水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统

权利要求书： 1.一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法，其特征是，所述方法包括下述步骤：(1)信号的采集与设定：

由角度传感器得到液压马达的旋转角度y；

(2)建立水井钻机回转系统的动力学方程：

其中，x1＝θm， x1为液压马达的转角；x2为液压马达的转角速度；x3为液压马达的转角加速度；u为控制信号输入；y为控制系统输出；kp为放大系数；iv为比例放大器转换后的输出电流；uv为角速度传感器的输出电压；xv为负载敏感比例阀的阀芯位移；Qv为负载敏感比例阀的阀口流量；Cd为负载敏感比例阀阀口流量系数；Wv为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为系统负载压力；kq为阀流量增益；kc为阀流量?压力系数；Dm为液压马达的排量；θm为液压马达的转角；Ctm为液压马达的总泄露系数；PL为系统负载压力；t为液压马达两腔及连接管道的总压缩容积；βe为油液有效弹性模量；Jt为马达轴等效总惯量；Bm为粘滞阻尼系数；G为负载的扭矩弹簧刚度；TL为外负载力矩；

(3)进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：

对于所述动力学方程，当Δu(k)≠0时，存在伪偏导数θ(k)，使得Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；

其中，|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；

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

其中，y(k)为k时刻的系统输出，u(k)为k时刻的系统输入；

(4)计算伪偏导数估计律：

其中，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重因子， 为θ(k)的伪偏导数估计值，为θ(k?1)的伪偏导数估计值；

(5)设计无模型自适应控制器：

考虑如下控制准则函数,

* 2 2

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

*

记λ为权重因子,y (k+1)为期望的输出信号；将步骤(3)中动态线性化的数据模型带入输入准则函数，对u(k)求导，并令其求导结果等于零，可得控制算法：其中，ρ∈(0,1]是步长因子，λ＞0为权重因子；

(6)由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)的具体内容为：(31)建立离散时间非线性系统：

Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))其中，u(k)∈R，y(k)∈R分别为k时刻系统的输入与输出；mu，my为两个未知的正整数；

是系统未知的非线性函数；

(32)上述系统满足以下条件：

该系统关于u(k)的偏导数存在且连续；

该系统满足广义Lipschitz条件，当|Δu(k)|≠0时，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；

* *

其中，y (k+1)为系统有界的期望输出信号，u (k)为系统有界的输入信号；Δy(k+1)为相邻两个时刻的输出变化，Δu(k)为相邻两个时刻的输入变化；故Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；Q为一个正常数；

(33)由动力学方程可得下述两式：

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为f(…)的偏导数，|θ(k)|≤Q。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)的具体内容为：(41)建立加权伪偏导数估计准则函数：

(42)对该准则函数关于θ(k)求极值，可得伪偏导数估计律：

4.根据权利要求2所述的一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法，其特征是：所述水井钻机回转系统控制装置结构为：电喷柴油机温度给定模块(4)经温度转换模块(5)与电喷柴油机主体模块(1)相连；电喷柴油机缸数给定模块(8)、电喷柴油机启动信号模块(9)及电喷柴油机速度给定模块(10)经发动机控制器模块(2)与电喷柴油机主体模块(1)相连；

所述电喷柴油机主体模块(1)与变速齿轮箱模块(7)相连；变速齿轮箱模块(7)连接减速齿轮箱速度给定模块(11)；所述减速齿轮箱速度给定模块(11)与齿轮泵模块(13)直接相连；

所述齿轮泵模块(13)经高压滤油器模块(14)连接溢流阀模块(15)，溢流阀模块(15)与齿轮泵模块(13)的出油口连接同一油箱模块1(12)；所述齿轮泵模块(13)经高压滤油器模块(14)与液控单向阀(16)模块连接负载敏感比例阀模块(18)的P口；所述负载敏感比例阀模块(18)设置有供油口P，回油口T，输出口A与B，输出口A与B分别连接液压马达模块(21)的进油口与回油口，回油口T连接油箱模块2(17)；所述液压马达模块(21)连接角度传感器模块(22)与角度给定模块(23)；所述角度传感器模块(22)及期望电压给定信号模块(24)与负载敏感比例阀模块控制器(25)相连经比例放大器模块(26)对负载敏感比例阀模块(18)进行控制；所述负载敏感比例阀模块(18)两侧分别连接溢流阀模块2(19)与溢流阀模块3(20)。

