（机械电子工程专业论文）自适应模糊控制在石油钻机自动送钻系统的应用研究.pdf

中文摘要 论文题目：自适应模糊控制在石油钻机自动送钻系统的应用研究 专业：机械电子工程 霎壶嚣噶篡蓦鬟拳指导老师：韩成才( 签名) j 臻塑笙丑 摘要 在实际工程中，需控制的工程常常存在着不确定性、非线形、时变、时滞等特性， 要建立精确的数学模型往往较为困难。因此作为智能自动化的基础，智能控制应运而生。 其中，以模糊数学和模糊逻辑为基础的模糊控制在理论上和应用上较为成熟。本文将自 适应模糊控制应用于石油钻机的自动送钻系统，以求获得良好的计算机实时控制效果。 自动送钻实验系统分为模拟加载和自动送钻两个子系统。前者主要是模拟井下工况 给大钩安全加载；后者则是实现恒钻压条件下自动送钻。本文研究对象为前者，即将自 适应模糊控制策略应用于加载子系统。自适应模糊控制器是在简单模糊控制器的基础上， 增加了性能测量、控制量校正和控制规则修正三个功能块，因而在控制器内部引入了一 个“软反馈”。通过这个反馈在控制过程中不断地调整和改善控制器的控制性能，以使被 控过程的控制效果达到最佳。同时，为了验证自适应模糊控制应用于自动送钻系统的可 行性和优越性，作者还用p i d 控制和常规模糊控制算法进行对比实验。结果表明，自适 应模糊控制应用于自动送钻加载系统是可行的，且控制效果最好。本实验为自动送钻控 制系统研制更先进、更实用的控制方案奠定了基础，也为油田自动送钻控制的深入研究 和广泛应用起到了一些推动作用。 关键词：自动送钻系统加载子系统自适应模糊控制 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo fa d a p t i v ef u z z yc o n t r o lo na u t o m a t i cb i tf e e ds y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：q i uz h e n z h u ( s i g n a t u r e ) 靼厶伽2 “ i n s t r u c t o r h a nc h e n g c a i ( s i g n a t u r e ) 上刎锣阮j a b s4 ir a c i f o rm a n ye n g i n e e r i n gc o n t r o ls y s t e mi ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nap r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h es y s t e m i no r d e rt oo v e r c o m et h e s ed i f f i c u l t i e s ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l e m e r g e s t h e t h e o r yo ff u z z yc o n t r o l ，o nt h eb a s i so ff u z z ym a t h e m a t i c sa n df u z z yl o g i c ，i sr e l a t i v e l ym a t u r e ， a n du s e de f f e c t i v e l y t h i sp a p e rp r o p o s e st ou s ei n t e l l i g e n tc o n t r o li nt h ef i e l do faa u t o m a t i c b i tf e e ds y s t e mt oo b t a i nf a v o r a b l ec o n t r o le f f e c t a u t o m a t i cb i tf e e dl a bs y s t e mi sd i v i d e di n t ot w os u b s y s t e m s ，l o a d i n gs u b s y s t e ma n d a u t o m a t i cb i tf e e ds y s t e m ，t h ef o r m e ri su s e dt os i m u l a t et h el o a d i n gw e i g h to nt h eb i t ，w h i l e t h el a t t e rc o n t r o l st h ea u t o m a t i o nb i tf e e d t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e r n e dt h ef o r m e ro n e i n t h i ss c h e m e ，t h eh a r d w a r ed e s i g nm a i n l yc o n s i s t so fi n s t a l l a t i o no fh i g hp r e s s u r eo i lp i p e l i n e ， e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e ma n dd