權(quán)利要求書： 1.一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，其特征是，所述方法包括下述步驟：(1)信號(hào)的采集與設(shè)定：

由角度傳感器得到液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y；

(2)建立水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程：

其中，x1＝θm， x1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；x2為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角速度；x3為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角加速度；u為控制信號(hào)輸入；y為控制系統(tǒng)輸出；kp為放大系數(shù)；iv為比例放大器轉(zhuǎn)換后的輸出電流；uv為角速度傳感器的輸出電壓；xv為負(fù)載敏感比例閥的閥芯位移；Qv為負(fù)載敏感比例閥的閥口流量；Cd為負(fù)載敏感比例閥閥口流量系數(shù)；Wv為負(fù)載敏感比例閥面積梯度；Ps為系統(tǒng)額定壓力；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；kq為閥流量增益；kc為閥流量?壓力系數(shù)；Dm為液壓馬達(dá)的排量；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；Ctm為液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；t為液壓馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積；βe為油液有效彈性模量；Jt為馬達(dá)軸等效總慣量；Bm為粘滯阻尼系數(shù)；G為負(fù)載的扭矩彈簧剛度；TL為外負(fù)載力矩；

(3)進(jìn)行緊格式動(dòng)態(tài)線性化處理，獲得數(shù)據(jù)模型：

對(duì)于所述動(dòng)力學(xué)方程，當(dāng)Δu(k)≠0時(shí)，存在偽偏導(dǎo)數(shù)θ(k)，使得Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；

其中，|θ(k)|≤Q，Q為一個(gè)正常數(shù)；

Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；

其中，y(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出，u(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸入；

(4)計(jì)算偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：

其中，η∈(0,1]為步長(zhǎng)因子，μ＞0為權(quán)重因子， 為θ(k)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值，為θ(k?1)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值；

(5)設(shè)計(jì)無(wú)模型自適應(yīng)控制器：

考慮如下控制準(zhǔn)則函數(shù),

* 2 2

J[u(k)]＝|y(k+1)?y(k+1)|+λ|u(k)?u(k?1)|；

*

記λ為權(quán)重因子,y (k+1)為期望的輸出信號(hào)；將步驟(3)中動(dòng)態(tài)線性化的數(shù)據(jù)模型帶入輸入準(zhǔn)則函數(shù)，對(duì)u(k)求導(dǎo)，并令其求導(dǎo)結(jié)果等于零，可得控制算法：其中，ρ∈(0,1]是步長(zhǎng)因子，λ＞0為權(quán)重因子；

(6)由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(3)的具體內(nèi)容為：(31)建立離散時(shí)間非線性系統(tǒng)：

Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))其中，u(k)∈R，y(k)∈R分別為k時(shí)刻系統(tǒng)的輸入與輸出；mu，my為兩個(gè)未知的正整數(shù)；

是系統(tǒng)未知的非線性函數(shù)；

(32)上述系統(tǒng)滿足以下條件：

該系統(tǒng)關(guān)于u(k)的偏導(dǎo)數(shù)存在且連續(xù)；

該系統(tǒng)滿足廣義Lipschitz條件，當(dāng)|Δu(k)|≠0時(shí)，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；

* *

其中，y (k+1)為系統(tǒng)有界的期望輸出信號(hào)，u (k)為系統(tǒng)有界的輸入信號(hào)；Δy(k+1)為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的輸出變化，Δu(k)為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的輸入變化；故Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；Q為一個(gè)正常數(shù)；

(33)由動(dòng)力學(xué)方程可得下述兩式：

ξ(k)＝f(y(k),y(k?1),y(k?2),u(k?1))?f(y(k?1),y(k?2),y(k?3),u(k?1))；

由于|Δu(k)|≠0，故方程ξ(k)＝η(k)u(k)有解η(k)；令θ(k)＝B+η(k)；可以得到Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k),B為f(…)的偏導(dǎo)數(shù)，|θ(k)|≤Q。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：步驟(4)的具體內(nèi)容為：(41)建立加權(quán)偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)：

(42)對(duì)該準(zhǔn)則函數(shù)關(guān)于θ(k)求極值，可得偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，其特征是：所述水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制裝置結(jié)構(gòu)為：電噴柴油機(jī)溫度給定模塊(4)經(jīng)溫度轉(zhuǎn)換模塊(5)與電噴柴油機(jī)主體模塊(1)相連；電噴柴油機(jī)缸數(shù)給定模塊(8)、電噴柴油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)模塊(9)及電噴柴油機(jī)速度給定模塊(10)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器模塊(2)與電噴柴油機(jī)主體模塊(1)相連；

所述電噴柴油機(jī)主體模塊(1)與變速齒輪箱模塊(7)相連；變速齒輪箱模塊(7)連接減速齒輪箱速度給定模塊(11)；所述減速齒輪箱速度給定模塊(11)與齒輪泵模塊(13)直接相連；