5.根据权利要求2所述一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法，其特征是：所述水井钻机回转系统的控制过程包括：电喷柴油机主体模块(1)通过变速齿轮箱模块(7)带动齿轮泵模块(13)作为动力机构为液压马达模块(21)提供动力；高压滤油器模块(14)把齿轮泵模块(13)泵出的高压油进行过滤；溢流阀模块(15)可以作为保护装置,避免油压过高造成设备损害；负载敏感比例阀模块(18)作为节流阀可以控制液压马达模块(21)进油口的液压油流量，作为方向控制阀可以控制液压马达模块(21)的正反运动；液控单向阀模块(16)经高压滤油器模块(14)与齿轮泵模块(13)的出口相连，防止油液回流，并保持锁紧状态；在控制器部分，角度传感器模块(22)将液压马达模块(21)的旋转角度转换为电压信号，与给定的期望电压信号输入控制器，由控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器模块(26)上，将微小的电压信号放大为可以驱动负载敏感比例阀模块(18)阀芯位移的电流信号，进而控制液压马达模块(21)进油口与回油口的流量，对液压马达模块(21)的旋转速度进行控制。

6.一种水井钻机回转装置无模型自适应控制系统，其特征在于：包括：

信号采集模块，由角度传感器得到液压马达的旋转角度y；

动力学方程建立模块，建立水井钻机回转装置无模型自适应控制方法的状态空间方程：其中，x1＝θm， x1为液压马达的转角；x2为液压马达的转角速度；x3为液压马达的转角加速度；u为控制信号输入；y为控制系统输出；kp为放大系数；iv为比例放大器转换后的输出电流；uv为角速度传感器的输出电压；xv为负载敏感比例阀的阀芯位移；Qv为负载敏感比例阀的阀口流量；Cd为负载敏感比例阀阀口流量系数；Wv为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为系统负载压力；kq为阀流量增益；kc为阀流量?压力系数；Dm为液压马达的排量；θm为液压马达的转角；Ctm为液压马达的总泄露系数；PL为系统负载压力；t为液压马达两腔及连接管道的总压缩容积；βe为油液有效弹性模量；Jt为马达轴等效总惯量；Bm为粘滞阻尼系数；G为负载的扭矩弹簧刚度；TL为外负载力矩；

数据模型获得模块，进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：对于所述动力学方程，当Δu(k)≠0时，存在伪偏导数θ(k)，使得：Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；

其中，Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；y(k)为k时刻的系统输出，u(k)为k时刻的系统输入；

伪偏导数估计器，用于计算水井钻机回转系统的伪偏导数估计律：

其中，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重因子， 为θ(k)的伪偏导数估计值，为θ(k?1)的伪偏导数估计值；

水井钻机回转装置无模型自适应控制器设计模块，用于设计水井钻机回转装置的无模型自适应控制器：具体包括：u(k)计算单元，用于将数据模型带入准则函数：* 2 2

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

对u(k)求导，并令求导后的值为零，得到：

在该式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)；

得到：

*

其中，λ为权重因子,用来控制输入量的变化；y(k+1)为期望的液压马达旋转角度信号；

ρ∈(0,1]为步长因子；

由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。

说明书： 一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统技术领域[0001] 本发明专利属于工程机械自动控制技术领域，具体的说，涉及一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统。背景技术[0002] 水井钻机是进行水井钻探施工任务的主要设备。水井钻机通常包括回转系统与推进系统，用于开凿和破碎岩石。由回转马达带动旋转动力头进行回转运动，水井钻机自身做往复冲击运动，通过钻杆，连接套将回转和冲击运动传递给钻头；水井钻机产生的冲击运动可以使岩石破碎，而回转马达产生的回转运动能使破碎岩石磨成更小的微粒；压缩机提供的高压空气可以将微小颗粒，淤泥，泥沙等从孔中吹出而成孔。水井钻机在工作过程中，会遇到各种各样的地质与环境，一台性能好的水井钻机必须能克服多变的地质条件和环境。由于水井钻机工作时的地质面貌的变化，推进与回转液压系统遇到的阻力也是多变的，如果推进与回转系统不能自动克服多变的负载，将直接影响水井钻机的工作效率。

