【1 】。2 0 0 8 年的7 月1 1 日，由于市场担心中东地区局势紧张有可能影响全球原油供应，国际油价再度刷新历史最高记录，纽约、伦敦两地油价首次在盘中双双突破每桶1 4 7 美元。造成石油与汽油价格上涨的原因很多：包括中国和印度等新兴国家的能源需求上升以及美国等发达国家对汽车的依赖；美国炼油能力的匮乏：商品交易者的竞价推高了目前的油价等诸多原因。我国作为发展中国家，产业结构相对滞后，更多依赖能源密集型产业推动经济增长，城市化进程正在加速，石油消费处于上升区间，这意味着国际油价高涨将使我国承受更大的压力。油价的上涨除了会直接对中国汽车产业产生一定的负面影响，对经济社会发展以及生活的各个方面都会产生深远的影响。经济日益承受国际高油价的压力，这已是不争的事实。需求显然是造成油价上涨的主要原因，但是供给因素也占有重要地位。为此，除了通过节能措施外，通过增加石油产量来满足需求和减轻油价上涨的压力，也是一个切实可行的措施【2 】。目前，我国陆上油田具有很多不利于开采的因素，比如，油层物性差、互层多、油层薄、油层压力低、单井产量低、油水关系复杂、含水高、采出程度高、油层污染严重等，致使增产措施费用高，增产幅度低，效益变差。特别是随着油田开发程度的深入，油水井中的各种堵塞现象日渐增多，导致原油产量下降，开发成本上升 3 1 。如何有效的实施油层解堵从而实现油田产量的持续增长，控制原油成本的上升，提高油田开发的整体效益是目前世界上各石油开采国竞相研究的课题【l 】。随着技术的不断开发，油层的解堵造缝是使现在正在被开采的油田产生更高的回报的技术之一【4 】。目前国内外常用压裂、酸化、挤液等常规增产工艺来进行【5 , 6 1 ，这些工艺比较成熟，均具有改善油层孔渗条件达到解堵的目的。但是这三种工艺也有自身的局限性：首先压裂、酸化、挤液方法都极易造成二次污染【7 】；其次工艺对分层处理比较困难，容易造成水淹油层；另外这些增产措施费用较高。此外高压水射流、超声波、高能气体压裂等解堵技术等解堵技术在现场应用中都有较好的解堵效果，但由于采用技术的特点和措施井的具体情况等原因，使得在现场应用第一章绪论中也存在适用范围的局限性1 8 j 。低频电脉冲技术作为- f 7 新技术，被广泛应用于社会生产的各个领域。2 0 世纪8 0年代，该技术首先应用于石油行业，利用其在液体中电火花爆炸产生声学效应的原理，制成海洋地震探源设备。2 0 世纪8 0 年代后期，低频电脉冲解堵造缝技术被用在井下液体中进行油水层解堵作业，当前已被作为油田常规增产措施之【9 】。在电脉冲解堵造缝技术的实际应用中，也存在着一些局限性，特别是其只有解堵效果而基本无造缝功能的特性，在很大程度上限制了该项技术更加广泛的推广。针对当前电脉冲解堵技术的局限性，可以开发出相应的管道机器人去实现油井电脉冲解堵造缝技术，从而在不损伤油层套管的前提下，更有效的实施电脉冲解堵造缝技术。从技术发展的角度来看，随着对生物本质机理的深刻认知与理解和对已有理论技术与工具的超越，仿生机器人技术必将得到广泛的发展。而管道机器人作为仿生机器人的一种，如何根据具体工作环境的需要，研究出能更好的适应特定工作环境的管道机器人智能控制系统，使得管道机器入能够更有效的、更加智能的实施电脉冲解堵造缝技术是一个非常具有实用价值的研究课题。综合利用机电一体化技术、传感与检测技术、自动控制技术以及现代智能控制理论等多学科的研究成果来研究开发油井电脉冲解堵造缝机器人的控制系统。研究结构开放的、功能模块化的基于多传感器信息融合的智能控制系统，来实现电脉冲对孔道进行解堵、形成微裂缝，以期达到提高低渗透油藏、三次采油中有机胶质体堵塞油井的采收率，降低其采油成本的目的；来实现采用小电源进行油井的解堵作业，从而可以节省能源、减轻对套管的损伤、增强电脉冲解堵工艺的可靠性；加快油井解堵作业的自动化过程；促进油井解堵的通用技术的研究开发。本人在课题“采用仿生机器人实现电脉冲解堵技术 中对管道机器人的智能控制系统进行研究。本论文的主要工作是油层电脉冲解堵造缝管道机器人智能控制系统的研究。1 2 电脉冲解堵技术针对国内外常用的渗油通道解堵方法如压裂、酸化、挤液等存在的工艺问题，以及高压水射流、超声波、高能气体压裂等方法的应用局限性，提出了电脉冲解堵造缝新技术。电脉冲解堵技术是近年来国内外研究人员研究开发的一种新型技术。作为一种物理法处理油层的新技术，它能有效地解除钻井、完井、采油等一系列施工过程中对地层油2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文气通道的污染和堵塞【1 0 】。电脉冲解堵造缝方法这种物理解堵方法与其他化学解堵方法、物理化学解堵法和微生物解堵法相比，具有针对性强( 可随意选择层段，不需要任何配套工具) 、无污染、对套管无损伤、成功率高等优点，因而备受各油田的青睐【3 j 。并且施工工艺简单，适应性强，安全可靠，自动化程度高，且成本低、见效快、增产幅度大、有效期长、经济效益好。虽然此项技术在我国各大油田有了一定的推广，但技术方面的科学研究在我国还刚刚起步，具有较高的推广应用价值。