所述齒輪泵模塊(13)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)連接溢流閥模塊(15)，溢流閥模塊(15)與齒輪泵模塊(13)的出油口連接同一油箱模塊1(12)；所述齒輪泵模塊(13)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)與液控單向閥(16)模塊連接負(fù)載敏感比例閥模塊(18)的P口；所述負(fù)載敏感比例閥模塊(18)設(shè)置有供油口P，回油口T，輸出口A與B，輸出口A與B分別連接液壓馬達(dá)模塊(21)的進(jìn)油口與回油口，回油口T連接油箱模塊2(17)；所述液壓馬達(dá)模塊(21)連接角度傳感器模塊(22)與角度給定模塊(23)；所述角度傳感器模塊(22)及期望電壓給定信號(hào)模塊(24)與負(fù)載敏感比例閥模塊控制器(25)相連經(jīng)比例放大器模塊(26)對(duì)負(fù)載敏感比例閥模塊(18)進(jìn)行控制；所述負(fù)載敏感比例閥模塊(18)兩側(cè)分別連接溢流閥模塊2(19)與溢流閥模塊3(20)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，其特征是：所述水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制過(guò)程包括：電噴柴油機(jī)主體模塊(1)通過(guò)變速齒輪箱模塊(7)帶動(dòng)齒輪泵模塊(13)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)為液壓馬達(dá)模塊(21)提供動(dòng)力；高壓濾油器模塊(14)把齒輪泵模塊(13)泵出的高壓油進(jìn)行過(guò)濾；溢流閥模塊(15)可以作為保護(hù)裝置,避免油壓過(guò)高造成設(shè)備損害；負(fù)載敏感比例閥模塊(18)作為節(jié)流閥可以控制液壓馬達(dá)模塊(21)進(jìn)油口的液壓油流量，作為方向控制閥可以控制液壓馬達(dá)模塊(21)的正反運(yùn)動(dòng)；液控單向閥模塊(16)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)與齒輪泵模塊(13)的出口相連，防止油液回流，并保持鎖緊狀態(tài)；在控制器部分，角度傳感器模塊(22)將液壓馬達(dá)模塊(21)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，與給定的期望電壓信號(hào)輸入控制器，由控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器模塊(26)上，將微小的電壓信號(hào)放大為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥模塊(18)閥芯位移的電流信號(hào)，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)模塊(21)進(jìn)油口與回油口的流量，對(duì)液壓馬達(dá)模塊(21)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。

6.一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括：

信號(hào)采集模塊，由角度傳感器得到液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y；

動(dòng)力學(xué)方程建立模塊，建立水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法的狀態(tài)空間方程：其中，x1＝θm， x1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；x2為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角速度；x3為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角加速度；u為控制信號(hào)輸入；y為控制系統(tǒng)輸出；kp為放大系數(shù)；iv為比例放大器轉(zhuǎn)換后的輸出電流；uv為角速度傳感器的輸出電壓；xv為負(fù)載敏感比例閥的閥芯位移；Qv為負(fù)載敏感比例閥的閥口流量；Cd為負(fù)載敏感比例閥閥口流量系數(shù)；Wv為負(fù)載敏感比例閥面積梯度；Ps為系統(tǒng)額定壓力；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；kq為閥流量增益；kc為閥流量?壓力系數(shù)；Dm為液壓馬達(dá)的排量；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；Ctm為液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；t為液壓馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積；βe為油液有效彈性模量；Jt為馬達(dá)軸等效總慣量；Bm為粘滯阻尼系數(shù)；G為負(fù)載的扭矩彈簧剛度；TL為外負(fù)載力矩；

數(shù)據(jù)模型獲得模塊，進(jìn)行緊格式動(dòng)態(tài)線性化處理，獲得數(shù)據(jù)模型：對(duì)于所述動(dòng)力學(xué)方程，當(dāng)Δu(k)≠0時(shí)，存在偽偏導(dǎo)數(shù)θ(k)，使得：Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；

其中，Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；|θ(k)|≤Q，Q為一個(gè)正常數(shù)；y(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出，u(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸入；

偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)器，用于計(jì)算水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：

其中，η∈(0,1]為步長(zhǎng)因子，μ＞0為權(quán)重因子， 為θ(k)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值，為θ(k?1)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值；

水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)模塊，用于設(shè)計(jì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置的無(wú)模型自適應(yīng)控制器：具體包括：u(k)計(jì)算單元，用于將數(shù)據(jù)模型帶入準(zhǔn)則函數(shù)：* 2 2

J[u(k)]＝|y(k+1)?y(k+1)|+λ|u(k)?u(k?1)|；

對(duì)u(k)求導(dǎo)，并令求導(dǎo)后的值為零，得到：

在該式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)；

得到：

*

其中，λ為權(quán)重因子,用來(lái)控制輸入量的變化；y(k+1)為期望的液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)；

ρ∈(0,1]為步長(zhǎng)因子；

由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。

說(shuō)明書： 一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明專利屬于工程機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，涉及一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)。背景技術(shù)[0002] 水井鉆機(jī)是進(jìn)行水井鉆探施工任務(wù)的主要設(shè)備。水井鉆機(jī)通常包括回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)，用于開(kāi)鑿和破碎巖石。由回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水井鉆機(jī)自身做往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鉆桿，連接套將回轉(zhuǎn)和沖擊運(yùn)動(dòng)傳遞給鉆頭；水井鉆機(jī)產(chǎn)生的沖擊運(yùn)動(dòng)可以使巖石破碎，而回轉(zhuǎn)馬達(dá)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能使破碎巖石磨成更小的微粒；壓縮機(jī)提供的高壓空氣可以將微小顆粒，淤泥，泥沙等從孔中吹出而成孔。水井鉆機(jī)在工作過(guò)程中，會(huì)遇到各種各樣的地質(zhì)與環(huán)境，一臺(tái)性能好的水井鉆機(jī)必須能克服多變的地質(zhì)條件和環(huán)境。由于水井鉆機(jī)工作時(shí)的地質(zhì)面貌的變化，推進(jìn)與回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)遇到的阻力也是多變的，如果推進(jìn)與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不能自動(dòng)克服多變的負(fù)載，將直接影響水井鉆機(jī)的工作效率。