[0003] 目前，水井钻机的回转控制主要通过人工手动控制实现，这依赖与操作人员的工作经验，不恰当的推进力和回转速度，将导致水井钻杆别杆、断杆甚至停机等故障，大大影响施工效率。近年来，国内外学者提出了采用PID控制方法以提高的水井钻机的回转控制性能。但是，在水井钻机钻探系统中，由于井底工况较为复杂，尤其在未知情况下对系统进行控制时，传统PID控制方法需要操作员不断调整参数进行钻机速度的控制，这对系统的性能产生了影响，而且也会产生超调等现象。另外，水井钻机是一种典型的复杂非线性系统，钻机控制系统在实际控制系统中会受到钻机系统本身的复杂性、非线性、建模误差、结构老化和磨损，以及实际作业环境恶劣等因素的影响。由于这些因素的作用，建立一个比较精准的数学模型是比较困难的，鲁棒性也较差。因此，基于模型的控制方法在解决此类问题时受到了挑战。[0004] 针对水井钻机回转装置存在的模型不确定性、未建模动态和外界泥沙等干扰因素，提出一种基于数据驱动的鲁棒无模型自适应控制策略。用于实现水井钻机回转系统的运动控制。对于无模型自适应控制(modelfreeadaptivecontrol，MFAC)，文献(侯忠生，金尚泰.无模型自适应控制：理论与应用)利用受控系统的输入输出数据直接进行控制器的设计与分析，实现了未知非线性受控系统的参数自适应控制和结构自适应控制。无模型自适应控制方法具有良好的移植性，只需要受控系统提供输入输出数据，不依赖数据模型的精确性。将无模型自适应控制用于水井钻机的回转系统中，为复杂多干扰的水井钻探任务提供了一种新的研究思路和方法。[0005] 发明专利内容[0006] 本发明专利针对水井钻机回转系统存在的模型不确定性、未建模动态和外界泥沙等干扰因素，提供了一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统，解决了现有技术中鲁棒性较差的问题，在复杂工况中实现了钻机回转系统的最优控制，提高了钻探效率。[0007] 为解决上述技术问题，本发明专利采用下述技术方案予以实现：[0008] 一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法，所述方法包括下述步骤：[0009] (1)信号的采集与设定：[0010] 由角度传感器得到液压马达的旋转角度y；[0011] (2)建立水井钻机回转系统的动力学方程：[0012][0013][0014][0015] 其中，x1＝θm， x1为液压马达的转角；x2为液压马达的转角速度；x3为液压马达的转角加速度；u为控制信号输入；y为控制系统输出；kp为放大系数；iv为比例放大器转换后的输出电流；uv为角速度传感器的输出电压；xv为负载敏感比例阀的阀芯位移；Qv为负载敏感比例阀的阀口流量；Cd为负载敏感比例阀阀口流量系数；Wv为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为系统负载压力；kq为阀流量增益；kc为阀流量?压力系数；Dm为液压马达的排量；θm为液压马达的转角；Ctm为液压马达的总泄露系数；PL为系统负载压力；t为液压马达两腔及连接管道的总压缩容积；βe为油液有效弹性模量；Jt为马达轴等效总惯量；Bm为粘滞阻尼系数；G为负载的扭矩弹簧刚度；TL为外负载力矩；

[0016] (3)进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：[0017] 对于所述动力学方程，当Δu(k)≠0时，存在伪偏导数θ(k)，使得[0018] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；[0019] 其中，|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；[0020] Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；[0021] 其中，y(k)为k时刻的系统输出，u(k)为k时刻的系统输入；[0022] (4)计算伪偏导数估计律：[0023][0024] 其中，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重因子， 为θ(k)的伪偏导数估计值，为θ(k?1)的伪偏导数估计值；[0025] (5)设计无模型自适应控制器：[0026] 考虑如下控制准则函数,[0027] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2；[0028] 记λ为权重因子,y*(k+1)为期望的输出信号；将步骤(3)中动态线性化的数据模型带入输入准则函数，对u(k)求导，并令其求导结果等于零，可得控制算法：[0029][0030] 其中，ρ∈(0,1]是步长因子，λ＞0为权重因子；[0031] (6)由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。[0032] 进一步的，步骤(3)的具体内容为：[0033] (31)建立离散时间非线性系统：[0034] Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))[0035] 其中，u(k)∈R，y(k)∈R分别为k时刻系统的输入与输出；mu，my为两个未知的正整数；f(…): 是系统未知的非线性函数；[0036] (32)上述系统满足以下条件：[0037] 该系统关于u(k)的偏导数存在且连续；[0038] 该系统满足广义Lipschitz条件，当…Δu(k)|≠0时，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；[0039] 其中，y*(k+1)为系统有界的期望输出信号，u*(k)为系统有界的输入信号；Δy(k+1)为相邻两个时刻的输出变化，Δu(k)为相邻两个时刻的输入变化；故Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；Q为一个正常数；

