前言

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

近年來，國內(nèi)石油鉆井裝備整體技術(shù)水平有了很大提高，但在鉆井管柱自動化操作裝置方面落后國際水平甚遠，如從地面到鉆臺的管柱輸送裝置和鉆臺機械手等井口裝置技術(shù)的缺乏，影響了國內(nèi)鉆機的自動化進程。目前，石油鉆井現(xiàn)場起下鉆作業(yè)時鉆桿的排放以人工操作為主。鉆井工人付出的勞動強度非常大，起下鉆速度慢、效率低并且?guī)砗芏嗖话踩蛩?。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,唯采用機械化、自動化鉆桿操作系統(tǒng)。目前，鉆桿自動排放系統(tǒng)。已在深海鉆機中得到廣泛應(yīng)用，在改進鉆井作業(yè)的安全性和經(jīng)濟性等方面取得了巨大成功。

在20世紀(jì)40年代，人們就開始探索起下鉆操作的機械化方法，于是產(chǎn)生了鉆桿自動排放系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已在深水及超深水海洋鉆機中得到廣泛應(yīng)用，在改進鉆井作業(yè)的安全性和經(jīng)濟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。此操作的特點具有危險性，是一個重復(fù)性高且勞動強度大的過程，需花費大量時間，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、機械手伺服控制系統(tǒng)介紹

海洋平臺機械手實際系統(tǒng)存在嚴重的非線性，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。

機械手自動排管控制系統(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)控制機械手的位置定位、抓取、下方并由傳感器實時傳輸機械手位置信號。其機械手自動排管控制閉環(huán)控制部分工作原理圖如圖1所示。

圖1 機械手自動排管控制系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖

2、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

2.1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2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2 模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

3、伺服控制系統(tǒng)仿真研究

為了驗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，隱層采用在任意點可微的Tansig作為傳遞函數(shù)，輸出層采用常用非負的Sigmoid函數(shù)。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖4為采用常規(guī)PID控制和改進的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制時，系統(tǒng)階躍信號的響應(yīng)曲線。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，性能遠優(yōu)于常規(guī)PID控制。

4、結(jié)論

利用MATLAB/SIMULINK看實現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)中的電機模糊設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計。本文所研究的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器通過MATLAB仿真器實驗，在直流無刷電機驅(qū)動的伺服控制系統(tǒng)實驗仿真中表明，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)實應(yīng)用價值。機械手作為自動化鉆井技術(shù)重要裝備之一，從一定意義上將促進了國內(nèi)鉆機的自動化進程。

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