CN111021956B - 一种水平钻机调向控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平钻机调向控制系统，包括设置在钻机上的定位测量系统、模糊控制器、PID控制器和调向油缸；本发明还提供一种水平钻机调向控制方法，通过对钻机的实际姿态与期望姿态进行比较，得到实时垂直偏离距离L以及偏离角度θ，将偏离参数及其变化率输入模糊控制器中，选择合适的模糊控制规则并计算得到PID控制器中的参数K _P 、K _I 和K _D ，PID控制器根据PID参数向调向油缸发出动作信号，通过不同调向油缸间动作行程的配合实现钻机在竖直或水平方向的方向调整，确保钻机按照预定路线前进。本发明引入模糊控制器并根据偏差大小采取不同的调向策略，实现钻机快速高精确调向。

Description

一种水平钻机调向控制方法及系统

技术领域

本发明涉及地质工程技术领域，特别地，涉及一种水平钻机调向控制方法，以及配合该方法使用的水平钻机调向控制系统。

背景技术

钻机是一种用于带动钻具向地下钻进进而获取实物地质资料的机械设备，常被用于地质勘探或矿产资源（含固体矿、液体矿、气体矿等）开发过程中，通过获取地层内部的岩芯、矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。

目前，钻机在使用时大多以垂直向下的钻进方式为主，而水平钻进的案例罕有，且均为短距离水平钻进作业，对于长距离（千米级及以上）水平钻机技术的发展基本处于停滞状态。为了保障水平钻机在长距离作业时能始终按照预定路线前进，对于钻机的调向及纠偏功能的技术设计就显得尤为重要。

行业内由于实际需求少、使用范围不大，因此对于水平钻机调向控制技术的研究几乎空白，主要还是依赖于人工调节，自动化水平偏低，而且这种操作方式的纠偏效果受操作人员的技术水平影响很大，作业效果不稳定；即使采用传统的PID控制方法，由于参数整定困难，不能快速稳定跟踪设定值，导致效果欠佳，而且针对不同的偏差大小采用相同的调向策略也会导致调向精度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用模糊PID控制技术且能根据偏差大小自动分段调向的水平钻机调向控制方法及系统，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种水平钻机调向控制方法，通过对钻机的实际姿态与期望姿态进行比较，得到二者间的垂直偏离距离L以及偏离角度θ，根据已设定好的模糊控制规则，模糊控制器通过上述偏离参数计算得到PID控制器中的参数K _P 、K _I 和K _D ，PID控制器向钻机上的动力件发出对应动作信号，通过所述动力件动作实现钻机按照预定路线前进。

模糊控制是一种从行为上模仿人的推理和决策过程的智能控制方法。模糊控制的主要过程就是先将操作人员或专家经验整合并编程形成模糊控制规则，然后将实时输入的信号模糊化作为模糊控制规则的输入量，完成模糊推理后，将推理得到的输出量加载到执行器上。本发明中模糊控制器输出的执行器即PID控制器。

优选地，所述动力件为调向油缸且四组调向油缸分别位于钻机的上下左右四个方位，所述水平钻机调向控制方法的具体过程如下：

1）将钻机的实际姿态与期望姿态进行比较，确定钻机与预定路线间的偏离角度θ和垂直偏离距离L，利用调向油缸动作调整钻机回到预定路线，根据杠杆原理，动力×动力臂=阻力×阻力臂，可知：

其中，F ₁ 为钻机受到的垂直于预定路线方向的动力，也就是调向油缸提供的驱动力F在垂直于预定路线方向上的分力，即F ₁ = Fcosθ，L ₁ 为调向油缸到支点的水平距离，F ₂ 为钻机受到的阻力，由于钻机作业时其四周均被地层包裹支撑，要实现钻机变向所克服的阻力大小等于钻机的重力，即F ₂ = mg，L ₂ 为钻机重心到支点的水平距离；

调向油缸的驱动力大小由动作行程决定，即F= kS，其中S为调向油缸的行程距离，k为行程距离与驱动力大小间的关系系数；

设调向油缸与钻头间的水平距离为a，调向油缸与支点间在垂直于预定路线方向上的距离为b，则有

，结合以上公式计算得到：

其中，m为钻机质量，g为重力常数，L ₂ 可通过简单计算得到且通常为1/2位置处，a为固定值，b可根据sinθ以及调向油缸到支点的直线距离求出，k为固定系数，θ和L可直接检测得到；

2）将偏离角度θ和垂直偏离距离L输入模糊控制器中，模糊控制器判断偏离参数的大小，并根据已设定好的模糊控制规则将实时输入的参数信号模糊化作为模糊控制规则的输入量，完成模糊推理后，将推理得到的输出量加载到PID控制器上，PID控制器根据得到的实时参数K _P 、K _I 和K _D 向对应的调向油缸发出动作信号，实现钻机方向在线自调整，对应过程如下：