[0003] 目前，水井鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)控制主要通過(guò)人工手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，這依賴與操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)，不恰當(dāng)?shù)耐七M(jìn)力和回轉(zhuǎn)速度，將導(dǎo)致水井鉆桿別桿、斷桿甚至停機(jī)等故障，大大影響施工效率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了采用PID控制方法以提高的水井鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)控制性能。但是，在水井鉆機(jī)鉆探系統(tǒng)中，由于井底工況較為復(fù)雜，尤其在未知情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，傳統(tǒng)PID控制方法需要操作員不斷調(diào)整參數(shù)進(jìn)行鉆機(jī)速度的控制，這對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了影響，而且也會(huì)產(chǎn)生超調(diào)等現(xiàn)象。另外，水井鉆機(jī)是一種典型的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，鉆機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際控制系統(tǒng)中會(huì)受到鉆機(jī)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、非線性、建模誤差、結(jié)構(gòu)老化和磨損，以及實(shí)際作業(yè)環(huán)境惡劣等因素的影響。由于這些因素的作用，建立一個(gè)比較精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型是比較困難的，魯棒性也較差。因此，基于模型的控制方法在解決此類問(wèn)題時(shí)受到了挑戰(zhàn)。[0004] 針對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置存在的模型不確定性、未建模動(dòng)態(tài)和外界泥沙等干擾因素，提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的魯棒無(wú)模型自適應(yīng)控制策略。用于實(shí)現(xiàn)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。對(duì)于無(wú)模型自適應(yīng)控制(modelfreeadaptivecontrol，MFAC)，文獻(xiàn)(侯忠生，金尚泰.無(wú)模型自適應(yīng)控制：理論與應(yīng)用)利用受控系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)直接進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)了未知非線性受控系統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)控制和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制。無(wú)模型自適應(yīng)控制方法具有良好的移植性，只需要受控系統(tǒng)提供輸入輸出數(shù)據(jù)，不依賴數(shù)據(jù)模型的精確性。將無(wú)模型自適應(yīng)控制用于水井鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，為復(fù)雜多干擾的水井鉆探任務(wù)提供了一種新的研究思路和方法。[0005] 發(fā)明專利內(nèi)容[0006] 本發(fā)明專利針對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在的模型不確定性、未建模動(dòng)態(tài)和外界泥沙等干擾因素，提供了一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中魯棒性較差的問(wèn)題，在復(fù)雜工況中實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，提高了鉆探效率。[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明專利采用下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：[0008] 一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，所述方法包括下述步驟：[0009] (1)信號(hào)的采集與設(shè)定：[0010] 由角度傳感器得到液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y；[0011] (2)建立水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程：[0012][0013][0014][0015] 其中，x1＝θm， x1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；x2為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角速度；x3為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角加速度；u為控制信號(hào)輸入；y為控制系統(tǒng)輸出；kp為放大系數(shù)；iv為比例放大器轉(zhuǎn)換后的輸出電流；uv為角速度傳感器的輸出電壓；xv為負(fù)載敏感比例閥的閥芯位移；Qv為負(fù)載敏感比例閥的閥口流量；Cd為負(fù)載敏感比例閥閥口流量系數(shù)；Wv為負(fù)載敏感比例閥面積梯度；Ps為系統(tǒng)額定壓力；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；kq為閥流量增益；kc為閥流量?壓力系數(shù)；Dm為液壓馬達(dá)的排量；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；Ctm為液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；t為液壓馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積；βe為油液有效彈性模量；Jt為馬達(dá)軸等效總慣量；Bm為粘滯阻尼系數(shù)；G為負(fù)載的扭矩彈簧剛度；TL為外負(fù)載力矩；

[0016] (3)進(jìn)行緊格式動(dòng)態(tài)線性化處理，獲得數(shù)據(jù)模型：[0017] 對(duì)于所述動(dòng)力學(xué)方程，當(dāng)Δu(k)≠0時(shí)，存在偽偏導(dǎo)數(shù)θ(k)，使得[0018] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；[0019] 其中，|θ(k)|≤Q，Q為一個(gè)正常數(shù)；[0020] Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；[0021] 其中，y(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出，u(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸入；[0022] (4)計(jì)算偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：[0023][0024] 其中，η∈(0,1]為步長(zhǎng)因子，μ＞0為權(quán)重因子， 為θ(k)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值，為θ(k?1)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值；[0025] (5)設(shè)計(jì)無(wú)模型自適應(yīng)控制器：[0026] 考慮如下控制準(zhǔn)則函數(shù),[0027] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2；[0028] 記λ為權(quán)重因子,y*(k+1)為期望的輸出信號(hào)；將步驟(3)中動(dòng)態(tài)線性化的數(shù)據(jù)模型帶入輸入準(zhǔn)則函數(shù)，對(duì)u(k)求導(dǎo)，并令其求導(dǎo)結(jié)果等于零，可得控制算法：[0029][0030] 其中，ρ∈(0,1]是步長(zhǎng)因子，λ＞0為權(quán)重因子；[0031] (6)由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。[0032] 進(jìn)一步的，步驟(3)的具體內(nèi)容為：[0033] (31)建立離散時(shí)間非線性系統(tǒng)：[0034] Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))[0035] 其中，u(k)∈R，y(k)∈R分別為k時(shí)刻系統(tǒng)的輸入與輸出；mu，my為兩個(gè)未知的正整數(shù)；f(…): 是系統(tǒng)未知的非線性函數(shù)；[0036] (32)上述系統(tǒng)滿足以下條件：[0037] 該系統(tǒng)關(guān)于u(k)的偏導(dǎo)數(shù)存在且連續(xù)；[0038] 該系統(tǒng)滿足廣義Lipschitz條件，當(dāng)…Δu(k)|≠0時(shí)，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；[0039] 其中，y*(k+1)為系統(tǒng)有界的期望輸出信號(hào)，u*(k)為系統(tǒng)有界的輸入信號(hào)；Δy(k+1)為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的輸出變化，Δu(k)為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的輸入變化；故Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；Q為一個(gè)正常數(shù)；