a t as a m p l i n gs y s t e m ；t h es o f t w a r ed e s i g ni s m a i n l ya i m e da ta d a p t i v ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i cp r o g r a m m i n g as o f t w a r ef e e d b a c k ， i n c l u d i n gm e a s u r i n gp e r f o r m a n c e ，a d j u s t i n gc o n t r o la n dm o d i f y i n gc o n t r o lr u l e s ，i si n t r o d u c e d i n t oa d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e r i tc a na d j u s ta n di m p r o v ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fa d a p t i v ef u z z y c o n t r o l l e r a tl a s t ，e x p e r i m e n t sw e r em a d ea n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v e f u z z yc o n t r o lo na u t o m a t i cb i tf e e ds y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e ，w h a t sm o r e ，t h es y s t e m h a sf h s t e rr e s p o n s ea n db e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n dt h ec o l n i a o n f u z z yc o n t r 0 1 t h ee x p e r i m e n t sg i v es o m eb a s i sf o ra d v a n c e dc o n t r o lp r o j e c t sf o ra u t o m a t i cb i t f e e d k e y w o r d s ：a u t o m a t i cb i tf e e da d a p t i v ef u z z yc o n t r o ll o a d i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：4 也公莲 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：t 叫 导师签名趣丝嗑 工 日期：型：墨：匿 日期：巡：! z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 本课题来源于西安石油学院石油机械实验室的实验设备改造项目一“电液伺服控制 钻机自动送钻系统的研究”。 使用传统的人工控制给进装置，要求司钻手扶刹把，眼看转盘和指重表，钻压完全 由司钻作用在刹把的力控制。司钻不仅体力消耗大，而且精神也常常处于紧张状态。怎 样把司钻从这种单调乏味的工作中解脱出来? 这就需要依靠自动送钻技术。 此外，为了提高机械钻速，提高井身质量，减少井下事故的发生以及降低钻井成本， 也迫切需要自动送钻技术。据统计，使用自动送钻装置比未使用自动送钻装置的钻机平 均钻时减少3 6 9 6 ，平均起下钻次数减少3 3 9 0 。因此，研究自动送钻技术具有十分 重要的现实意义。 自动送钻就是使钻头对井底的钻压保持设定的恒定值( 如钻压、转速、扭矩等) ，在 没有人直接参与操作的条件下实现钻头给进。如果能在井底钻压和滚筒刹车之间建立直 接或间接的自动控制关系，就可以实现自动送钻。 传统的控制理论采用数学解析模型，难于表达和处理有关被控对象的一些不确定信 息，不能利用人的经验知识、技巧和知觉推理，所以难以对复杂系统进行有效的控制。 而智能控制就是应用人工智能的理论和技术在未知环境下，仿效人的智能实现对系统 的控制。这是一个目前正在迅速发展的领域，各种形式的智能控制系统、智能控制器不 断的被开发和应用。 所以，本论文将在矿机教研室钻机实验台基础上将自适应模糊控制策略应用于自动 送钻实验装置中，并对装置中的加载子系统进行了实时控制。 1 2 自动送钻装置的国内外现状及发展趋势 1 2 1 自动送钻装置的分类 纵观世界各国自动送钴装置，可按以下五种方法进行分类：”1 1 ) 按控制钻井参数不同分类 可以分为恒钻压、恒钻速、恒扭矩、钻廿王与转速乘积值控制与调节。目前，上述四 种控制与调节方法，以恒钻压控制与调节应用最广泛。恒钻速和恒扭矩在近代已很少使 用。钻压与转速乘积值控制与调节主要用于最优化钻井。 2 ) 按控制系统主传动方式不同分类 可以分为机械式、气动式、液动式、电动式、电磁式、数字式。 3 ) 按安装位置不同分类 分为地面自动送钻装置和井下自动送钻装置。 