随着油田开发程度的不断深入，低频电脉冲解堵技术的研究必能更有效的提高储层的渗透率和油井的采收率，同时为此项新技术在油田的实际应用奠定良好的技术与理论基础。1 3 管道机器人技术管道机器人是一种可携带一种或多种传感器及操作机械【1 1 - 1 4 、沿管道内部或外部自动行走【1 5 以7 】，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统【1 4 , 1 8 。从2 0 世纪5 0 年代起，为满足长距离管道运输、检测的需要，美、英、法、德、日等国相继展开了管道机器人的研究，由于电子技术、计算机技术等还很落后，其最初成果就是一种无动力的管内检测设备，一般译名称“管道猪( p i p ep i g ) t 1 9 1 ，这也就是所说的无缆管道机器人。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力，随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备，依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、现代控制、机器人学等理论和技术的发展，为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证。近些年来，人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走，可以准确接近管道的故障截面，获得故障状况的可靠信息，精确到达操作位置【1 9 1 。虽然在对微小管道、特殊管道( 如变径管道、带有u 型管的管道) 进行检测、维修方面还刚起步，但是由于该类管道在各个领域的广泛应用，研发该类机器人极具吸引力【1 4 1 。国内外在管道机器人方面的研究成果很多，多为轮式、履带式移动机器人。管道机器人多用于管道的检测、清理及焊接、喷涂等方面，还可应用于石油行业的钻井、排泥以及油层解堵作业中。对管道机器人的研究也在逐步深入，随着管道机器人的发展，其应用范围越来越广。3第一章绪论1 4 机器人智能控制技术机器人的智能从无到有、从低级到高级，并随着科学技术的进步而不断深入发展【2 0 1 。随着计算机技术、网络技术、人工智能、新材料和m e m s 技术的发展，机器人智能化、网络化、微型化的发展趋势已凸现出来【2 1 1 。智能控制是控制理论发展的高级阶段，是一个新兴的学科领域，它有着十分广泛的应用前景，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题 2 2 1 。其中包括智能机器人系统、计算机集成制造系统( c i m s ) 、复杂的工业过程控制系统、航天航空控制系统、社会经济管理系统、交通运输系统、环保及能源系统等，而机器人是智能控制最主要和最典型的应用领域【2 3 1 。智能机器人控制系统的典型结构如图1 1 所示。在该系统中，广义对象包括通常意义下的控制对象和所处的外部环境。对于智能机器人系统，机器人手臂、被操作物体及其所处环境统称为广义对象 2 4 1 。传感器则包括关节位置传感器、力传感器，或者还可能包括触觉传感器、滑觉传感器或视觉传感器等。感知信息处理将传感器得到的原始信息加以处理。例如视觉信息需要经过很复杂的处理后才能获得有用的信息。认知部分主要用来接收和储存各种信息、知识、经验和数据，并对它们进行分析、解释，做出行动的决策，送至规划和控制部分 2 5 1 。通讯接口除建立入机之间的联系外，也建立系统中各模块之间的联系。规划和控制是整个系统的核心，它根据给定的任务要求、反馈的信息以及经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最终产生具体的控制作用，经执行部件作用于控制对象。对于不同用途的智能控制系统，以上各部分的形式和功能可能存在较大的差异【2 6 】。4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文图1 - 1 智能控制系统的典型结构图f i 9 1 - 1t y p i c a ls t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m图1 - 2 分层递阶的智能控制结构图f i 9 1 - 2h i e r a r c h i c a li n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r u c t u r eg n 萨里迪斯提出了智能控制系统的分层递阶的组成结构形式【2 4 j ，如图1 2 所示。其中执行级一般需要比较准确的模型，以实现具有一定精度要求的控制任务；协调级用来协调执行级的动作，它不需要精确的模型，但需要学习功能以便在再现的控制环境中改善性能，并能接受上一级的模糊指令和符号语言；组织级将操作员的自然语言翻译成机器语言，组织决策，规定任务，并直接干涉低层的操作。