[0040] (33)由动力学方程可得下述两式：[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为f(…)的偏导数，|θ(k)|≤Q。[0044] 更进一步的，步骤(4)的具体内容为：[0045] (41)建立加权伪偏导数估计准则函数：[0046][0047] (42)对该准则函数关于θ(k)求极值，可得伪偏导数估计律：[0048][0049] 进一步的，参见图4所示为水井钻机回转系统的结构：电喷柴油机温度给定模块(4)经温度转换模块(5)与电喷柴油机主体模块(1)相连；电喷柴油机缸数给定模块(8)、电喷柴油机启动信号模块(9)及电喷柴油机速度给定模块(10)经发动机控制器模块(2)与电喷柴油机主体模块(1)相连；所述电喷柴油机主体模块(1)与变速齿轮箱模块(7)相连；变速齿轮箱模块(7)连接减速齿轮箱速度给定模块(11)；所述减速齿轮箱速度给定模块(11)与齿轮泵模块(13)直接相连；所述齿轮泵模块(13)经高压滤油器模块(14)连接溢流阀模块(15)，溢流阀模块(15)与齿轮泵模块(13)的出油口连接同一油箱模块1(12)；所述齿轮泵模块(13)经高压滤油器模块(14)与液控单向阀(16)模块连接负载敏感比例阀模块(18)的P口；所述负载敏感比例阀模块(18)设置有供油口P，回油口T，输出口A与B，输出口A与B分别连接液压马达模块(21)的进油口与回油口，回油口T连接油箱模块2(17)；所述液压马达模块(21)连接角度传感器模块(22)与角度给定模块(23)；所述角度传感器模块(22)及期望电压给定信号模块(24)与负载敏感比例阀模块控制器(25)相连经比例放大器模块(26)对负载敏感比例阀模块(18)进行控制；所述负载敏感比例阀模块(18)两侧分别连接溢流阀模块2(19)与溢流阀模块3(20)。

[0050] 更进一步的，所述水井钻机回转系统的控制过程包括：电喷柴油机主体模块(1)通过变速齿轮箱模块(7)带动齿轮泵模块(13)作为动力机构为液压马达模块(21)提供动力；高压滤油器模块(14)把齿轮泵模块(13)泵出的高压油进行过滤；溢流阀模块(15)可以作为保护装置,避免油压过高造成设备损害；负载敏感比例阀模块(18)作为节流阀可以控制液压马达模块(21)进油口的液压油流量，作为方向控制阀可以控制液压马达模块(21)的正反运动；液控单向阀模块(16)经高压滤油器模块(14)与齿轮泵模块(13)的出口相连，防止油液回流，并保持锁紧状态；在控制器部分，角度传感器模块(22)将液压马达模块(21)的旋转角度转换为电压信号，与给定的期望电压信号输入控制器，由控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器模块(26)上，将微小的电压信号放大为可以驱动负载敏感比例阀模块(18)阀芯位移的电流信号，进而控制液压马达模块(21)进油口与回油口的流量，对液压马达模块(21)的旋转速度进行控制。

[0051] 一种水井钻机回转装置无模型自适应控制系统，其特征在于：包括：[0052] 信号采集模块，由角度传感器得到液压马达的旋转角度y；[0053] 动力学方程建立模块，建立水井钻机回转系统的状态空间方程：[0054][0055][0056][0057] 其中，x1＝θm， x1为液压马达的转角；x2为液压马达的转角速度；x3为液压马达的转角加速度；u为控制信号输入；y为控制系统输出；kp为放大系数；iv为比例放大器转换后的输出电流；uv为角速度传感器的输出电压；xv为负载敏感比例阀的阀芯位移；Qv为负载敏感比例阀的阀口流量；Cd为负载敏感比例阀阀口流量系数；Wv为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为系统负载压力；kq为阀流量增益；kc为阀流量?压力系数；Dm为液压马达的排量；θm为液压马达的转角；Ctm为液压马达的总泄露系数；PL为系统负载压力；t为液压马达两腔及连接管道的总压缩容积；βe为油液有效弹性模量；Jt为马达轴等效总惯量；Bm为粘滞阻尼系数；G为负载的扭矩弹簧刚度；TL为外负载力矩；

