旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)摩擦模型參數(shù)辨識(shí)研究

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1、石油儀器2011年第25卷第4期PETROLEUMINSTRUMENTS·計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)·旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)摩擦模型參數(shù)辨識(shí)研究王艷麗葛蕾袁立志。(1.陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院陜西西安)(2.長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心陜西西安)(3.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司陜西西安)摘要:通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)中摩擦現(xiàn)象的深入研究,確定了能夠全面描述此摩擦現(xiàn)象的摩擦模型。并提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)其參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),且利用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真研究,仿真實(shí)驗(yàn)表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識(shí)的精度更高,這對(duì)提高平臺(tái)的穩(wěn)定性及自適應(yīng)性有很大幫助。關(guān)

2、鍵詞:穩(wěn)定平臺(tái);LuGre摩擦模型;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)中圖法分類(lèi)號(hào):TP183文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004.9134(2011)04.0083—03機(jī)和扭矩發(fā)生器上兩個(gè)渦輪支撐軸承的摩擦阻力扭O引言矩、控制主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性扭矩及液壓控制分配單元旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)可以自動(dòng)、靈活地調(diào)整井斜和上下盤(pán)閥之間的摩擦扭矩等。穩(wěn)定平臺(tái)的受力如圖1方位,且具有軌跡控制精度高,井眼凈化效果好、位移所示[2l。延伸能力強(qiáng)等特點(diǎn),是導(dǎo)向鉆井技術(shù)一次質(zhì)的飛躍[--。1.2LuGre模型其中穩(wěn)定平臺(tái)是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)LuGre摩擦模型是節(jié),但它是一

3、個(gè)復(fù)雜的時(shí)變的非線性系統(tǒng),且受多種因Cant,das[3]等人在1995年素的影響,諸如泥漿排量的大小、盤(pán)閥接觸面積的大提出來(lái)的,其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的表小、盤(pán)閥彈簧力的大小以及穩(wěn)定平臺(tái)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和達(dá)式為[]:控制倉(cāng)內(nèi)元器件特性等。于是,就必須對(duì)各子系統(tǒng)建rz=。z+d1dz+立不同近似程度的反映系統(tǒng)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型,從而進(jìn)行系統(tǒng)的仿真和分析,以確保系統(tǒng)的各項(xiàng)性(1)圖1穩(wěn)定平臺(tái)受力示意圖能達(dá)到鉆井技術(shù)指標(biāo),滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)辨識(shí)數(shù)學(xué)dz=一(2)模型,可以?xún)?yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能、減少實(shí)物試驗(yàn)次數(shù),從而大大節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)。因此,模

4、型參數(shù)的辨crog()=+(一Tc)e-(o/0)(3)識(shí)在穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)及控制中就顯得尤為重要。式中,為摩擦表面的相對(duì)角速度,rad/s;為摩擦力矩,N·m;Tc為庫(kù)倫摩擦力矩,N·m;為最大靜1穩(wěn)定平臺(tái)中摩擦模型的確立摩擦力矩,N·m;為運(yùn)動(dòng)前的微觀變形量的剛性1.1穩(wěn)定平臺(tái)中的摩擦現(xiàn)象系數(shù),N·m/rad;為粘滯狀態(tài)下相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的相要使穩(wěn)定平臺(tái)能夠在旋轉(zhuǎn)的鉆柱內(nèi)保持穩(wěn)定,就對(duì)形變量,rad;1為粘性阻尼系,N·m/(rad·S);B必須使施加到平臺(tái)上的力矩平衡。工作中的穩(wěn)定平臺(tái)為粘性摩擦系數(shù),N·m/(rad·S)。受到一

5、個(gè)正向力矩F和一個(gè)反向力矩帆的共同作由于LuGre模型不僅考慮了粘性摩擦、庫(kù)侖摩擦,用。其中正向力矩F為下渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的控制力而且考慮了靜態(tài)摩擦以及Stribeck負(fù)斜率效應(yīng),因此,矩;反向力矩L主要包括上渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的摩擦LuGre摩擦模型能夠較全面的描述穩(wěn)定平臺(tái)中的摩擦力矩、穩(wěn)定平臺(tái)主支撐軸承的摩擦阻力扭矩、渦輪發(fā)電現(xiàn)象。第一作者簡(jiǎn)介:王艷麗,女,1983年生,助教,2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專(zhuān)業(yè),現(xiàn)任教于陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院,研究方向:模糊控制。郵編:712046石油儀器PETROLEUMINSTRU

6、MENTS斷其是否在允許誤差范圍內(nèi),如果在,則停止辨識(shí)。如2基于權(quán)值邊界問(wèn)題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識(shí)果不是轉(zhuǎn)到第(3)步。2.1網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)3穩(wěn)定平臺(tái)摩擦模型參數(shù)辨識(shí)為了使所構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與待辨識(shí)參數(shù)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一致,因此需在了解系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上3.1含有Lugre摩擦模型的伺服系統(tǒng)構(gòu)造出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于一般的系統(tǒng)模型,含有Lugre模型的導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3可以遵循以下原則:所示(1)一般的BP網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)要求為各個(gè)輸入信號(hào)的加權(quán)和的函數(shù)。在這里可以將激勵(lì)函數(shù)放寬為對(duì)各個(gè)輸人作任意運(yùn)算后的函數(shù)。即Y=.

7、廠[(X)],式中y是網(wǎng)絡(luò)的輸出,是網(wǎng)絡(luò)的輸入,.廠(k)是激活函數(shù),()是任意函數(shù),由實(shí)際系統(tǒng)確定。圖3含有Lugre模型的導(dǎo)向鉆井穩(wěn)定平臺(tái)(2)神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)一般采用系統(tǒng)模型中特定其中,r(t)為指令信號(hào),(t)為轉(zhuǎn)速,為電樞電的函數(shù),偏差通常取b=0。阻,K為電機(jī)力矩系數(shù),-,為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為控制輸(3)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值取為待辨識(shí)的系統(tǒng)參數(shù),或者取為入,為摩擦力矩。待辨識(shí)參數(shù)的函數(shù)。穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng),可以用下面的微分方程表示:根據(jù)以上規(guī)定,可以用若干個(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)元及包=71一(4)含其參數(shù)的權(quán)值通過(guò)一定的連接方式來(lái)表示一個(gè)復(fù)雜為式(

8、1)所示的Lugre摩擦力矩。的系統(tǒng)。圖2為~通用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)模3.2Lugre模型參數(shù)辨識(shí)型。3.2.1靜態(tài)參數(shù)辨識(shí)1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恒速運(yùn)動(dòng)時(shí),即式(1)和(2)中的oz.=0,使兩式變?yōu)椋篢s=0+冊(cè)(5)由=g()=g(

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