[發明專利]一種水平鉆機調向控制方法及系統

有效

• 申請號: 202010155050.2
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111021956B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 劉飛香;鄒今檢;龔文忠;侯昆洲;邵濟舟;任賽楠;江睿
• 申請（專利權）人: 中國鐵建重工集團股份有限公司
• 主分類號: E21B7/04
• 分類號: E21B7/04;E21B44/00
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 劉伊旸;周曉艷

1.一種水平鉆機調向控制方法，其特征在于，通過對鉆機的實際姿態與期望姿態進行比較，得到二者間的垂直偏離距離L以及偏離角度θ，根據已設定好的模糊控制規則，模糊控制器通過上述偏離參數計算得到PID控制器中的參數K_P、K_I和K_D，PID控制器向鉆機上的動力件發出對應動作信號，通過所述動力件動作實現鉆機按照預定路線前進；

所述動力件為調向油缸且四組調向油缸分別位于鉆機的上下左右四個方位，所述水平鉆機調向控制方法的具體過程如下：

1）將鉆機的實際姿態與期望姿態進行比較，確定鉆機與預定路線間的偏離角度θ和垂直偏離距離L，利用調向油缸動作調整鉆機回到預定路線，根據杠桿原理，動力×動力臂=阻力×阻力臂，可知：

其中，F₁為鉆機受到的垂直于預定路線方向的動力，也就是調向油缸提供的驅動力F在垂直于預定路線方向上的分力，即F₁ = Fcosθ，L₁為調向油缸到支點的水平距離，F₂為鉆機受到的阻力，由于鉆機作業時其四周均被地層包裹支撐，要實現鉆機變向所克服的阻力大小等于鉆機的重力，即F₂ = mg，L₂為鉆機重心到支點的水平距離；

調向油缸的驅動力大小由動作行程決定，即F= kS，其中S為調向油缸的行程距離，k為行程距離與驅動力大小間的關系系數；

設調向油缸與鉆頭間的水平距離為a，調向油缸與支點間在垂直于預定路線方向上的距離為b，則有，結合以上公式計算得到：

2）將偏離角度θ和垂直偏離距離L輸入模糊控制器中，模糊控制器判斷偏離參數的大小，并根據已設定好的模糊控制規則將實時輸入的參數信號模糊化作為模糊控制規則的輸入量，完成模糊推理后，將推理得到的輸出量加載到PID控制器上，PID控制器根據得到的實時參數K_P、K_I和K_D向對應的調向油缸發出動作信號，實現鉆機方向在線自調整，對應過程如下：

若0L≤x或0θ≤α，控制鉆機上遠離偏離方向的調向油缸縮回行程S、靠近偏離方向的調向油缸伸出行程S，直接將鉆機導回預定路線；

若xL≤y或αθ≤β，則分兩次將鉆機導回到預定路線上，其中第一段動作行程S₁ = mS，m為分段系數且取值范圍為0~1，控制鉆機上遠離偏離方向的調向油缸縮回行程S₁、靠近偏離方向的調向油缸伸出行程S₁，然后再重新輸入當前的偏離角度和垂直偏離距離，在新的模糊控制規則下得到新的PID參數，控制鉆機上的調向油缸進行第二段動作行程直至伸出或縮回的總行程達到S；

若Ly或θβ，則分多次將鉆機導回到預定路線上，通過增加對總行程S的分段次數且在不同的行程段內重新選擇不同的模糊控制規則以確保控制精度。