[0040] (33)由動(dòng)力學(xué)方程可得下述兩式：[0041][0042] ξ(k)＝f(y(k),y(k?1),y(k?2),u(k?1))?f(y(k?1),y(k?2),y(k?3),u(k?1))；[0043] 由于|Δu(k)|≠0，故方程ξ(k)＝η(k)u(k)有解η(k)；令θ(k)＝B+η(k)；可以得到Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k),B為f(…)的偏導(dǎo)數(shù)，|θ(k)|≤Q。[0044] 更進(jìn)一步的，步驟(4)的具體內(nèi)容為：[0045] (41)建立加權(quán)偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)：[0046][0047] (42)對(duì)該準(zhǔn)則函數(shù)關(guān)于θ(k)求極值，可得偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：[0048][0049] 進(jìn)一步的，參見(jiàn)圖4所示為水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：電噴柴油機(jī)溫度給定模塊(4)經(jīng)溫度轉(zhuǎn)換模塊(5)與電噴柴油機(jī)主體模塊(1)相連；電噴柴油機(jī)缸數(shù)給定模塊(8)、電噴柴油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)模塊(9)及電噴柴油機(jī)速度給定模塊(10)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器模塊(2)與電噴柴油機(jī)主體模塊(1)相連；所述電噴柴油機(jī)主體模塊(1)與變速齒輪箱模塊(7)相連；變速齒輪箱模塊(7)連接減速齒輪箱速度給定模塊(11)；所述減速齒輪箱速度給定模塊(11)與齒輪泵模塊(13)直接相連；所述齒輪泵模塊(13)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)連接溢流閥模塊(15)，溢流閥模塊(15)與齒輪泵模塊(13)的出油口連接同一油箱模塊1(12)；所述齒輪泵模塊(13)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)與液控單向閥(16)模塊連接負(fù)載敏感比例閥模塊(18)的P口；所述負(fù)載敏感比例閥模塊(18)設(shè)置有供油口P，回油口T，輸出口A與B，輸出口A與B分別連接液壓馬達(dá)模塊(21)的進(jìn)油口與回油口，回油口T連接油箱模塊2(17)；所述液壓馬達(dá)模塊(21)連接角度傳感器模塊(22)與角度給定模塊(23)；所述角度傳感器模塊(22)及期望電壓給定信號(hào)模塊(24)與負(fù)載敏感比例閥模塊控制器(25)相連經(jīng)比例放大器模塊(26)對(duì)負(fù)載敏感比例閥模塊(18)進(jìn)行控制；所述負(fù)載敏感比例閥模塊(18)兩側(cè)分別連接溢流閥模塊2(19)與溢流閥模塊3(20)。

[0050] 更進(jìn)一步的，所述水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制過(guò)程包括：電噴柴油機(jī)主體模塊(1)通過(guò)變速齒輪箱模塊(7)帶動(dòng)齒輪泵模塊(13)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)為液壓馬達(dá)模塊(21)提供動(dòng)力；高壓濾油器模塊(14)把齒輪泵模塊(13)泵出的高壓油進(jìn)行過(guò)濾；溢流閥模塊(15)可以作為保護(hù)裝置,避免油壓過(guò)高造成設(shè)備損害；負(fù)載敏感比例閥模塊(18)作為節(jié)流閥可以控制液壓馬達(dá)模塊(21)進(jìn)油口的液壓油流量，作為方向控制閥可以控制液壓馬達(dá)模塊(21)的正反運(yùn)動(dòng)；液控單向閥模塊(16)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)與齒輪泵模塊(13)的出口相連，防止油液回流，并保持鎖緊狀態(tài)；在控制器部分，角度傳感器模塊(22)將液壓馬達(dá)模塊(21)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，與給定的期望電壓信號(hào)輸入控制器，由控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器模塊(26)上，將微小的電壓信號(hào)放大為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥模塊(18)閥芯位移的電流信號(hào)，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)模塊(21)進(jìn)油口與回油口的流量，對(duì)液壓馬達(dá)模塊(21)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。