4 ) 按执行机构小同分类 通过带刹车系统控制的自动送钻装置：自动送钻装置的执行机构是绞车的带刹车系 统，即自动送钻与刹车系统一体化。其刹车系统的性能直接影响自动送钻系统的工作性 两安石油大学硕十学位论文 能。目前，美国的各种自动送钻装置均采用一体化结构。 不通过带刹车系统控制的自动送钻装置：自动送钻装置的执行机构是专门设计的部 件，与带刹车无关。 5 ) 按所属部件不同分类 独立专用部件：专门设计的一套自动送钻装置成为一个独立专用部件。例如：美6 一b 型自动送钻装置、原苏联mj 1 一l 型自动送钻装置、罗马尼亚d a a s g 型自动送钻装置 等等。 利用石油钻机本身的部件自动给进：例如磁粉式电磁刹车，是钻机中的辅助刹车， 利用电气控制系统可实现自动给进。又如深海用的钻井船，为了实现恒钻压钻井，消除 海浪升沉的影响，在游车与大钩之间或在天车上装有升沉补偿器。利用升沉补偿器的恒 钻压工作原理，也可实现自动给进。 1 2 2 自动送钻装置的现状 随着钻机的日益发展和完善，钻机给进机构的自动化问题，在国外早已受到了人们 的重视。前苏联早在1 9 2 4 年就在阿塞拜疆油田第一次实现了钻头给进自动化。美国于 1 9 3 8 年在开特尔门油田首次使用了自动送钻装置。经过多年来的研制和发展，现在自动 送钻装置类型繁多，而以美国的技术和装置最为先进。如： 1 ) 美6 一b 型自动送钻装置 其特点是：钻压讯号的变化转化为气马达转速的改变，滚筒转速采用机械式反馈系 统，使用安全可靠，不受环境的影响，能正常连续钻井。 2 ) 美卫星型自动送钻装置 其特点是：气压驱动，机械反馈，使用安全可靠，适应各种地层岩石钻井的需要， 可以连续自动钻井。 3 ) 美g p 公司自动送钻装置和美国c a t 型自动送钻装置 其特点是：气驱动，气反馈，是一种全气动自动送钻装置。 4 ) 美国v a r c om dt o t c o 公司新型电子自动送钻装置。、4 1 近几年来，美国v a r c om dt o t c o 公司在现有自动送钻装置的技术基础上开发创新， 试验成功新型电子自动送钻装置，实现了连续均匀自动送钻，大大地提高了钻井质量、效 率和速度，成为目前世界上较先进的新型自动送钴装置。 这种新型电子自动送钻装置，由电子触屏输入输出开关、控制器、信息( 钻压等钻井 参数) 反馈系统和计算机控多盘刹车等4 个部分组成。在电子触屏面上，可选择的钻井参 数有钻压、压差、机械钻速、钻杆扭矩、游车最高和最低限位。这些参数可以以坐标和 数字两种形式同时在电子触屏面上显示。还可以以数字形式显示顶驱的工作转速。控制 器接受电子触屏输入输出开关的指令，同时接受反馈系统传递的钻井参数变化信息，并进 行计算、分析和比较之后，再发出指令给计算机控多盘刹车，改变刹车的工作转速或保持 一定的匀速转速进行自动送钻。其具有优良的钻井性能；自动送钻均匀；起下钻和下套 第一章绪论 管作业性能良好：电子控制系统动作灵敏：监控钻井参数多等优点。 另外，其它国家也研制开发了多种自动送钻装置。如： 1 ) 原苏联m 以丑一l 型自动送钻装置 其特点是：钻压变化通过死绳传感器转化为液压讯号，与司钻给定的钻压值进行比 较；输出气讯号控制增速箱上面的击4 0 0 r a m 摩擦轮，再通过传动比为2 7 6 3 增速箱和传 动比为1 7 链条传动副驱动绞车的滚筒轴；进行自动送钻。 2 ) 原苏联pj i 一3 型自动送钻装置 其特点是：该装置的总体方案是一种带磁力放大器的发电机一电动机直流电驱动式自 动送钻装置。主传动方式为电气式。经过现场使用效果较好，自动给进精度较高，使用 安全可靠。但是结构复杂，造价高。 我国自动送钻技术起步较晚，通过吸收国外同类型产品的优点和考虑国内矿场装备 的实际情况，也研制开发了国产的自动送钻装置。如： 1 ) q j i 型自动送钻装置“1 q j i 型自动送钻装置( 示意图见图卜1 ) 由仪表( 控制) 部分和机械( 执行与反馈) 部分两部分组成。12 3 4 当钻头钻压减小时，大钩拉力增大，即 死绳拉力增大，死绳固定器传出的液压力也 增大。于是，传到液压转换装置布尔登管内， 的液压力也增大。由于布尔登管的一端固定， 另一端自由，增大的液压力使得布尔登管的小 自由端扩张，与其连接的挡板将绕其支点顺：。 时针转动，靠近喷嘴，使隔膜放气阀的隔膜5 、 存在压力，推动针阀下行。于是通往双向阀6 、 的通路被沟通。当双向阀的手柄上提时，低“ 压气体进入调节阀，使调节阀的隔膜往上推， 。 带动阎杆上行。于是来自总气源的压缩空气 通过调节阀进入气马达。气马达开始转动，图卜 0 j i 型自动送钻装置 带动差速齿轮箱，这时太阳轮带动行星轮转动。当双向阀上提，摩擦轮气缸通气后，在 气压作用下摩擦轮不转动，而内齿轮转动并带动扇型齿轮，使输出轴转动。安全弹簧受 压缩，刹车杠杆向上，刹带松开，滚筒在钢丝绳拉力作用下开始转动，即产生送钻。滚 筒转动同时，摩擦轮随之转动，反馈输入转动。由于传动比和传动方向的关系，太阳轮 相当于反馈输入。此时，输出轴上暂没有输入，于是，安全弹簧的弹簧力作用在刹把上， 使其向下运动，刹带张紧，随即滚筒受制约；同时，摩擦轮在气缸力作用下也停止了转 动，送钻终止。 在送钻过程中，只要钻压尚未到达调节的预定值，死绳固定器传出的液压力仍继续 西安石油大学硕士学位论文 增大，送钻将持续进行，直到钻压超过预定值为止。适合钻速为 2 0 1 m h 的钻井场所。 该装置还具有安装简便，操作容易，工作安全，送钻平稳、可靠等优点。 