前言

   20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國(guó)著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)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(lái)的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國(guó)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(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

   近年來(lái)，國(guó)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(dòng)化操作裝置方面落后國(guó)際水平甚遠(yuǎn)，如從地面到鉆臺(tái)的管柱輸送裝置和鉆臺(tái)機(jī)械手等井口裝置技術(shù)的缺乏，影響了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的自動(dòng)化進(jìn)程。目前，石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)起下鉆作業(yè)時(shí)鉆桿的排放以人工操作為主。鉆井工人付出的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，起下鉆速度慢、效率低并且?guī)?lái)很多不安全因素。隨著對(duì)油氣資源的需求，各國(guó)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(shí)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(wú)法解決所遇問(wèn)題,唯采用機(jī)械化、自動(dòng)化鉆桿操作系統(tǒng)。目前，鉆桿自動(dòng)排放系統(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20世紀(jì)40年代，人們就開(kāi)始探索起下鉆操作的機(jī)械化方法，于是產(chǎn)生了鉆桿自動(dòng)排放系統(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(guò)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(xiǎn)性，是一個(gè)重復(fù)性高且勞動(dòng)強(qiáng)度大的過(guò)程，需花費(fèi)大量時(shí)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(shí)，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(jī)械手伺服控制系統(tǒng)介紹

   海洋平臺(tái)機(jī)械手實(shí)際系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性，對(duì)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(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(即ELman網(wǎng)絡(luò))對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行辨識(shí)，將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊邏輯，同時(shí)利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，可動(dòng)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(shì)。

   機(jī)械手自動(dòng)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(guò)程分為鉆桿甲板操作、鉆桿傳送操作、鉆桿上下鉆臺(tái)操作、鉆桿鉆臺(tái)排放操作和鉆桿單根接立根操作五個(gè)部分。其主要工作原理為由上位機(jī)輸入位置信號(hào)給電液伺服系統(tǒng)，然后通過(guò)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(shí)傳輸機(jī)械手位置信號(hào)。其機(jī)械手自動(dòng)排管控制閉環(huán)控制部分工作原理圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手自動(dòng)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(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(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制時(shí)，系統(tǒng)階躍信號(hào)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(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)PID控制。

4、結(jié)論

   利用MATLAB/SIMULINK看實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)中的電機(jī)模糊設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文所研究的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器通過(guò)MATLAB仿真器實(shí)驗(yàn)，在直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真中表明，本系統(tǒng)能縮短調(diào)節(jié)時(shí)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(jià)值。機(jī)械手作為自動(dòng)化鉆井技術(shù)重要裝備之一，從一定意義上將促進(jìn)了國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的自動(dòng)化進(jìn)程。