在执行级中，识别的功能在于获得不确定的参数值或监督系统参数的变化；协调级中，识别的功能在于根据执行级送来的测量数据和组织级送来的指令产生出合适的协调作用；在组织级中，识别的5第一章绪论功能在于翻译定性的命令和其他的输入。该分层递阶的智能控制系统具有两个明显的特点【2 6 ：( 1 ) 对控制来讲，自上而下控制的精度越来越高：( 2 ) 对识别来讲，自下而上信息回馈越来越粗略，相应的智能程度越来越高，这种分层递阶的结构形式已成功地应用于机器人的智能控制。1 5m a t l a b 仿真技术m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ，即“矩阵实验室 ) 最初由美国新墨西哥大学c l e v em o l e r 教授提出并应用于矩阵计算的教学中，自从m a t l a b 由m a t h w o r k s 公司推出后，m a t l a b 为各国的工程科学家开发学科应用软件提供了新的基础，并且得到了全世界的关注和欢迎【2 7 1 。m a t l a b 经过不断地扩充和完善，已经发展成为功能强大，适用于多个学科和领域的系统软件工具。m a t h w o r k s 公司于1 9 8 4 年推出m a t l a b 商业版，1 9 9 0 年推出了第一个可以运行在m i c r o s o f tw i n d o w s 系统下的m a t l a b3 5 i 版本，1 9 9 2 年推出了m a t l a b4 0 版本，两年之后又推出了m a t l a b4 2 版本。m a t l a b4 x 版本除了保持和改善了原有的数值计算和图形功能以外，还新增了许多实用的新功能：( 1 ) 推出了s i m u l i n k 动态系统的建模、仿真和分析的集成仿真环境。s i m u l i n k 的出现提高了人们处理非线性因素和随机因素的能力。( 2 ) 增加了与外部直接进行数据交换的单元。( 3 ) 增加了符号运算软件包。( 4 ) 增加了n o t e b o o k ，这使得m a t l a b 和w o r d 文档能够更加容易地连接起来。随后，在1 9 9 7 年又推出了m a t l a b5 0 版本，1 9 9 9 年推出了m a t l a b5 3 s i m u l i n k3 0 版本。2 0 0 0 年推出了m a t l a b6 0 s i m u l i n k4 0 版本，一年之后，m a t l a b6 1 s i m u l i n k4 1 问世了。随后，又推出了m a t l a b6 5 s i m u l i n k5 0 。现在m a t l a b s i m u l i n k 最高的版本是m a t l a b7 6 即m a t l a b2 0 0 8 a 。随着版本的不断更新，m a t l a b 的功能不断完善，己不再仅仅是“矩阵实验室”，其功能齐备的应用工具箱、良好的用户界面、便捷的模块化动态仿真环境，使m a t l a b s i m u l i n k 成为国际上最为流行的科学计算以及系统仿真领域的系统软件工具。今天的m a t l a b 集数值计算、图形可视化、图像处理以及多媒体技术于一身，在航天、航空、军事、经济、交通、自动控制、通信、信号处理、系统优化设计等众多领域得到广泛的应用【2 8 】。现在，m a t l a b 已经成为国内外大学生和研究生进行学习以及6中国石油大学( 华东) 硕士学位论文科学研究时必须掌握的基本软件工具，在设计研究和工业部门，m a t l a b 也广泛应用于研究和解决各种实际的工程问题。m a t l a b 的一大特色就是功能强大的工具箱。m a t l a b 包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如c o n t r o lt o o l b o x ，s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ，c o m m u n i c a t i o nt o o l b o x 等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。工具箱的软件包，大大拓展了m a t l a b 的应用范围，反过来也提高了m a t l a b 的声誉。在直接转矩控制理论的基础上，利用m a = r i ，a b s m m l i n k 软件构建异步电动机直接转矩控制调速系统。对仿真模型中的定子磁链观测器模块和逆变器模块进行分析，得到空间电压矢量对磁链和转矩的作用及影响。通过对异步电机进行仿真实验，得到电压、电流、转速、转矩以及磁链的仿真波形f 2 9 】。针对常规p i d 控制器参数整定不良、适应性差、控制精度不理想的现状，提出的动态过程中参数自动整定的模糊p i d 控制系统可以利用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱，对系统进行仿真，根据仿真试验结果去判断模糊p i d 控制鲁棒性的好坏以及对控制精度的影响1 3 0 1 。