2 ) a d e i 型自动送钻装置” a d e i 型自动送钻装置( 示意图见图卜2 ) 是由兰州石油化工机器总厂与吴忠仪表厂在 参考国外自动送钻装置的基础上联合开发的 新产品，自动恒钻压绘进，是一种全气动送 钻装置。 压缩空气经过过滤器进入自动送钻装 置。装在死绳上的应力变送器连续地把大钩 负荷变化的信号转换成气压信号，送给差压 变送器，并与人为给定的气压信号进行比较。 当悬重变化信号大于人为给定信号时，差压 变送器开始输出气压信号。经节流阀到继气 器，进行功率放大，再输出工作气压到执行 机构的气缸，推动杠杆，克服刹把下的弹簧 力，并慢慢地抬起刹把，进行自动送钻。当 钻柱靠自重开始下放，带动绞车滚筒轮旋转 1 j 1 2 1 1 1 0 9 1 、2 、过滤器3 、继动器4 、杠杆 5 、执行机构6 、钢丝绳7 、加力机构 8 、刹把9 、绞车滚筒1 0 、摩攘轮 1 l 、反馈机构1 2 、气瓶1 3 、应力变送器 1 4 、死蝇1 5 、操作开关1 6 、双针表 1 7 、差压变送器1 8 、饭压阀l9 、压力表 图1 - 2a d e i 型自动送钻装置 时靠在滚筒轮侧边的反馈机构轮( 旋转阀) 也开始转动，使其不定量的排气，平衡气压， 直到气压维持到平衡状态，才呈现正常钻进。若地层松软，钻进较快，则滚筒旋转也快， 反馈机构摩擦轮也随着加快旋转，放气速度加快，使压力不断降低，执行机构的拉力减 小。从而弓1 发绞车产生一部分刹车动作，降低了滚筒的转速。这样反复地无级地调节刹 把抬起的程度，也就完成了自动送钻的整个过程。 该装置本身没有复杂的机械、电气、液压等特殊系统，都属于成熟技术。其结构简 单、尺寸小，使用安全可靠。 1 2 ，3 自动送钻装置的发展趋势 从钻井发展历史来看，整个钻井控制的发展大致可分为三个阶段，即司钻控制阶段、 自动控制阶段、全面最优化自动控制阶段。就世界范围来讲，五十年代以前为司钻控制 阶段，五十七十年代，由于喷射式钻井工艺技术的应用，钻井速度有了很大提高，对 钻井机械化、自动化有了迫切要求，并采用了自动送钻装置，成为自动控制阶段。七十 年代以后，由于电子技术和自动化技术的应用与发展，出现了最优化钻井，开始时只是 在部分钻井参数上优化，其发展方向是全面最优化自动控制钻井。 自动控制给进的缺点在于，只能根据司钻给定的钻压值进行恒钻压钻井，钻井的其 它参数均不是最优值。给定的钻压值不能根据地层的变化而合理的改变，也不是最优值， 所以钻并效率、钻井成本、钻井速度等指标均不是最优值，也不是最优的经济效益。全 4 第一章绪论 面最优化钻井，各种参数在钻井过程中均在变化，并且保持着最优值钻井，所以具有最 优的经济效益。 全面最优化自动控制钻井由参数测量记录显示系统、综合电子计算机中心、自动送 钻装置三部分组成。”1 1 ) 参数测量、记录、显示并输入综合电子计算中心：采用随钻测量方式，实时进行 测量，收集钻井过程中的各种钻井参数，一方面自动记录，一方面显示，同时还输入综 合电子计算机中心，进行计算和选择最优值。 2 ) 综合电子计算机中心：计算机中存储了钻各种地层的参数方程式，可将钻井过程 中收集的钻井参数进行计算，并可对参数进行最优化选择，如果其中某些参数不是最优 值时，例如：钻速、钻头磨损、钻井成本、进尺与钻速的乘积值、行程钻速以及其它参 数如钻压、泵压、泥浆性能、转盘转速等等，计算机中心将发出指令，指示自动送钻装 置，改变某参数为最优值。 3 ) 自动送钻装置：接受综合电子计算机中心传来的指令，改变钻井参数，保持各种 钻井参数均为最优值实现钻井。该自动送钻装置与前面介绍的几种自动送钻装置有很大 区别，前几种是一种参数钻压，对于各种地层来讲也不是最优值。全面最优化自动送钻 装置是多参数最优化自动控制，其系统与结构要复杂的多。 目前，美国已完成了部分的钻井参数最优化自动控制钻井，如自动控制泥浆比重、 转速等等，已在现场使用，但尚未推广应用。我们相信，随着钻井技术的不断发展，石 油钻机将会不断更新，在不久的将来，一定会实现全面最优化自动控制钻井，将会给钻 井带来更大的经济效益。 1 3 本论文的研究内容 本论文基于对现有自动送钻装置的调研和分析，把自适应模糊控制算法引入自动送 钻实验系统的加载子系统中，用以改善自动送钻实验装置的性能，提高自动送钻实验装 置复现实际钻井工况的能力。其主要研究内容为： 1 ) 自动送钻装置技术分析研究； 2 ) 自动送钻实验系统建立与完善；( 包括加载子系统和送钻子系统) 3 ) 加载子系统的控制算法的建立及配套的软件开发； 4 ) 自动送钻加载实验。通过实验证明采用白适应模糊控制策略对系统实施加载控制 是成功而有效的：与常规模糊控制和p i d 控制算法进行的加载进行相比较而言具有优越 性。 西安t i 油大学硕士学位论文 第二章自动送钻实验系统分析 2 1 自动送钻系统硬件组成和工作原理 2 1 1 自动送钻系统硬件组成 自动实验系统的整个实验装置包括加载和送钻两个子系统。系统的原理图见图2 一l 所示。在该系统中，加载子系统用于模拟井下工作环境来给大钩安全加载，送钻子系统 模拟实现恒钻压条件下自动送钻控制。 加载子系统 图2 - 1自动送钻实验系统原理图 6 第一章 自动送钻实验系统分析 2 1 2 加载子系统工作原理 加载子系统方框图如图2 2 所示 驾r 医卜埋兰二里 卜磊 图2 - 2 加载子系统方框图 给加载控制器输入给定信号，即模拟井下工况产生加载钴压，通过d a 转换将数字 信号转换成模拟信号( 电压信号) ，输出到伺服放大器将电压信号放大转换为电流信号， 电流信号控制电液伺服阀的流量，进而控制液压缸杆的伸缩长度，牵引钢绳加载钻机吊 环，完成加载钻压。