[0058] 数据模型获得模块，进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：对于所述动力学方程，当Δu(k)≠0时，存在伪偏导数θ(k)，使得：[0059] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；[0060] 其中，Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；y(k)为k时刻的系统输出，u(k)为k时刻的系统输入；[0061] 伪偏导数估计器，用于计算水井钻机回转系统的伪偏导数估计律：[0062][0063] 其中，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重因子， 为θ(k)的伪偏导数估计值，为θ(k?1)的伪偏导数估计值；[0064] 水井钻机回转系统无模型自适应控制器设计模块，用于设计水井钻机回转系统的无模型自适应控制器：具体包括：u(k)计算单元，用于将数据模型带入准则函数：[0065] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2；[0066] 对u(k)求导，并令求导后的值为零，得到：[0067][0068] 在该式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)；[0069] 得到：[0070][0071] 其中，λ为权重因子,用来控制输入量的变化；y*(k+1)为期望的液压马达旋转角度信号；ρ∈(0,1]为步长因子；[0072] 由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。[0073] 与现有技术相比，本发明专利的优点与积极效果是：本发明专利的一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统，通过角度传感器采集水井钻机回转系统液压马达旋转角度y；建立水井钻机回转系统的动力学方程；并采用紧格式动态线性化方法获得水井钻机回转系统的数据模型；计算水井钻机回转系统的伪偏导数估计律；设计水井钻机回转系统无模型自适应控制器；由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。无模型自适应控制器有良好的可移植性，只需要控制系统提供输入输出量，对系统复杂，建模困难的系统有良好的适应性。因此，本实施例的控制方法及系统，通过水井钻机回转系统的无模型自适应控制器抑制了在水井钻机钻进过程中不确定因素引起的振荡，具有较强的抗干扰性与鲁棒性，更加符合水井钻机实际工况。[0074] 结合附图阅读本发明专利的具体实施方式后，本发明专利的其他特点和优点将变得更加清楚。附图说明[0075] 图1为水井钻机回转装置无模型自适应控制方法的实施例流程图；[0076] 图2为本发明专利提出的一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法的结构框图；[0077] 图3为现有技术中PID控制系统的结构框图；[0078] 图4为水井钻机回转装置原理图；[0079] 图5为负载为零时的角速度输出曲线；[0080] 图6为负载为600N时的输出角速度输出曲线；[0081] 图7为负载突变时角速度输出曲线；[0082] 图8为阀芯位移为0.003m时不同控制器下的跟踪轨迹曲线；[0083] 图9为阀芯位移为0.006m时不同控制器下的跟踪轨迹曲线；[0084] 图10为负载突变时阀芯位移在不同控制器下的跟踪轨迹曲线；[0085] 图4中标号：1?电喷柴油机主体模块，2?发动机控制器模块，3?电喷柴油机废气排放模块，4?电喷柴油机温度给定模块，5?温度转换模块，6?减速齿轮箱速度给定模块，7?变速齿轮箱模块，8?电喷柴油机缸数给定模块，9?电喷柴油机启动信号模块，10?电喷柴油机速度给定模块，11?减速齿轮箱速度给定模块，12?油箱模块1，13?齿轮泵模块，14?高压滤油器，15?溢流阀模块1，16?液控单向阀模块，17?油箱模块2，18?负载敏感比例阀，19?溢流阀模块2，20?溢流阀模块3，21?液压马达模块，22?角度传感器模块，23?角度给定模块，24?期望电压给定信号模块，25?负载敏感比例阀控制器，26?比例放大器模块。具体实施方式[0086] 为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明专利做进一步详细说明。[0087] 本发明专利针对水井钻机回转系统存在的模型不确定、未建模动态和外界泥沙等干扰因素，提供了一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统。在水井钻机回转系统中，以液压马达作为回转装置，对水井钻机回转装置无模型自适应控制系统进行详细说明。[0088] 参见图1所示，本实施例的水井钻机回转装置无模型自适应控制系统，具体包括下述步骤：[0089] 步骤S1：信号的采集与设置：[0090] 由角度传感器得到水井钻机回转系统液压马达的旋转角度y；[0091] 步骤S2：由水井钻机回转系统的动力学方程建立数学模型：[0092] (S21)记kp为放大系数；iv为转换后的输出电流；uv为角速度传感器的输出电压；xv为负载敏感比例阀的阀芯位移；比例放大器增益为：[0093][0094] 负载敏感比例阀增益为：[0095][0096] (S22)记Qv为负载敏感比例阀的阀口流量；Cd为负载敏感比例阀阀口流量系数；Wv为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为系统负载压力；负载敏感比例阀阀口流量为：[0097][0098] (S23)当忽略马达外泄露系数的条件下QL＝Qv，QL为负载流量；[0099] 记kq为阀流量增益；kc为阀流量?压力系数；对上述非线性的阀口流量关系进行线性化处理为:[0100] Qv＝Kqxv?KcPL；(4)[0101] (S24)Dm为液压马达的排量；θm为液压马达的转角；Ctm为液压马达的总泄露系数；PL为系统负载压力；t为液压马达两腔及连接管道的总压缩容积；βe为油液有效弹性模量；液压马达流量连续方程为：[0102][0103] (S25)记Jt为马达轴等效总惯量，Bm为粘滞阻尼系数；G为负载的扭矩弹簧刚度，TL为外负载力矩；液压马达动态力矩平衡方程为：[0104][0105] (S26)令x1＝θm， x1为液压马达的转角；x2为液压马达的转角速度；x3为液压马达的转角加速度；可得水井钻机回转系统的状态空间方程为：