若0<L≤x或0<θ≤α，控制钻机上远离偏离方向的调向油缸缩回行程S、靠近偏离方向的调向油缸伸出行程S，直接将钻机导回预定路线；通常x的取值范围为50~100mm，α的取值范围不高于10°；

若x<L≤y或α<θ≤β，则分两次将钻机导回到预定路线上，其中第一段动作行程S ₁ = mS，m为分段系数且取值范围为0~1，m根据总结作业经验以及现场实际施工情况确定，控制钻机上远离偏离方向的调向油缸缩回行程S ₁ 、靠近偏离方向的调向油缸伸出行程S ₁ ，然后再重新输入当前的偏离角度和垂直偏离距离，在新的模糊控制规则下得到新的PID参数，控制钻机上的调向油缸进行第二段动作行程直至伸出或缩回的总行程达到S；

若L>y或θ>β，则分多次将钻机导回到预定路线上，通过增加对总行程S的分段次数（可参照上述两段调向控制策略）且在不同的行程段内重新选择不同的模糊控制规则以确保控制精度。

优选地，为了确保对钻机的调向效果，对于偏离角度θ和垂直偏离距离L分别设置适用上限：

若y<L≤z或β<θ≤γ，仍然分多次将钻机导回到预定路线上，通过增加对总行程S的分段次数且在不同的行程段内重新选择不同的模糊控制规则以确保控制精度；

若L>z或θ>γ，则判定钻机的实际路线偏离程度过大，不再适用本发明方法进行自动控制调向，发出警报并根据实际施工情况决定是否退回或者采用人工调节方式进行调向。

优选地，还将偏离角度θ和垂直偏离距离L的变化率参数输入模糊控制器中。通过引入偏差的变化率，能反应受控过程中输出变量的动态特性，有利于提高调控精确度。

优选地，在所述控制方法中通过定位测量系统采集到钻机的实时位置信息。

本发明还提供一种配合上述方法使用的水平钻机调向控制系统，包括设置在钻机上的模糊控制器、PID控制器和动力件，所述模糊控制器用于接收钻机的实时角度及垂直偏离距离，并根据设定好的模糊控制规则加载PID控制器的参数K _P 、K _I 和K _D ，所述PID控制器根据实时PID参数向动力件发出对应动作信号，所述动力件通过自身动作带动钻机进行调向，实现钻机按照预定路线前进。

优选地，所述动力件为调向油缸且四组调向油缸分别位于钻机的上下左右四个方位，通过相对设置的调向油缸配合动作实现钻机在竖直或水平方向的方向调整。

优选地，还包括用于采集钻机实时位置信息的定位测量系统。

需注意的是，本发明中的钻机作业环境特殊，其四周均被地层包裹，因此无论钻机想要进行哪一个方向的调向都必须克服非常大的阻力，根据实际操作经验及检测可知阻力

的大小与钻机的重力数值相等。

本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1、本发明实现了对水平钻机在长距离作业时的自动调向控制，不仅填补了目前的业内空白，而且降低了人工干预程度，提高了自动化水平，减少人工疲劳。

2、本发明通过模糊控制器和PID控制器来控制调向油缸的动作，由于单独的PID控制器参数整定困难，很难快速准确地调出合适的参数值，本发明引入了模糊控制器，通过模糊控制器模拟人的决策行为，快速计算出三个PID参数，以达到快速精确调向的目的。本发明可实现PID参数自整定、在线实时更新和修正PID参数，具有鲁棒性好、动态响应好、上升时间快、超调小、稳态精度高等优点。

3、本发明根据实际姿态与期望姿态间偏差的大小不同采取了不同的调向策略，当偏差值过大时能自动对钻机姿态进行分段调节，使得调向具有针对性，钻进更加平滑，同时提高了调向精度，实现更快速地跟踪响应；当偏差角度太大时还可报警，有利于保护钻机钻头，防止卡钻。

4、本发明在采用模糊PID控制方法时同时引入了两个偏离参数：即偏离角度θ和垂直偏离距离L，在得到上述两个数据后可根据三角函数和杠杆原理计算得到调向油缸的行程S，以实现最终调向功能；且定位测量系统在钻进作业初始对偏离角度θ较为敏感，而在钻进较长一段距离后则对垂直偏离距离L较为敏感，两个偏离参数相互配合有利于确保长距离水平钻进作业始终按照预定路线前进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明水平钻机调向控制系统的结构框图；