同时，钢绳上的拉力传感器将力信号转换成电压信号，通过称重显 示仪( a d 转换) ，将模拟电压信号转换为数字信号输入到计算机( 控制器) 加以控制， 使系统响应跟踪给定信号，完成闭环控制。由此可见，加载子系统主要是模拟井下工作 环境来给大钩进行安全加载。 2 1 3 送钻子系统工作原理 送钻子系统方框图如图2 3 所示： 图2 - 3 送钻子系统方框图 控制器输出量通过d a 转换，将数字信号转换成模拟信号( 电压信号) ，再通过伺服 放大器将电压信号放大转换为电流信号，电流信号控制电液伺服阀的流量，进而控制液 压缸的伸缩量。由液压缸来控制制动闸瓦与滚轴的微小距离，通过减速箱和绞车等传动 西安石油犬学硕十学位论文 机构，从而控制大钩下钻的快慢。同时，大钩钢绳上的拉力传感器将瞬时钻压力信号转 换成电压信号，并通过称重显示仪转换为数字信号输入计算机( 控制器) 加以控制，使 瞬时钻压趋近给定钻压，完成恒钻压闭环控制。由此可见，送钻子系统用于实现恒钻压 条件下自动送钻控制。 2 2 自动送钻系统控制方案分析 2 2 1 加载子系统控制方案分析 加载子系统为一电液伺服控制系统。由于井底钻压的不确定性、系统中各环节固有 的非线形，难以建立起系统精确的数学模型，因此用传统控制方法和现代控制方法很难对 系统实现有效的实时控制。模糊控制方法不需要建立精确的数学模型，他把人的经验定 量化即数学化，使之能准确模拟人的思维进行操作。然而，常规的模糊控制器并不具有 在线调整模糊控制规则的能力，模糊控制规则或者粗糙或者不够完善都会不同程度地影 响控制效果。为了克服这种局限性，就必须使模糊控制器具有自适应和自学习的能力。 所以本系统控制方案选用自适应模糊控制器，使得系统在运行过程中不断修改自己的控 制规则，从而改善系统的控制性能。 2 2 2 送钻子系统控制方案分析 送钻子系统同样为一电液伺服控制系统，由于井底钻压的不确定性和系统中各个环 节如钢丝绳、绞车、减速箱等固有的非线形，难以建立起系统精确的数学模型，因此用 传统控制方法和现代控制方法很难对系统实现有效控制。同样，常规模糊控制器具有上 述的局限性。所以，送钻子系统也应选用与之适应的自适应模糊控制方法。 2 3 自动送钻系统主要部件及其参数 2 3 1 加载子系统的主要组成部件 1 ) 3 n 载用微机 型号 2 ) d a 转换装置 d a 转换板型号 输出通道数 d a 分辨率 输出电压范围 数据传输方式 建立时间 输出电流 工作温度范围 存储温度范围 湿度范围 主机电源消耗功率 a s tp o w e rp r e m i u m3 3 3 h y 一6 0 2 0 1 路 1 2 b i t 5 v 软件查询方式和中断方式 6 0 。c 9 ) 实验井架 型号 z j 3 2 有效承载能力2 0 0 0 0 牛 2 3 2 送钻子系统的主要组成部件 1 ) 送钻用微机 2 ) d a 转换装置( 参见加载子系统部分) 3 ) t y x 伺服控制器( 参见加载子系统部分) 4 ) 送钻用电液伺服阎 电液伺服阀型号 f f l 0 6 a 一2 3 4 额定电流 7 5 l a 额定流量 + 1 0 2 1 0 7 l m i n 幅频宽 6 0 h z 相频宽80hz l n 第二章自动送钻实验系统分析 压力增益1 0 0 非线性度 3 迟滞4 分辨率0 2 5 ) 送钻用液压缸 油缸型号s f g l 6 s4 0 2 2 3 0 0 额定工作压力 1 6 m p a 强度压力 2 5 m p a 作动简工作形式双向 活塞杆输出力 o 1 4 k n 活塞杆工作行程3 0 0 m m 6 ) 拉力传感器( 参见加载子系统部分) 7 ) a d 转换装置( 参见加载子系统部分) 8 ) 液压源( 参见加载子系统部分) 9 ) 减速箱 传动比 3 l l o ) 制动器 型号 制动力矩 t j 2 2 1 1 1 6 公斤米 西安右油人学硕士学位论文 第三章智能控制器设计 3 1 智能控制概述 3 1 1 控制理论的发展 随着生产的发展，控制技术也在不断地发展。尤其是计算机的更新换代，更加推动了 控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：“” 第一阶段时间为本世纪4 0 一6 0 年代，称为“古典控制理论”时期。主要采用传递 函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法。所研究的系统多半是线形定常系统，对 非线形系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量。古典控制理论能够较好地 解决生产过程中的单输入单输出问题。 第二阶段时间为本世纪6 0 7 0 年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期由于 计算机的飞速发展，推动了空问技术的发展。古典控制理论中的高阶常微分方程可转化 为一阶微分方程组，用以描述系统的动态方程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决 多输入多输出问题。系统既可以是线形的、定常的，也可以是非线形的、时变的。 第三阶段时间为2 0 世纪7 0 年代末至今。