钻机盘式刹车自动送钻的模糊控制研究.pdf

第22卷第5期2000年5月《制造业自动化》

钻机盘式刹车自动送钻的模糊控制研究

王晓华,林立
(石油大学机电学院,北京102200)

[摘要]针对钻机自动送钻的控制特点和传统PID控制存在的问题提出钻机盘式刹车自动送钻的模糊控制方案。在计
算机仿真研究的基础上确定采用钟型隶属函数,设计了以8051单片机为核心的自动送钻模糊控制器,并给出了相应的运行软
件框图。
[关键词]模糊控制;石油钻机;自动送钻
[中图分类号]TP273+.4TE922[文献标识码]A[文章编号]1009-0134(2000)05-0052-03

[Abstract]AfuzzycontrolmethodforrigautodrillingwassuggestedinsteadoftraditionalPIDcontrolwhichwas
thoughtofpresentsomedisadvantage.Onthebaseofcomputersimulationabellmembershipfunctionhasbeenoptimallyde-
cided.Afuzzycontrollerwasspeciallydesignedwithasingle-chipmicroprocessormodeMCS-51andthecorrespondingfuzzy
controlflowchartwasgivenfinally.
[Keywords]fuzzycontrol;oilrig;auto-drilling;single-chipmicrocomputer

自动送钻是指钻机在无需人工控制的情况下实
现钻头自动进给的一种作业方式[1]。实践证明,只要
比例、积分和微分参数选择适宜,采用传统的PID
策略亦可达到较为满意的控制效果[2]。然而由于钻
井过程中系统控制模型处于不断变化之中,为使系
统始终保持最佳控制状态,需要对PID参数进行经
常修正。现场操作人员合理设定这些参数困难极大,
影响了自动送钻的使用效果。
图1盘式刹车自动送钻PID控制原理
由于钻进过程的影响因素很多,建模工作非常
困难。工业过程控制表明,对无法建立精确数学模型值u,籍此对电磁比例阀进行控制。比例阀输出的油
的工业对象,采用模糊控制往往可以获得满意的控压可使制动钳缸产生相应的刹车力,使钻具的实际
制效果[3]。基于这一考虑,本文对石油钻机盘式刹车悬重发生改变,形成悬重的闭环控制。正常情况下,
的恒钻压自动送钻模糊控制进行了研究,并设计了当扰动因素作用到钻具上使PV值较大程度地偏离
自动送钻微机模糊控制器。SV值时,PID调节器产生一适当的调节量u将PV
值重新拉回到SV值附近,这样便实现了恒悬重钻
自动送钻的模糊控制原理
1进。由于钻压值总等于钻具净悬重与实际悬重之差,
盘式刹车采用液压式制动钳对绞车的悬持负荷因而恒悬重钻进与恒钻压钻进在效果上是相同的。
进行控制。系统原理如图1所示[2]。在图1中用模糊控制器代替PID调节器即可
将拉力传感器采集到的钻具实际悬重(PV)送构成模糊控制系统。恒钻压模糊控制器的工作原理
入PID调节器,经与悬重设定值(SV)进行比较后求如图2所示。模糊控制器由3部分组成:模糊化器用
出偏差e=PV-SV,进而根据PID规则计算出调节于使2维精确变量(钻压偏差值e和偏差变化率

[收稿日期]1999-11-1;[修回日期]1999-12-27
[作者简介]王晓华(1975—),男,江苏九江,石油大学机电学院硕士研究生,研究方向:石油机械机电一体化。

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第22卷第5期2000年5月《制造业自动化》

键盘显示接口芯片用来处理系统的设定
钻压和实时钻压的显示;RAM是用户数据存
储区,存放较重要的用户数据和中间运算结
果;EPROM存放用户应用程序;A/D转换器
完成输入信号的采集转换;D/A将数字量转
换为相应的模拟量控制电磁比例阀;通用接口
芯片一方面完成参数设置,保持电路的扫描,
取得运行参数并指示当前运行状态,另一方面

图2恒钻压模糊控制工作原理对控制操作键进行扫描确定程序的走向。
系统控制软件采用模块化设计方法,全部
e)模糊化;模糊推理机用于完成模糊过程的运算
和判断;解模糊器则使模糊运算结果转变为精确量,
从而对执行器实施控制。
上述过程中,用于模糊化转变的隶属函数的选
取对过程控制的超调性能影响很大。隶属函数通常
靠经验确定,或在经验基础上再通过实验加以修正。
为选择理想的隶属函数,本文采用计算机数字仿真
法进行筛选。仿真过程在Windows平台上的仿真软
件MATLAB5.0中进行。通过选择不同的隶属函
数,考察其在给定阶跃信号作用下的响应性能。仿真
1
过程的对象模型为,采用的
(2s+1)(4S2+2.5s+1)图