[0051] 一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于：包括：[0052] 信號(hào)采集模塊，由角度傳感器得到液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y；[0053] 動(dòng)力學(xué)方程建立模塊，建立水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程：[0054][0055][0056][0057] 其中，x1＝θm， x1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；x2為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角速度；x3為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角加速度；u為控制信號(hào)輸入；y為控制系統(tǒng)輸出；kp為放大系數(shù)；iv為比例放大器轉(zhuǎn)換后的輸出電流；uv為角速度傳感器的輸出電壓；xv為負(fù)載敏感比例閥的閥芯位移；Qv為負(fù)載敏感比例閥的閥口流量；Cd為負(fù)載敏感比例閥閥口流量系數(shù)；Wv為負(fù)載敏感比例閥面積梯度；Ps為系統(tǒng)額定壓力；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；kq為閥流量增益；kc為閥流量?壓力系數(shù)；Dm為液壓馬達(dá)的排量；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；Ctm為液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；t為液壓馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積；βe為油液有效彈性模量；Jt為馬達(dá)軸等效總慣量；Bm為粘滯阻尼系數(shù)；G為負(fù)載的扭矩彈簧剛度；TL為外負(fù)載力矩；

[0058] 數(shù)據(jù)模型獲得模塊，進(jìn)行緊格式動(dòng)態(tài)線性化處理，獲得數(shù)據(jù)模型：對(duì)于所述動(dòng)力學(xué)方程，當(dāng)Δu(k)≠0時(shí)，存在偽偏導(dǎo)數(shù)θ(k)，使得：[0059] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；[0060] 其中，Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；|θ(k)|≤Q，Q為一個(gè)正常數(shù)；y(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸出，u(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)輸入；[0061] 偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)器，用于計(jì)算水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：[0062][0063] 其中，η∈(0,1]為步長(zhǎng)因子，μ＞0為權(quán)重因子， 為θ(k)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值，為θ(k?1)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值；[0064] 水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)無(wú)模型自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)模塊，用于設(shè)計(jì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制器：具體包括：u(k)計(jì)算單元，用于將數(shù)據(jù)模型帶入準(zhǔn)則函數(shù)：[0065] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2；[0066] 對(duì)u(k)求導(dǎo)，并令求導(dǎo)后的值為零，得到：[0067][0068] 在該式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)；[0069] 得到：[0070][0071] 其中，λ為權(quán)重因子,用來(lái)控制輸入量的變化；y*(k+1)為期望的液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)；ρ∈(0,1]為步長(zhǎng)因子；[0072] 由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。[0073] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)與積極效果是：本發(fā)明專利的一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)，通過(guò)角度傳感器采集水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度y；建立水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程；并采用緊格式動(dòng)態(tài)線性化方法獲得水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型；計(jì)算水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律；設(shè)計(jì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)無(wú)模型自適應(yīng)控制器；由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。無(wú)模型自適應(yīng)控制器有良好的可移植性，只需要控制系統(tǒng)提供輸入輸出量，對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜，建模困難的系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性。因此，本實(shí)施例的控制方法及系統(tǒng)，通過(guò)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制器抑制了在水井鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中不確定因素引起的振蕩，具有較強(qiáng)的抗干擾性與魯棒性，更加符合水井鉆機(jī)實(shí)際工況。[0074] 結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明專利的具體實(shí)施方式后，本發(fā)明專利的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。附圖說(shuō)明[0075] 圖1為水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法的實(shí)施例流程圖；[0076] 圖2為本發(fā)明專利提出的一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法的結(jié)構(gòu)框圖；[0077] 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；[0078] 圖4為水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置原理圖；[0079] 圖5為負(fù)載為零時(shí)的角速度輸出曲線；[0080] 圖6為負(fù)載為600N時(shí)的輸出角速度輸出曲線；[0081] 圖7為負(fù)載突變時(shí)角速度輸出曲線；[0082] 圖8為閥芯位移為0.003m時(shí)不同控制器下的跟蹤軌跡曲線；[0083] 圖9為閥芯位移為0.006m時(shí)不同控制器下的跟蹤軌跡曲線；[0084] 圖10為負(fù)載突變時(shí)閥芯位移在不同控制器下的跟蹤軌跡曲線；[0085] 圖4中標(biāo)號(hào)：1?電噴柴油機(jī)主體模塊，2?發(fā)動(dòng)機(jī)控制器模塊，3?電噴柴油機(jī)廢氣排放模塊，4?電噴柴油機(jī)溫度給定模塊，5?溫度轉(zhuǎn)換模塊，6?減速齒輪箱速度給定模塊，7?變速齒輪箱模塊，8?電噴柴油機(jī)缸數(shù)給定模塊，9?電噴柴油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)模塊，10?電噴柴油機(jī)速度給定模塊，11?減速齒輪箱速度給定模塊，12?油箱模塊1，13?齒輪泵模塊，14?高壓濾油器，15?溢流閥模塊1，16?液控單向閥模塊，17?油箱模塊2，18?負(fù)載敏感比例閥，19?溢流閥模塊2，20?溢流閥模塊3，21?液壓馬達(dá)模塊，22?角度傳感器模塊，23?角度給定模塊，24?期望電壓給定信號(hào)模塊，25?負(fù)載敏感比例閥控制器，26?比例放大器模塊。具體實(shí)施方式[0086] 為了使本發(fā)明專利的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明專利做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。[0087] 本發(fā)明專利針對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在的模型不確定、未建模動(dòng)態(tài)和外界泥沙等干擾因素，提供了一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)。在水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，以液壓馬達(dá)作為回轉(zhuǎn)裝置，對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。[0088] 參見(jiàn)圖1所示，本實(shí)施例的水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具體包括下述步驟：[0089] 步驟S1：信號(hào)的采集與設(shè)置：[0090] 由角度傳感器得到水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y；[0091] 步驟S2：由水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程建立數(shù)學(xué)模型：[0092] (S21)記kp為放大系數(shù)；iv為轉(zhuǎn)換后的輸出電流；uv為角速度傳感器的輸出電壓；xv為負(fù)載敏感比例閥的閥芯位移；比例放大器增益為：[0093][0094] 負(fù)載敏感比例閥增益為：[0095][0096] (S22)記Qv為負(fù)載敏感比例閥的閥口流量；Cd為負(fù)載敏感比例閥閥口流量系數(shù)；Wv為負(fù)載敏感比例閥面積梯度；Ps為系統(tǒng)額定壓力；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；負(fù)載敏感比例閥閥口流量為：[0097][0098] (S23)當(dāng)忽略馬達(dá)外泄露系數(shù)的條件下QL＝Qv，QL為負(fù)載流量；[0099] 記kq為閥流量增益；kc為閥流量?壓力系數(shù)；對(duì)上述非線性的閥口流量關(guān)系進(jìn)行線性化處理為:[0100] Qv＝Kqxv?KcPL；(4)[0101] (S24)Dm為液壓馬達(dá)的排量；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；Ctm為液壓馬達(dá)的總泄露系數(shù)；PL為系統(tǒng)負(fù)載壓力；t為液壓馬達(dá)兩腔及連接管道的總壓縮容積；βe為油液有效彈性模量；液壓馬達(dá)流量連續(xù)方程為：[0102][0103] (S25)記Jt為馬達(dá)軸等效總慣量，Bm為粘滯阻尼系數(shù)；G為負(fù)載的扭矩彈簧剛度，TL為外負(fù)載力矩；液壓馬達(dá)動(dòng)態(tài)力矩平衡方程為：[0104][0105] (S26)令x1＝θm， x1為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角；x2為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角速度；x3為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角加速度；可得水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為：