7 0 年代末，控制理论向着“智能控制” 方向发展。“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研 制具有某些防人智能的工程控制与信息处理系统。目前，智能控制中一个较为重视的问 题就是用自然语言进行人机对话。随着自动控制技术和计算机技术的迅速发展，智能控 制的崛起，人们不仅从繁重的体力劳动中解放出来而且也可以不断地从复杂的脑力劳 动解脱出来。 3 1 2 智能控制的基本结构 目前已经提出了很多种类的智能和智能控 制系统的结构，但真正实现的还为数不多。图 3 1 表示了智能系统的一般结构。它由六个部分 组成，图中箭头表示了它们之间的关系。现将各 部分功能简述于下：【l 5 1 1 ) 传感器传感器产生智能系统的输入， 用来监测外部环境和系统本身的状态，并向感知 信息处理器提供输入。 2 ) 感知处理器在该感知信息单元中产生 感知。它将传感器观测到的信号与内部的环境模 型产生的期望值进行比较。 3 ) 环境模型是智能系统对环境状态的最 佳估计。该模型包括有关环境的知识库、存储与 检索信息的数据库及其管理系统，还包含能产生图3 1智能系统的一般结构 期望值的预测的仿真功能。环境模型通过感知信息处理系统一直进行更新。 第_ 二章智能控制器设计 4 ) 判值部件它决定好与坏、奖与罚、重要与平儿、确定与不确定。若无判值系统， 任何人工智能系统将会做出不适宜的动作而遭受毁坏。 5 ) 行为发生器行为由行为发生器产生，它选择目标、规划和执行任务。行为发生 器也监督规划的执行，当情况需要时，也可修改规划。 6 ) 执行器它是系统的输出，对外界对象发生作用。 智能现象要求有一个互连的系统结构，使得系统中各部件以密切和复杂的方式互相 作用和通信。图3 一l 所示的系统结构清晰地表示了个部件之间的功能关系和信息流。 智能系统是非常复杂的。从控制的角度来说，智能可以定义为有知识的“行为舵手”。 它把知识和反馈融合，形成具有感知交互、目标导向的控制系统，使系统能制定规划并 产生有效的和有目的行动以达到给定的目标。 3 1 3 智能控制的类型 智能控制是目前正在迅速发展的一个领域，各种形式的智能控制系统、智能控制器 不断地被开发和应用。现把目前常见的几种类型归纳如下：“” 1 ) 多级递阶智能控制 多级递阶智能控制是指具有按智能程度的高低分为智能组织级、协调级和运行控制 级结构的控制形式。这种控制系统遵循级别随“智能增加而相应精度降低”的原则。处 于最低级的运行控制级必须以足够高的精度执行子系统的控制任务，满足某一局部的性 能指标要求；作为次高级的协调级用于协调各子系统之间的控制关系，只要求较低的运 算精度，但要有较高的决策能力，甚至要具有一定的学习功能；最高级的智能组织级作 为语言的组织者，具有相应的组织、学习和综合决策能力。 2 ) 专家智能控制 该控制将专家系统的理论和技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿 效专家的智能，实现对系统的控制。它对环境的变化有很强的自适应能力和自学习功能， 具有高可靠性及长期运行的连续性、在线控制的实时性等特点。因此，它是智能控制发 展中一个极有应用前途的方向。 3 ) 仿人智能控制 该控制所要研究的主要目标不是被控对象，而是控制器本身，研究控制器的结构和 功能如何更好地从宏观上模拟控制专家大脑的结构功能和行为功能。 4 ) 自学习智能控制 通过在线实时学习，自动获取知识，并能将所学到的知识用来不断改善对于一个具 有未知特征过程的控制性能。该控制系统的关键部分是自学习控制器，它包括选例器、 知识库、学习器、推理机和监督器五个环节。 5 ) 基于神经网络的智能控制 是从研究和模拟入的神经元网络结构、功能以及传递、处理和控制信息的机理出发 而设计的控制系统。它具有很多优异的性能，如具有很强的学习能力；求解问题时间短， 曲安石油人学硕十学位论文 能满足实时性要求；鲁棒性和容错性相当好等。这种控制系统是目前智能控制系统的一 种较高级形式。 6 ) 模糊控制 是基于模糊集合论，模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用的控制方法。模糊控 制系统也是一种智能控制系统。它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑 规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字 控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。 7 ) 组合智能控制 该控制系统的目标是把各种智能控制技术有机地组合起来，以便取长补短，提高整 体优势。这是一种尚待进一步开发的类型。 鉴于智能控制位于多学科的结合点，又处于发展阶段，所以还有可能出现新的其它 形式的智能控制。但是，著名的自动控制权威a u s t r o m 曾经指出，模糊控制，神经网络 控制与专家控制是三种典型的智能控制方法。自动送钻实验系统采用的是模糊控制，下 面我们详细讨论这种控制器的构成和基本原理。 3 2 基本模糊控制器 3 2 1 模糊控制的产生 经过人们长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题 是很有效的。