[0106][0107][0108][0109] 步骤S3：进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：[0110] (S31)建立离散时间非线性系统：[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分别为k时刻系统的输入与输出；mu，my为两个未知的正整数；f(…): 是系统未知的非线性函数；[0113] (S32)上述离散时间非线性系统满足以下条件：[0114] 该系统关于u(k)的偏导数存在且连续；[0115] 该系统满足广义Lipschitz条件，当|Δu(k)|≠0时，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；[0116] 其中，y*(k+1)为系统有界的期望输出信号，u*(k)为系统有界的期望输入信号；Δy(k+1)为相邻两个时刻的输出变化，Δu(k)为相邻两个时刻的输入变化，故Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；Q为一个正常数；

[0117] (S33)由动力学方程可得下述两式：[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为一个正常数；B为f(…)的偏导数；[0124] 步骤S4：计算伪偏导数估计律：[0125] (S41)建立加权伪偏导数估计准则函数：[0126][0127] (S42)对该准则函数关于θ(k)求极值，可得伪偏导数估计律：[0128][0129] 其中，η∈(0,1]为步长因子，μ＞0为权重因子， 为θ(k)的伪偏导数估计值，为θ(k?1)的伪偏导数估计值；[0130] 步骤S5：设计无模型自适应控制器：[0131] 考虑如下控制准则函数,[0132] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2(14)[0133] 其中，λ为权重因子,y*(k+1)为期望的输出信号；[0134] 将步骤S3中的式(10)带入输入准则函数，对u(k)求导，并令其等于零，可得控制算法：[0135][0136] 在该式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)，得到：[0137][0138] 其中，λ为权重因子,用来控制输入量的变化；y*(k+1)为期望的输出量信号；[0139] ρ∈(0,1]为步长因子；[0140] 步骤S6：水井钻机回转系统回转速度调节模块，由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。[0141] 本实例的一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法，通过角度传感器采集水井钻机回转系统液压马达旋转角度y；建立水井钻机回转系统的动力学方程；并采用紧格式动态线性化方法获得水井钻机回转系统的数据模型；计算水井钻机回转系统的伪偏导数估计律；设计水井钻机回转系统无模型自适应控制器；由于液压系统的复杂性，水井钻机回转系统由液压马达进行驱动，角度传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压马达的旋转角度y(k?1)输出为反馈电压信号uf，电压信号Δu(k?1)经控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器上，比例放大器将电压信号转换为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，负载敏感比例阀可以调节液压马达进油口与回油口的流量，通过液压传动机构，进而可以调节液压马达的旋转速度。无模型自适应控制器有良好的可移植性，只需要控制系统提供输入输出量，对系统复杂，建模困难的系统有良好的适应性。因此，本实施例的控制方法及系统，通过水井钻机回转系统的无模型自适应控制器抑制了在水井钻机钻进过程中不确定因素引起的振荡，具有较强的抗干扰性与鲁棒性，更加符合水井钻机实际工况。