[0106][0107][0108][0109] 步驟S3：進(jìn)行緊格式動(dòng)態(tài)線性化處理，獲得數(shù)據(jù)模型：[0110] (S31)建立離散時(shí)間非線性系統(tǒng)：[0111] Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))(8)[0112] 其中，u(k)∈R，y(k)∈R分別為k時(shí)刻系統(tǒng)的輸入與輸出；mu，my為兩個(gè)未知的正整數(shù)；f(…): 是系統(tǒng)未知的非線性函數(shù)；[0113] (S32)上述離散時(shí)間非線性系統(tǒng)滿足以下條件：[0114] 該系統(tǒng)關(guān)于u(k)的偏導(dǎo)數(shù)存在且連續(xù)；[0115] 該系統(tǒng)滿足廣義Lipschitz條件，當(dāng)|Δu(k)|≠0時(shí)，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；[0116] 其中，y*(k+1)為系統(tǒng)有界的期望輸出信號(hào)，u*(k)為系統(tǒng)有界的期望輸入信號(hào)；Δy(k+1)為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的輸出變化，Δu(k)為相鄰兩個(gè)時(shí)刻的輸入變化，故Δy(k+1)＝y(tǒng)(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；Q為一個(gè)正常數(shù)；

[0117] (S33)由動(dòng)力學(xué)方程可得下述兩式：[0118][0119][0120] 由于|Δu(k)|≠0，故方程ξ(k)＝η(k)u(k)有解η(k)；[0121] 令θ(k)＝B+η(k)；可以得到：[0122] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)(11)[0123] 其中，|θ(k)|≤Q，Q為一個(gè)正常數(shù)；B為f(…)的偏導(dǎo)數(shù)；[0124] 步驟S4：計(jì)算偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：[0125] (S41)建立加權(quán)偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)：[0126][0127] (S42)對(duì)該準(zhǔn)則函數(shù)關(guān)于θ(k)求極值，可得偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律：[0128][0129] 其中，η∈(0,1]為步長(zhǎng)因子，μ＞0為權(quán)重因子， 為θ(k)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值，為θ(k?1)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)值；[0130] 步驟S5：設(shè)計(jì)無(wú)模型自適應(yīng)控制器：[0131] 考慮如下控制準(zhǔn)則函數(shù),[0132] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2(14)[0133] 其中，λ為權(quán)重因子,y*(k+1)為期望的輸出信號(hào)；[0134] 將步驟S3中的式(10)帶入輸入準(zhǔn)則函數(shù)，對(duì)u(k)求導(dǎo)，并令其等于零，可得控制算法：[0135][0136] 在該式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)，得到：[0137][0138] 其中，λ為權(quán)重因子,用來(lái)控制輸入量的變化；y*(k+1)為期望的輸出量信號(hào)；[0139] ρ∈(0,1]為步長(zhǎng)因子；[0140] 步驟S6：水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)模塊，由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。[0141] 本實(shí)例的一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，通過(guò)角度傳感器采集水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度y；建立水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程；并采用緊格式動(dòng)態(tài)線性化方法獲得水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型；計(jì)算水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的偽偏導(dǎo)數(shù)估計(jì)律；設(shè)計(jì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)無(wú)模型自適應(yīng)控制器；由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，角度傳感器將檢測(cè)得到的水井鉆機(jī)在k?1階段的液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度y(k?1)輸出為反饋電壓信號(hào)uf，電壓信號(hào)Δu(k?1)經(jīng)控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器上，比例放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥閥芯位移的電流信號(hào)，負(fù)載敏感比例閥可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)進(jìn)油口與回油口的流量，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度。無(wú)模型自適應(yīng)控制器有良好的可移植性，只需要控制系統(tǒng)提供輸入輸出量，對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜，建模困難的系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性。因此，本實(shí)施例的控制方法及系統(tǒng)，通過(guò)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制器抑制了在水井鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中不確定因素引起的振蕩，具有較強(qiáng)的抗干擾性與魯棒性，更加符合水井鉆機(jī)實(shí)際工況。[0142] 本實(shí)施例的控制方法是一種以無(wú)模型自適應(yīng)控制算法為基礎(chǔ)的水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置控制方法，能夠有效解決水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制問(wèn)題，該方法對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在的模型不確定、未建模動(dòng)態(tài)和外界泥沙等干擾因素所造成的輸出誤差與超調(diào)問(wèn)題，有很好的解決效果，可以提高水井鉆機(jī)在復(fù)雜工況下的控制精度，滿足了水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)魯棒性與抗干擾性的要求。[0143] 參見(jiàn)圖4所示為水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：電噴柴油機(jī)溫度給定模塊(4)經(jīng)溫度轉(zhuǎn)換模塊(5)與電噴柴油機(jī)主體模塊(1)相連；電噴柴油機(jī)缸數(shù)給定模塊(8)、電噴柴油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)模塊(9)及電噴柴油機(jī)速度給定模塊(10)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器模塊(2)與電噴柴油機(jī)主體模塊(1)相連；所述電噴柴油機(jī)主體模塊(1)與變速齒輪箱模塊(7)相連；變速齒輪箱模塊(7)連接減速齒輪箱速度給定模塊(11)；所述減速齒輪箱速度給定模塊(11)與齒輪泵模塊(13)直接相連；所述齒輪泵模塊(13)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)連接溢流閥模塊(15)，溢流閥模塊(15)與齒輪泵模塊(13)的出油口連接同一油箱模塊1(12)；所述齒輪泵模塊(13)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)與液控單向閥(16)模塊連接負(fù)載敏感比例閥模塊(18)的P口；所述負(fù)載敏感比例閥模塊(18)設(shè)置有供油口P，回油口T，輸出口A與B，輸出口A與B分別連接液壓馬達(dá)模塊(21)的進(jìn)油口與回油口，回油口T連接油箱模塊2(17)；所述液壓馬達(dá)模塊(21)連接角度傳感器模塊(22)與角度給定模塊(23)；所述角度傳感器模塊(22)及期望電壓給定信號(hào)模塊(24)與負(fù)載敏感比例閥模塊控制器(25)相連經(jīng)比例放大器模塊(26)對(duì)負(fù)載敏感比例閥模塊(18)進(jìn)行控制；所述負(fù)載敏感比例閥模塊(18)兩側(cè)分別連接溢流閥模塊2(19)與溢流閥模塊3(20)。