前言

隨著對油氣資源的需求,各國已將注意力逐漸轉(zhuǎn)向深海。隨著作業(yè)水深的增加,鉆井所需的鉆桿數(shù)量相應(yīng)增加,鉆井作業(yè)時間和作業(yè)費(fèi)用隨之也相應(yīng)增加。傳統(tǒng)鉆桿操作方法現(xiàn)已無法解決所遇問題,唯采用機(jī)械化、自動化鉆桿操作系統(tǒng)。目前,排管系統(tǒng)。已在深海鉆機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，在改進(jìn)鉆井作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面取得了巨大成功。

在鉆井過程中，需要將鉆桿從平臺甲板傳送到二層平臺上，并不斷地將單根鉆桿接成立根并將立根接到鉆柱上，使鉆進(jìn)過程持續(xù)進(jìn)行。為了更換鉆頭和在鉆柱底部安裝測試或其他設(shè)備，需頻繁地將鉆柱從井眼中提出來，安裝完新鉆頭或者其他設(shè)備后，需要將鉆桿下放到井眼中。上述過程中伴隨著頻繁的鉆桿排放操作，這是一個重復(fù)性高并且勞動強(qiáng)度大的過程。

在20世紀(jì)40年代，人們就開始探索起下鉆操作的機(jī)械化方法，于是產(chǎn)生了排管系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已在深水及超深水海洋鉆機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，在改進(jìn)鉆井作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面取得了巨大成功。在起下鉆過程中需要將鉆桿從井口移送到鉆桿排放架或從排放架移送到井口，即鉆桿的排放操作。此操作的特點(diǎn)具有危險性，是一個重復(fù)性高且勞動強(qiáng)度大的過程，需花費(fèi)大量時間，并需多人合作共同完成。因在海上鉆井作業(yè)中常遇風(fēng)浪，工作環(huán)境惡劣，安全情況更為突出。同時，海上鉆井成本很高。因此，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得尤為重要。

1、排管系統(tǒng)介紹

海洋平臺機(jī)械手實(shí)際系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性，對系統(tǒng)的參數(shù)變化比較敏感，難以做到準(zhǔn)確定位；另外由于機(jī)械精度方面的原因還存在和一定的死區(qū)，使得控制精度降低，存在超調(diào)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，采用動態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(即ELman網(wǎng)絡(luò))對系統(tǒng)的模型進(jìn)行辨識,將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)模糊邏輯,同時利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力,可動態(tài)調(diào)整隸屬度函數(shù)、在線優(yōu)化控制規(guī)則,并利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整PID控制參數(shù),使控制器既能具有模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力,又能充分利用PID的控制優(yōu)勢。當(dāng)NNI有偏差或?qū)W習(xí)尚未完全收斂時,利用魯棒反饋控制器,保證了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)初期閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

排管控制系統(tǒng)主要分為；邏輯控制部分和閉環(huán)控制部分。其工作過程分為鉆桿甲板操作、鉆桿傳送操作、鉆桿上下鉆臺操作、鉆桿鉆臺排放操作和鉆桿單根接立根操作五個部分。其主要工作原理為由上位機(jī)輸入位置信號給電液伺服系統(tǒng)，然后通過電液伺服系統(tǒng)控制機(jī)械手的位置定位、抓取、下方并由傳感器實(shí)時傳輸機(jī)械手位置信號。其閉環(huán)控制部分工作原理圖如圖1所示。

圖1排管系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖

2、改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合排管系統(tǒng)構(gòu)建控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，將機(jī)械手位置作為被控制量。

圖2改進(jìn)的模糊神經(jīng)PID控制結(jié)構(gòu)圖

圖中e和ec分別為誤差和誤差變化率，輸入r為機(jī)械手位置，輸出y為機(jī)械手實(shí)際輸出。

2.2模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為4層，如圖3所示。第l層為輸入層；第2層為模糊化層；第3層為模糊推理層；第4層為輸出層。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2–6–6–3。

圖3.模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖4　遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3、排管系統(tǒng)仿真研究

為了驗(yàn)證所提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的有效性，在MATLAB中創(chuàng)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則將抽象的模糊規(guī)則轉(zhuǎn)化為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，隱層采用在任意點(diǎn)可微的Tansig作為傳遞函數(shù)，輸出層采用常用非負(fù)的Sigmoid函數(shù)。

圖5系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖5為采用常規(guī)PID控制和改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制時，系統(tǒng)階躍信號的響應(yīng)曲線。由圖5可見，改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制能很好地抑制系統(tǒng)的超調(diào)，響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小，性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)PID控制。圖6為常規(guī)PID控制器和改進(jìn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器對正弦信號跟蹤的誤差響應(yīng)曲線，通過對比可知：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器在動態(tài)性能方面明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器，可將正弦響應(yīng)誤差從0.02rad降至0.001rad。

（a）PID控制（b）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

圖6系統(tǒng)正弦誤差響應(yīng)曲線

4、結(jié)論

本文中改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器與魯棒控制器相結(jié)合，通過MATLAB仿真器實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能縮短調(diào)節(jié)時間，加快響應(yīng)速度，提高穩(wěn)定精度，具有良好的魯棒性，能滿足非線性系統(tǒng)的要求，并具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

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