图2是图1中调向油缸设置在水平钻机上的结构示意图；

图3是图1中模糊控制器的结构框图；

图4是本发明实施例1中水平钻机发生偏离时的受力分析图；

图5是本发明水平钻机调向控制方法的流程图；

其中：1钻机，2调向油缸，A调向油缸位置，B钻机重心位置，C支点位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见图1，一种水平钻机调向控制系统，包括设置在钻机上的定位测量系统、模糊控制器、PID控制器和调向油缸，所述定位测量系统用于采集钻机的实时位置信息，所述模糊控制器用于接收钻机的实时角度及垂直偏离距离，并根据设定好的模糊控制规则加载PID控制器的参数K _P 、K _I 和K _D ，所述PID控制器根据实时PID参数向对应的调向油缸发出动作信号，所述调向油缸件通过自身动作带动钻机进行调向，实现钻机按照预定路线前进。

参见图2，在本实施例中，所述调向油缸的数量为四组且分别对称设置在钻机的上下左右四个方位上，其中，位于钻机上部的为1号调向油缸，位于钻机下部的为3号调向油缸，位于钻机左侧的为2号调向油缸，位于钻机右侧的为4号调向油缸，通过相对设置的两个调向油缸配合动作实现钻机在竖直或水平方向的方向调整。

参见图3，模糊控制器中包括数据库、规则库和推理机，其中，数据库为以往操作人员的经验数据，将经验数据规则化后构建形成规则库，所述规则库中包含许多不同的模糊控制规则。我们将垂直距离偏差、角度偏差以及偏差的变化率作为输入量，将输入量模糊化处理后，可根据设定好的模糊控制规则推理出输出量，将输出量解模糊化并输出至PID控制器。

参见图4和图5，一种利用上述系统的水平钻机调向控制方法，具体过程如下：

1）通过定位测量系统采集到水平钻机的实时位置信息，将钻机的实际姿态与期望姿态进行比较，得到钻机与预定路线间的偏离角度θ和垂直偏离距离L，根据杠杆原理，动力×动力臂=阻力×阻力臂，可知：

其中，F ₁ 为钻机受到的垂直于预定路线方向的动力，也就是调向油缸提供的驱动力F在垂直于预定路线方向上的分力，即F ₁ = Fcosθ，L ₁ 为调向油缸到支点的水平距离，F ₂ 为钻机受到的阻力，由于钻机作业时其四周均被地层包裹支撑，要实现钻机变向所克服的阻力大小等于钻机的重力，即F ₂ = mg，L ₂ 为钻机重心到支点的水平距离；

调向油缸的驱动力大小由动作行程决定，即F= kS，其中S为调向油缸的行程距离，k为行程距离与驱动力大小间的关系系数；

设调向油缸与钻头间的水平距离为a，调向油缸与支点间在垂直于预定路线方向上的距离为b，则有

，结合以上公式计算得到：

2）将偏离角度θ、垂直偏离距离L及其变化率输入模糊控制器中，输入的参数模糊化后作为模糊控制规则的输入量，根据输入量的大小在已设好的规则库中选择合适的模糊控制规则（如模糊控制规则1、2、3等），再根据对应的模糊控制规则推出输出量，输出量解模糊化后乘以比例因子转换为ΔK _P 、ΔK _I 和ΔK _D ，所得数据与原数据做加运算得到最新的一组PID值K _P 、K _I 和K _D ，新PID值输出加载到PID控制器上；

3）PID控制器根据得到的实时参数K _P 、K _I 和K _D 向对应的调向油缸发出动作信号，实现钻机方向在线自调整，对应过程如下：

若0<L≤x或0<θ≤α，控制钻机上远离偏离方向的调向油缸缩回行程S、靠近偏离方向的调向油缸伸出行程S，直接将钻机导回预定路线；

若x<L≤y或α<θ≤β，则分两次将钻机导回到预定路线上，其中第一段动作行程S ₁ = mS，m为分段系数且取值范围为0~1，m根据总结作业经验以及现场实际施工情况确定，控制钻机上远离偏离方向的调向油缸缩回行程S ₁ 、靠近偏离方向的调向油缸伸出行程S ₁ ，然后再重新输入当前的偏离角度和垂直偏离距离，在新的模糊控制规则下得到新的PID参数，控制钻机上的调向油缸进行第二段动作行程直至伸出或缩回的总行程达到S；

若y<L≤z或β<θ≤γ，仍然分多次将钻机导回到预定路线上，通过增加对总行程S的分段次数且在不同的行程段内重新选择不同的模糊控制规则以确保控制精度；

若L>z或θ>γ，则判定钻机的实际路线偏离程度过大，不再适用本发明方法进行自动控制调向，发出警报并根据实际施工情况决定是否退回或者采用人工调节方式进行调向。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种水平钻机调向控制方法，其特征在于，通过对钻机的实际姿态与期望姿态进行比较，得到二者间的垂直偏离距离L以及偏离角度θ，根据已设定好的模糊控制规则，模糊控制器通过上述偏离参数计算得到PID控制器中的参数K _P 、K _I 和K _D ，PID控制器向钻机上的动力件发出对应动作信号，通过所述动力件动作实现钻机按照预定路线前进；