[0144] 參見(jiàn)圖4所示為水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制過(guò)程為：電噴柴油機(jī)主體模塊(1)通過(guò)變速齒輪箱模塊(7)帶動(dòng)齒輪泵模塊(13)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)為液壓馬達(dá)模塊(21)提供動(dòng)力；高壓濾油器模塊(14)把齒輪泵模塊(13)泵出的高壓油進(jìn)行過(guò)濾；溢流閥模塊(15)可以作為保護(hù)裝置,避免油壓過(guò)高造成設(shè)備損害；負(fù)載敏感比例閥模塊(18)作為節(jié)流閥可以控制液壓馬達(dá)模塊(21)進(jìn)油口的液壓油流量，作為方向控制閥可以控制液壓馬達(dá)模塊(21)的正反運(yùn)動(dòng)；液控單向閥模塊(16)經(jīng)高壓濾油器模塊(14)與齒輪泵模塊(13)的出口相連，防止油液回流，并保持鎖緊狀態(tài)；在控制器部分，角度傳感器模塊(22)將液壓馬達(dá)模塊(21)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，與給定的期望電壓信號(hào)輸入控制器，由控制器計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將控制信號(hào)施加于比例放大器模塊(26)上，將微小的電壓信號(hào)放大為可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感比例閥模塊(18)閥芯位移的電流信號(hào)，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)模塊(21)進(jìn)油口與回油口的流量，對(duì)液壓馬達(dá)模塊(21)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。[0145] 本實(shí)例中，水井鉆機(jī)系統(tǒng)中設(shè)備核心參數(shù)取值，如表1所示。[0146][0147][0148] 表1水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中控制裝置的設(shè)備核心參數(shù)。[0149] 具體的控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，已經(jīng)在上述控制方法中詳述，此處不再贅述。下面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中PID控制系統(tǒng)以及本實(shí)施例的無(wú)模型自適應(yīng)控制水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析。[0150] 在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下建立了水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制器，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的設(shè)備參數(shù)如表1所示。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試情況，設(shè)計(jì)無(wú)模型自適應(yīng)控制器參數(shù)的取值η、μ、ρ、λ、β、K1，并適當(dāng)選取MFAC控制對(duì)照組PID控制的參數(shù)KP、Ki、Kd。[0151] 圖5為負(fù)載為零時(shí)的轉(zhuǎn)角速度跟蹤曲線。負(fù)載為零時(shí)，比較系統(tǒng)加入無(wú)模型自適應(yīng)控制器與PID控制器以及未加控制器時(shí)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)角速度曲線與期望輸出轉(zhuǎn)角速度的曲線。由圖所示，未加控制器時(shí)系統(tǒng)一直存在波動(dòng)，不能達(dá)到平穩(wěn)；加入PID控制器時(shí)，由于初始負(fù)載量為零，控制器的初始調(diào)節(jié)存在一個(gè)大的振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間為0.16s，但有5rad/s的超調(diào)；MFAC控制器可在0.15s達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，且能夠保證響應(yīng)過(guò)程中無(wú)超調(diào)。[0152] 圖6為負(fù)載為600N時(shí)的轉(zhuǎn)角速度跟蹤曲線。由圖6所示，未加控制器時(shí)系統(tǒng)不能達(dá)到完全穩(wěn)定；加入PID控制器時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間0.17s，但有2.5rad/s的超調(diào)，并且由于系統(tǒng)初始負(fù)載值變化，PID控制有一個(gè)大的振蕩；MFAC控制器可在0.16s達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，且能夠保證響應(yīng)過(guò)程中無(wú)超調(diào)。[0153] 圖7為負(fù)載從600N突變?yōu)?000N時(shí)的轉(zhuǎn)角速度跟蹤曲線。由圖7所示，在負(fù)載突然增大時(shí)，加入PID控制器與MFAC比不加入控制器有更好的調(diào)節(jié)性能；MFAC控制器在負(fù)載突然加大時(shí)的穩(wěn)定前的波動(dòng)大于PID控制器，但是比PID控制器在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且無(wú)超調(diào)。綜合圖5、圖6與圖7可以看出，基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)顯著提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性。[0154] 圖8為閥芯位移為0.003m時(shí)在不同控制器下的跟蹤軌跡曲線。如圖所示，未加控制器時(shí)，閥芯位移跟蹤曲線一直有波動(dòng)，不能達(dá)到穩(wěn)定；經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)的閥芯位移在0.16s達(dá)到穩(wěn)定，但是存在0.0005m的超調(diào)；MFAC能夠在0.15s達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，并且無(wú)超調(diào)。[0155] 圖9為閥芯位移為0.006m時(shí)在不同控制器下的跟蹤軌跡曲線。如圖所示，未加控制器時(shí)，閥芯位移跟蹤曲線一直有波動(dòng)，不能達(dá)到穩(wěn)定；經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)的閥芯位移在0.15s達(dá)到穩(wěn)定，但是存在0.0003m的超調(diào)；MFAC能夠在0.14s達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，存在0.00015m的超調(diào)。[0156] 圖10為閥芯位移突變時(shí)在不同控制器下的跟蹤軌跡曲線。閥芯位移在0.1s時(shí)從0.003m突變到0.006m時(shí)，未加控制器時(shí)閥芯位移跟蹤曲線一直有波動(dòng)，并且很難達(dá)到期望的閥芯位移；經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)的閥芯位移在0.15s達(dá)到穩(wěn)定，但是存在0.0005m的超調(diào)；