s i m m e c h a n i c s 作为其中的一个工具箱，具有直观简便的优点，只要将机器人的几何尺寸、重心、质量、惯性等参数输入，即可得到动力学仿真结果，而不需要复杂的建模计算过程【3 。例如人机合作机器人利用m a t l a b 软件中的s i m m e c h a n i c s 和s i m u l i n k工具对自由模式和约束模式的动力学特性进行仿真研究，分析约束系统的性能对人机合作机器人工作性能的影响【3 2 】。对于一种新研制的4 自由度机器人，利用p r o e 软件建立机器人的二维模型，得到用于动力学计算的有关质量属性，借助于m a t l a b 软件的s i m m e c h a n i c s 仿真工具箱可以分析得到该机器人跟踪圆形轨迹时的关节力矩响应，进而利用二次样条插值的方法，得到时间力矩函数关系式，为以力矩补偿为前馈的控制模式提供了简便的数学模型1 3 3 l 。在m a t l a b 环境下，绘出机器人工作空间，利用r o b o t i c st o o l b o x 对机器人进行仿真建模，并对正、逆运动学进行实例仿真。通过仿真，分析机器人的运动情况，得到机器人在不同坐标空间的各种运动参数曲线和数据，验证连杆参数设计的合理性和运动算法的正确性，为机器人动力学、控制和规划的研究提供可靠的依据【3 4 1 。7第一章绪论在矢量控制的基本原理的基础上，结合m a t l a b 的s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱建立电动机矢量变频驱动系统模型1 3 1 1 ，从而得到机器人起动过程和动态调节过程的仿真缂果。目前，机器人的研究、设计、制造和应用，正受到许多国家的广泛重视，是一个匡家科技水平和经济实力的象征。基于m a t l a b 的机器人仿真系统作为机器人研究与设计的灵活方便、安全可靠的工具，发挥着重要的作用，它在机器人的诸多方面得到了广泛的应用。1 6 课题的研究目的及研究内容1 6 1 研究目的本论文的研究目标为：在理解油层电脉冲解堵造缝技术的基础上，对采用管道机器人实现油层电脉冲解堵造缝技术进行研究，完成对管道机器人的智能控制系统的研究和m a t l a b 仿真实验，并结合传统的p d 控制以及神经网络控制、模糊控制等现代智能控制理论对控制系统的控制策略进行改进；并使控制系统建立在多传感器信息融合基础之上。本课题的最终目标是：设计基于多传感器信息融合的管道机器人智能控制系统，使机器人能够实现独立地完成电脉冲对孔道进行解堵、形成微裂缝，从而达到提高储层的渗透率和油井采收率的目的。1 6 2 研究内容本论文的主要工作是完成对油层电脉冲解堵造缝管道机器人的智能控制系统的设计及m a t l a b 仿真研究。本论文的主要内容为在多传感器信息融合基础之上进行管道机器人控制系统控制策略的改进，提高控制系统的控制精度和智能化程度。主要包括以下几部分内容：第一章为绪论。阐述了本课题的研究背景和意义，在介绍了电脉冲解堵技术、管道机器人技术、机器人智能控制技术以及m a t l a b 仿真技术的研究现状和存在问题之后，提出了本论文的研究目标和研究内容。第二章为管道机器人实现电脉冲解堵造缝技术的研究。本章介绍了用于电脉冲解堵造缝技术的电脉冲解堵仪的组成和工作原理。针对当前电脉冲解堵仪实际应用中存在的局限性，采用管道机器人携带电极来解决。介绍了机器人的基本组成、技术参数以及本文用于油田解堵造缝的管道机器人的整体结构和工作原理。8中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第三章为管道机器人管道内运动模型的建立。为了便于对管道机器人控制、优化设计和仿真，本章介绍了管道机器人动力学模型建立的方法和描述管道机器人的井下运动动态性能的动力学方程。第四章为管道机器人的多传感器的信息融合。为了提高管道机器人控制系统的控制精度，需要对管道机器人多传感器采集到的信息进行融合。介绍了传感器技术和多传感器信息融合的主要方法，并对管道机器人采用的传感器和超声传感器的信息融合过程进行了阐述。第五章为管道机器人的智能控制系统的设计。本章基于多传感器信息融合的数据，对管道机器人智能控制系统的控制策略进行了改进和仿真。采用基于摩擦模型的补偿控制和基于死区的r b f 神经网络控制来对管道机器人的自适应机构进行控制。通过m a t l a b 仿真实验验证了新的控制方法提高了管道机器人的控制精度。9第二章管道机器人实现电脉冲解堵造缝技术的研究第二章管道机器人实现电脉冲解堵造缝技术的研究2 1 电脉冲解堵造缝技术2 1 1 电脉冲解堵仪的组成低频电脉冲解堵仪主要由地面部分和井下电脉冲放电仪组成，其结构示意图如图2 1 所示，电路原理图如图2 2 所示。