基于状态变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性、定常或时变的 多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用。但是，应该指出，无论采用经典控制理论 还是现代控制理论设计一个控制系统，都需要事先知道被控制对象( 或生产过程) 精确 的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制 系统设计。然而，在很多情况下被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型很难建立。例 如，有些对象难以用一般的物理和化学方面的规律来描述，有的影响因素很多，而且相 互之间又有交叉耦合，使其模型十分复杂，难以求解以至于没有实用价值。与此相反， 对于上述难以自动控制的一些生产过程，有经验的操作人员进行手动控制，却可以收到 令人满意的效果。在样的事实面前，人们又重新研究和考虑人的控制行为有什么特点， 能否对于无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。1 9 7 3 年， 著名的控制论专家z a d e h 教授创立了模糊数学并给出了模糊逻辑控制器的定义和定理， 为模糊控制奠定了基础。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a nj 首先利用模糊控制语句组成模糊 控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室中获得成功。这一开拓性的工作 标志着模糊控制论的诞生。 3 2 2 模糊控制系统的组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式。因此，模糊控制系统的组成类同于一般 的数字控制系统，其方框图如图3 2 所示。 第三章智能控制器最计 女 图3 - 2 模糊控制系统框图 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： 1 ) 模糊控制器：实际上是一台微计算机，根据控制需要，既可选用系统机，又可选 用单板机或单片机。 2 ) 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号量， 并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行枫 构去控制被控对象。在i 0 接口装置中，除a d 、d a 转换外，还包括必要的电平转换线 路。 3 ) 广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线形或非线性的，定常或 时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。还 须指出，被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排斥有较精确的 数学模型的被控对象也可以采用模糊控制方案。 4 ) 传感器：传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号( 模拟的或数 字的) 的一类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、浓度、湿度等。传 感器在模糊控制系统中的占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的 精度。因此，在选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器 3 2 3 模糊控制的基本原理 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量 选择输入变量为误差e 及误差的变化e c ，输出变量为控制量u 。通常把模糊控制输 入变量的个数称为模糊控制器的维数，因此它是一个二维模糊控制器。 2 ) 确定模糊变量的赋值表 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量 状态的一些词汇的集合，称为这些变量的模糊集。般说来，人们总是习惯把事物分为 三个等级，如物体的大小可分为大、中、小；运动速度分为快、中、慢；年龄的大小分 为老、中、青等。所以选用“大、中、小”三个词汇来描述输入输出变量的状态。再由 于人的行为在正负两个方向的判断是基本上是对称的，将大、中、小再加上正负两个方 向并考虑变量的零状态，共有七个词汇，即 西安石油大学硕上学位论文 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大) 选择较多的词汇描述输入、输出变量，虽然使制定控制规则更方便，但控制规则相 应变得更复杂。选词过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。一般情况 下，选择上述七个词汇即可。