MFAC能夠在0.14s達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，且無(wú)超調(diào)量。MFAC控制，在鉆機(jī)運(yùn)行的復(fù)雜工況下，有更好的控制性能。

[0157] 本發(fā)明專利針對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在的模型不確定、未建模動(dòng)態(tài)和外界泥沙等干擾因素，提供了一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)。在水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，以液壓馬達(dá)作為回轉(zhuǎn)裝置，對(duì)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。所提出的水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制器本質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方法，其考慮了水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定等建模復(fù)雜的問(wèn)題，基于輸入輸出數(shù)據(jù)在線逼近其模型中的非線性不確定項(xiàng)；在動(dòng)態(tài)線性化的技術(shù)下，提出了面向該類復(fù)雜非線性系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制方法；通過(guò)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在當(dāng)前工作點(diǎn)軌線附近用一系列的動(dòng)態(tài)線性化模型來(lái)替代離散非線性系統(tǒng)，同時(shí)僅利用動(dòng)力定位系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)來(lái)在線估計(jì)動(dòng)態(tài)線性化模型中的偽偏導(dǎo)數(shù)，從而補(bǔ)償由于模型不確定性而產(chǎn)生的誤差；最后，基于水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜工況，針對(duì)不同情況得到不同的回轉(zhuǎn)速度。[0158] 本實(shí)例提出了一種水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置無(wú)模型自適應(yīng)控制方法，通過(guò)在線調(diào)整偽偏導(dǎo)數(shù)，保證了水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)跟蹤誤差的一致有界性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，比較了現(xiàn)有技術(shù)PID控制系統(tǒng)與無(wú)模型自適應(yīng)水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制性能，結(jié)果表明，無(wú)模型自適應(yīng)控制的水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在負(fù)載不變時(shí)，能夠更快的達(dá)到穩(wěn)定，且抗干擾性更強(qiáng)；在負(fù)載突然加大時(shí)，無(wú)模型自適應(yīng)控制與PID控制相比，能夠更穩(wěn)定的達(dá)到期望回轉(zhuǎn)速度。無(wú)模型自適應(yīng)控制以其本身不依賴模型的特點(diǎn)，具有良好的移植性，只要提供系統(tǒng)的輸入輸出量，就可以得到良好的控制輸出。水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的無(wú)模型自適應(yīng)控制方法對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)模型參數(shù)的不確定性以及未知工況的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性，算法的可控性、穩(wěn)定性更高，可實(shí)現(xiàn)未知工況下水井鉆機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的跟蹤控制。[0159] 以上實(shí)例僅用以說(shuō)明本發(fā)明專利的技術(shù)方案，而非對(duì)其進(jìn)行限制；盡管參照前述實(shí)例對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明專利所要求保護(hù)的技術(shù)方案的精神和范圍。