图2 - 1 低频电脉冲解堵仪结构示意图f i 9 2 1s t r u c t u r es c h e m a t i co fl o wf r e q u e n c ye l e c t r i c a lp u l s ep l u gr e m o v a le q u i p m e n t媳亟蓦分并下电辣冲放电便图2 - 2 低频电脉冲解堵仪电路原理图f i 9 2 - 2c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo fl o wf r e q u e n c ye l e c t r i c a lp u l s ep l u gr e m o v a le q u i p m e n t2 1 2 电脉冲解堵仪的工作原理地面部分包括逆变主电路、驱动及保护电路、脉冲触发电路，采用半桥式i p m 逆变l o鼬f-、l、，、，、-、一p1ll蠛；供爷|；lr-prj厂rl，一一，中国石油大学( 华东) 硕士学位论文电源的主电路结构简单，其功率器件截止期间承受电压低，仅为输入直流电压值，抗不平衡能力强，见图2 2 中“地面部分” 1 0 1 。其工作原理为：两个i g b t 开关管轮流导通，则在变压器原边流过正负交替的换流电容充放电电流，从而在副边感应出交流电压，提供给井下电脉冲放电仪【3 5 1 。在此电路中，d l d 6 构成三相桥式整流电路，将3 8 0 v 交流电转换为直流电，c o 作滤波用，c l 、c 2 、s l 、s 2 构成半桥式d c a c 变换器，将直流电压逆变为2 5 0 v 、4 0 0 h z 的交流电压，并经变压器t l 送出，经电缆传输至井下电脉冲放电仪，其输出功率可达3 k w ，可满足井下仪器储能电容组充电的要求。井下电脉冲放电仪由升压变压器t 2 、整流二级管d 7 、d 8 、d 9 、d l o 、限流电阻r l 、储能电容c 3 、脉冲放电开关k 、放电电极g 等组成，见图2 2 中“井下电脉冲放电仪部分【l o l 。由升压变压器t 2 将2 5 0 v 交流电压升至5 0 0 0 v ，d 7 、d 8 、d 9 、d 1 0 、r z 、r l 构成升压变压器次级的整流滤波环节，将5 0 0 0 v 交流电整流为7 0 0 0 v 的直流电压，通过限流电阻r 对储能电容c 3 进行充电，通过调节地面触发电路，当储能电容充电电压充到预定电压时，由触发系统给出控制信号，由高压脉冲电路产生1 0 4 v 高压给放电开关k ，在脉冲开关内产生电火花，诱发放电开关导通，储能电容器所储电能则通过放电开关在瞬时通过放电电极g 对地放电【3 5 1 。放电的瞬间在井内液体中瞬时激发产生高强度的低频电脉冲波( 放电时压力可达6 0 m p a ) 和强电磁场，从而产生空化作用，可清除井眼附近地层中沉积堵塞物，并使地层产生新的微裂缝，进而使液体由滞留区向排液区流动，达到增产增注的目的。2 2 机器人技术2 2 1 机器人的定义机器人现在虽然已被广泛应用，且越来越受到人们的重视，而机器人这一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义【2 0 】。美国机器人协会所给出的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。这个定义实际上指的是工业机器人【2 5 】。一般地说，可以定义机器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人进行工作的机器。国际标准化组织( i s o ) 给出的机器人定义较为全面和准确，其定义涵盖如下内容【1 9 】：( 1 ) 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官( 肢体、感官等) 的功能。( 2 ) 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。第二章管道机器人实现电脉冲解堵造缝技术的研究( 3 ) 机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。( 4 ) 机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。2 2 2 机器人的基本组成作为一个系统机器人，一般由三部分、六个子系统组成，如图2 3 所示渊。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人环境交互系统、控制系统等。( 1 ) 驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动三种以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐波传动装置等与机械系统间接相连 2 0 1 。