但对于误差e 这个输入变量，为了更好的描述趋近于零的 状态常将“零”分为“正零”和“负零”，这样模糊集变为 负大、负中、负小、负零、正零、正小、正中、正大 上述误差e 、误差变化e c 及控制量u 模糊集用英文表示如下： e 的模糊集为( n b ，n m ，n s ，n o ，p 0 ，p s ，p m ，p b 】 e c 的模糊集为 n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p bl u 的模糊集为 n b ，n m ，n s ，0 ，p s ，p m ，p b 其中n = n e g a t i v e ，p = p o s i t i v e ，b = b i g ，s = s m a l l ，o = z e r o 设误差e 的论域为e ，误差变化e c 的论域为e c ，控制量u 的论域为u 。我们一般选 取论域中元素个数为模糊子集的二倍，即定义各模糊变量的论域如下： e 的论域为卜6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，一0 ，+ o ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) e c 的论域为 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 u 的论域为 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 模糊变量误差e 、误差变化e c 及控制量u 的模糊集和论域确定后，须对模糊语言变 量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值。从自动控制的角度来说，希望一个控制系统 在整个要求范围内都能很好的实现控制。因此在选择描述某一模糊变量的各个模糊子集 时，要使他们在论域上的分布合理，即它们应该较好的覆盖整个论域。在定义这些模糊 子集时，要注意使论域中任何一点对这些模糊子集的隶属度的最大值不能太小，否则会 在这样的点附近出现不灵敏区，以至于造成失控，使模糊控制系统控制性能变坏。对于 本系统，模糊变量误差e 、误差变化e c 及控制量u 的赋值表分别如表3 1 、3 2 、3 3 所 不： 表3 - 1 模糊变量e 的赋值表 e ：“：e一65432一lo+ 0l23 4 5 6 0 2 o o o o o o l 0 8 7 m m 0 o o 0 0 0 4 0 1 0 o 0 0 o o 1 o 1 7 5 o o 0 o 0 o o o 2 o l o 0 o 0 0 0 1 0 8 6 o o o o o o 0 0 3 o 0 0 o o 0 0 o l o 3 o o 0 o 0 o l o 6 8 o o o o o o o o 1 0 2 o o o o o 0 l o 5 7 1 o o o o o 0 o o 1 o 4 o o o o o 0 l 0 7 8 o 0 o o o o o o 2 o o o o o 0 o 0 l b m s o o s m b p p p p n n n n 第三章智能控制器设计 奏! ：! 堡塑变萋! 塑壁堡墨 u ：p ：u 一654321 0123456 p b p m p s o n s n m n b 1 00 80 40 100 00000 00 3 - 4 。 3 ) 建立模糊控制器的控制规则 现将操作者在操作过程中要遇到的各种可能出现的情况和相应的控制策略汇总为表 表3 - 4 模糊控制规则表 e ：u ：e cn bn m n s0p s p mp b mhw_一一一1“ n bp bp b p bp bp m00 n m n s n o p o p s p m p b p m p m 蹦 p s o p b p m p m p m p s o p b p m p s p s o n m p b p m o 0 n m n b p m o n s n s n m n b 0 n s n m n m n m n b o n s n m n m n m n b 一旦一一 ! 一j咧一j 旦型曼一一埋一旦l 1 7 c ：卫0 o o o l o 旭j o o o 0 0 o 加“o o 0 o 1 o 1 7 o o o 0 0 0 0 0 2 o o 0 0 o o l4 5 o o o o o 00 o 0 0 o o le u 4 o o o o o o0 2 o 0 o o 1 0 8 7 o 0 o o n n 4 o 0 o 0 o 0 1 1 7 o 0 0 o 0 o2 o o 0 0 0 o 疆安石油大学硕七学位论文 下面说明建立模糊控制规则表的基本思想。首先考虑误差为负的情况。当误差为负 大时，若当误差变化为负，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制 误差变大，所以控制量的变化取正大。 当误差为负而误差变化为正时，系统本身已有减少误差的趋势，所以为尽快减少误 差而又不超调，应取较小的控制量。由上表看出，当误差为负大且误差变化为正小时， 控制量的变化取为正中。若误差变化为正大或正中时，控制量不宜增加，否则造成超调 会产生正误差，因此这时控制量变化取为0 等级。 当误差为负中时，控制量的变化应该使误差尽快消除，基于这种原则，控制量的变 化选取同误差为负大时相同。 当误差为负小时，系统接近稳态，若误差变化为负时，选取控制量变化为正中，以 抑制误差往负方向变化；若误差变化为正时，系统本身有趋势消除负小的误差，选取控 制量变化为正小即