石油鉆井機自動送鉆系統控制的影響因素和優化對策

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因為模糊控制欲常規PID 控制方式的適應能力較強，所以本文基于此設計了一種將常規PID控制器與自調整模糊控制相結合的復合控制器，然后通過在線自調整控制參數，能夠使系統具有更好的自適應控制，具有良好的動靜態特性。

1 鉆井機自動送鉆系統控制模型

鉆機的主要運動部分主要是由水平旋轉、縱向運動兩個部分所組合而成。其中，水平旋轉運動主要是由動力機組來帶動鉆桿上的轉盤實現水平旋轉，從而可以帶動境地的鉆頭進行旋轉，在旋轉過程中會將巖石打碎，從而保證鉆頭可以持續向下推進。而縱向運動這一部分則是由絞車帶動，并且通過游車能夠將整個鉆具帶動起來，所以縱向運動主要是負責氣盛鉆具和鉆具的下降。

在鉆井機進行自動送鉆的過程中，其控制鉆速的對象是送鉆絞車，而其主要是通過交流變頻器來控制送鉆電機的轉速，因為交流電機模型具有眾多特點，例如，強耦合、高階非線性以及多變量等，因此，為了能夠提高電機的動靜態特性，本文通過矢量控制的方式來控制鉆速。

2 雙閉環自動送鉆的工作原理

2.1 交流變頻自動送鉆的原理

在交流變頻的自動送鉆系統中，可以將其分為主電機送鉆系統和輔助小電機自動送鉆系統。其中，小電機自動送鉆系統具有反應迅速的特點，能夠及時的應對各種突發狀況，所以在當前已經成為了交流變頻自動送鉆系統的研究方向[1]。其工作原理為：死繩傳感器可以實時接收鉆壓信息，而在接收到信息之后將會把鉆壓信息與設定鉆壓之間進行對比，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施處理，然后會將處理結果傳遞到交流變頻器，而通過變頻器中的變頻調速單元可以控制絞車的送鉆電機轉速，最終對送鉆鉆壓實現實時控制。

2.2 雙閉環自動送鉆系統的工作原理

自動送鉆系統需要控制的對象主要有鉆速、鉆壓，但是因為這幾項控制內容存在著眾多的影響因素，所以在進行控制的過程中，參數會發生隨機改變，從而導致數學模型難以建立。所以，結合交流變頻自動原理，建立雙閉環自動送鉆系統。其中，內環是鉆速控制環，在提高系統的響應速度的同時，還可以使非線性得到良好的改善。而外環是通過鉆壓環，然后采用復合控制器實現控制的目的。

3 參數自調整模糊控制控制器

3.1 參數整定原理

雖然參數自調整模糊控制器的動態特性相對較好，但其穩定性較差。PID 控制器則剛好與參數自調整模糊控制器相反，因此通過將其進行結合，組成參數自調整模糊PID復合控制器，從而使控制系統既具有穩態特性，同時還具有動態特性。[2]。

參數自調整模糊控制器主要是通過模糊數學中的知識，對已知參數和條件進行模糊化處理，然后將信息儲存到計算機庫內，并在計算機中對于信息開展處理，并在模糊推理機中對其實施模糊處理，之后就可以獲取最優PID參數。

3.2 設計模糊控制規則

在對模糊控制器進行設計的時候，其設計的內容在于制定模糊規則。在模糊控制器內，模糊控制規則能夠將輸入和輸出之間建立聯系，而對于模糊推理原則在制定的時候，主要是通過誤差和誤差的變化率大小作為依據。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，其選擇重點在于避免發生超調，并以系統穩定性來作為控制目的。本文通過比較模糊判決方法，選擇中心法[3]。通過分析參數對于控制系統輸出的影響，可以得到參數自整定規則：

（1）當e 相對較大的情況下，在此時控制會以加快響應速度、減小穩態誤差為主要目的，因此這時要選擇相對較小的Kd值、較大的Kp值。另外，為了能夠避免因為積分飽和而出現超調量過大問題，所以需要選擇相對較小的Ki。

（2）當e的大小處于中等時，進行控制的主要目的是為了減小超調量。因此，需要選擇較小的Ki值。而要想保障其具有相應的快速性，那么Kp、Kd就必須要適中。

（3）當e的大小處于較小情況下時，為了能夠保證系統最大程度上的穩定性，就需要加大Kp、Ki，而要想避免設定值周圍出現振蕩的情況，就需要加大系統自身的抗干擾性，Kd在此時將會有ec來決定。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink 工具箱進行仿真分析，在實際開展鉆井工作中，需要嚴格控制鉆壓的誤差分范圍，也就是誤差的基本論域。同時，盡可能的避免負誤差的出現，因為負誤差會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]，因為鉆壓的隨機性相對較大，并且同時還會受到許多因素的影響，所以，石油井底的參數變化將會極其容易出現鉆壓誤差。因此，在對于仿真參數進行設置的過程中，需要與鉆井人員的工作經驗形結合，將鉆壓設定值設為20t，所以在仿真過程中，需要設置為20t 來作為階躍信號幅值。

如下圖一所示為采取不同PID參數控制之后的曲線圖，從下圖中能夠看出，在采用曲線1控制的過程中，此時的鉆壓出現了明顯的振蕩、超調，并且需要較長的時間進行調整；而基于曲線2得到的參數，鉆壓的變化相對較為穩定，并且未發生超調。所以，利用常規PID 實施控制的過程中，選擇的參數將會直接影響到控制系統，并且在調節參數的時候，只能進行手動調節，這會對參數調節的效率造成嚴重影響。

圖一 常規PID控制仿真曲線

在相同條件下，負荷控制與常規PID控制的對比曲線。常規PID 控制其鉆壓出現了十分明顯的振蕩，超調量大約為9.3%，其誤差最大為1.85t，其調整時間則大概處于6.5s以內；該鉆壓幾乎未出現超調、振蕩的問題，而超調量則大約是1.8%，誤差是0.36t，在達到穩態所需要的調整時間是2.3s。通過對比上述的數據，可以發現，負荷控制器具有更好的控制效果，所以，在石油鉆井機的自動送鉆控制系統中采用復合控制器，可以獲得更好的控制效果。

5 結語

綜上所述，石油鉆機自動送鉆控制系統主要是基于石油的鉆井工藝、石油的鉆井安全要求所設計的一種常規PID和參數自調整模糊控制相結合的復合控制器。不需要依靠人工來對自動送鉆系統開展調節工作，并根據鉆井工藝的要求，系統可以對鉆壓、轉速等實現自動調節。通過對于復合控制器進行仿真分析，自動送鉆控制系統不僅可以有效的降低工作人員的勞動強度，還可以降低鉆井的成本費用。