图2 - 3 机器人的基本组成图f i 9 2 - 3b a s i cc o m p o s i t i o no ft h er o b o t( 2 ) 机械系统机械系统又称操作机或执行机构系统，它由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统【2 3 】。工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端执行器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂( s i n g l er o b o ta r m ) 。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具【2 1 】。1 2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文( 3 ) 感知系统感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平 2 2 1 。人类的感知系统对感知外部世界的信息是极其灵巧的，然而对于一些特殊的信息，传感器比人类的感知系统更有效。( 4 ) 控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能【2 0 1 。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制【1 9 1 。( 5 ) 机器人环境交互系统工业机器人一环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统【2 5 1 。工业机器人可与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备及多个零件存储装置等集成为一个执行复杂任务的功能单元。( 6 ) 人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，例如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等【2 2 】。归纳起来人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。2 2 3 机器人的主要技术参数机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况【2 0 】，是选择、设计、应用机器人所必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有【3 6 】：自由度：指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。工作精度：包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。定位精度是指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。工作范围：指机器人末端操作器所能到达的区域。1 3第= 章管邀机* 实现自脉冲解堵造缒拄术的研究工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。224 油井解堵造缝的管道机器人整体结构及工作原理本课题用于油并电脉冲解堵造缝的管道机器人的整体结构硼如图2 _ 4 所示，主要部分为：变径制动轮总成、万向联轴节、套筒总成、丝杠螺母、柔性丝杠、机器人微调机构、电火花送进机构总成、旋转检测机构及电机0 7 4 ”。变牲剖动# 成万自硅轴 盐半4 胂 轴节蛾芦遘进艄甲始叩”尊虎柱# 一成靴丝札* 口如蓝转刍蚋万自k # f图2 一电脉冲解堵机器人机构总图f i 9 2 - 4c o n f i g u r a t i o nd 憎w m g o f e l e c t r i c a l i m p u l s e f o r p l u gr e m o v a la n d m a h a gs l o tr o b o t管道机器人可以在管道中双向运动，以其在管道中向右运动为例说明它的工作原理 3 8 1 0 其向右运动的过程是：右变径制动轮机构在其制动机构的作用下锁死，左变径制动轮机构保持原状态，步进电机正转，带动柔性丝杠转动，丝杠螺母在丝杠的带动下向右运动，从而带动左变径制动轮机构和套筒总成向右移动而右变径制动轮机构不动；机器人微调机构采用电磁工作原理，运用脉宽调制技术进行控制，带动其下面连接机构运动，从而使旋转检钡岍j 传感器与某孔眼处于同一水平面，利用通电的电机带动旋转装置旋转一定角度使送进电极深入孔眼，并通过电极送进机构电磁铁的交替运动使电极丝逐渐向前蠕动【州。当丝杠左端移动到套筒中的某个位置时，步进电机停止，进入一段延时，在这段很短的延时过程中左变径制动轮机构在其制动机构的作用下锁死，右变径制动轮机构的制动机构松开，然后步进电机反转，带动丝杠转动，推动右变径制动轮机构、电机、放电装置和丝杠整体向右运动，这样就完成了一个蠕动放