所述动力件为调向油缸且四组调向油缸分别位于钻机的上下左右四个方位，所述水平钻机调向控制方法的具体过程如下：

1）将钻机的实际姿态与期望姿态进行比较，确定钻机与预定路线间的偏离角度θ和垂直偏离距离L，利用调向油缸动作调整钻机回到预定路线，根据杠杆原理，动力×动力臂=阻力×阻力臂，可知：

其中，F ₁ 为钻机受到的垂直于预定路线方向的动力，也就是调向油缸提供的驱动力F在垂直于预定路线方向上的分力，即F ₁ = Fcosθ，L ₁ 为调向油缸到支点的水平距离，F ₂ 为钻机受到的阻力，由于钻机作业时其四周均被地层包裹支撑，要实现钻机变向所克服的阻力大小等于钻机的重力，即F ₂ = mg，L ₂ 为钻机重心到支点的水平距离；

调向油缸的驱动力大小由动作行程决定，即F= kS，其中S为调向油缸的行程距离，k为行程距离与驱动力大小间的关系系数；

设调向油缸与钻头间的水平距离为a，调向油缸与支点间在垂直于预定路线方向上的 距离为b，则有

，结合以上公式计算得到：

2）将偏离角度θ和垂直偏离距离L输入模糊控制器中，模糊控制器判断偏离参数的大小，并根据已设定好的模糊控制规则将实时输入的参数信号模糊化作为模糊控制规则的输入量，完成模糊推理后，将推理得到的输出量加载到PID控制器上，PID控制器根据得到的实时参数K _P 、K _I 和K _D 向对应的调向油缸发出动作信号，实现钻机方向在线自调整，对应过程如下：

若0<L≤x或0<θ≤α，控制钻机上远离偏离方向的调向油缸缩回行程S、靠近偏离方向的调向油缸伸出行程S，直接将钻机导回预定路线；

若x<L≤y或α<θ≤β，则分两次将钻机导回到预定路线上，其中第一段动作行程S ₁ = mS，m为分段系数且取值范围为0~1，控制钻机上远离偏离方向的调向油缸缩回行程S ₁ 、靠近偏离方向的调向油缸伸出行程S ₁ ，然后再重新输入当前的偏离角度和垂直偏离距离，在新的模糊控制规则下得到新的PID参数，控制钻机上的调向油缸进行第二段动作行程直至伸出或缩回的总行程达到S；

若L>y或θ>β，则分多次将钻机导回到预定路线上，通过增加对总行程S的分段次数且在不同的行程段内重新选择不同的模糊控制规则以确保控制精度。

2.根据权利要求1所述的水平钻机调向控制方法，其特征在于，为了确保对钻机的调向效果，对于偏离角度θ和垂直偏离距离L分别设置适用上限：

若y<L≤z或β<θ≤γ，仍然分多次将钻机导回到预定路线上，通过增加对总行程S的分段次数且在不同的行程段内重新选择不同的模糊控制规则以确保控制精度；

若L>z或θ>γ，则判定钻机的实际路线偏离程度过大，不再适用该方法进行自动控制调向，发出警报并根据实际施工情况决定是否退回或者采用人工调节方式进行调向。

3.根据权利要求2所述的水平钻机调向控制方法，其特征在于，还将偏离角度θ和垂直偏离距离L的变化率参数输入模糊控制器中。

4.根据权利要求3所述的水平钻机调向控制方法，其特征在于，通过定位测量系统采集到钻机的实时位置信息。

5.一种配合权利要求1~4中任意一项所述方法使用的水平钻机调向控制系统，其特征在于，包括设置在钻机上的模糊控制器、PID控制器和动力件，所述模糊控制器用于接收钻机的实时角度及垂直偏离距离，并根据设定好的模糊控制规则加载PID控制器的参数K _P 、K _I 和K _D ，所述PID控制器根据实时PID参数向动力件发出对应动作信号，所述动力件通过自身动作带动钻机进行调向，实现钻机按照预定路线前进。

6.根据权利要求5所述的水平钻机调向控制系统，其特征在于，所述动力件为调向油缸且四组调向油缸分别位于钻机的上下左右四个方位，通过相对设置的调向油缸配合动作实现钻机在竖直或水平方向的方向调整。

7.根据权利要求6所述的水平钻机调向控制系统，其特征在于，还包括用于采集钻机实时位置信息的定位测量系统。

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