[0142] 本实施例的控制方法是一种以无模型自适应控制算法为基础的水井钻机回转装置控制方法，能够有效解决水井钻机回转系统的控制问题，该方法对水井钻机回转系统存在的模型不确定、未建模动态和外界泥沙等干扰因素所造成的输出误差与超调问题，有很好的解决效果，可以提高水井钻机在复杂工况下的控制精度，满足了水井钻机回转系统对鲁棒性与抗干扰性的要求。[0143] 参见图4所示为水井钻机回转系统的结构：电喷柴油机温度给定模块(4)经温度转换模块(5)与电喷柴油机主体模块(1)相连；电喷柴油机缸数给定模块(8)、电喷柴油机启动信号模块(9)及电喷柴油机速度给定模块(10)经发动机控制器模块(2)与电喷柴油机主体模块(1)相连；所述电喷柴油机主体模块(1)与变速齿轮箱模块(7)相连；变速齿轮箱模块(7)连接减速齿轮箱速度给定模块(11)；所述减速齿轮箱速度给定模块(11)与齿轮泵模块(13)直接相连；所述齿轮泵模块(13)经高压滤油器模块(14)连接溢流阀模块(15)，溢流阀模块(15)与齿轮泵模块(13)的出油口连接同一油箱模块1(12)；所述齿轮泵模块(13)经高压滤油器模块(14)与液控单向阀(16)模块连接负载敏感比例阀模块(18)的P口；所述负载敏感比例阀模块(18)设置有供油口P，回油口T，输出口A与B，输出口A与B分别连接液压马达模块(21)的进油口与回油口，回油口T连接油箱模块2(17)；所述液压马达模块(21)连接角度传感器模块(22)与角度给定模块(23)；所述角度传感器模块(22)及期望电压给定信号模块(24)与负载敏感比例阀模块控制器(25)相连经比例放大器模块(26)对负载敏感比例阀模块(18)进行控制；所述负载敏感比例阀模块(18)两侧分别连接溢流阀模块2(19)与溢流阀模块3(20)。[0144] 参见图4所示为水井钻机回转系统的控制过程为：电喷柴油机主体模块(1)通过变速齿轮箱模块(7)带动齿轮泵模块(13)作为动力机构为液压马达模块(21)提供动力；高压滤油器模块(14)把齿轮泵模块(13)泵出的高压油进行过滤；溢流阀模块(15)可以作为保护装置,避免油压过高造成设备损害；负载敏感比例阀模块(18)作为节流阀可以控制液压马达模块(21)进油口的液压油流量，作为方向控制阀可以控制液压马达模块(21)的正反运动；液控单向阀模块(16)经高压滤油器模块(14)与齿轮泵模块(13)的出口相连，防止油液回流，并保持锁紧状态；在控制器部分，角度传感器模块(22)将液压马达模块(21)的旋转角度转换为电压信号，与给定的期望电压信号输入控制器，由控制器计算输出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器模块(26)上，将微小的电压信号放大为可以驱动负载敏感比例阀模块(18)阀芯位移的电流信号，进而控制液压马达模块(21)进油口与回油口的流量，对液压马达模块(21)的旋转速度进行控制。[0145] 本实例中，水井钻机系统中设备核心参数取值，如表1所示。[0146][0147][0148] 表1水井钻机回转系统中控制装置的设备核心参数。[0149] 具体的控制系统的工作过程，已经在上述控制方法中详述，此处不再赘述。下面对现有技术中PID控制系统以及本实施例的无模型自适应控制水井钻机回转系统进行分析。[0150] 在MATLAB/Simulink仿真环境下建立了水井钻机回转系统的无模型自适应控制器，钻机回转系统中的设备参数如表1所示。根据实际系统的调试情况，设计无模型自适应控制器参数的取值η、μ、ρ、λ、β、K1，并适当选取MFAC控制对照组PID控制的参数KP、Ki、Kd。[0151] 图5为负载为零时的转角速度跟踪曲线。负载为零时，比较系统加入无模型自适应控制器与PID控制器以及未加控制器时系统输出转角速度曲线与期望输出转角速度的曲线。由图所示，未加控制器时系统一直存在波动，不能达到平稳；加入PID控制器时，由于初始负载量为零，控制器的初始调节存在一个大的振荡，系统稳定时间为0.16s，但有5rad/s的超调；MFAC控制器可在0.15s达到系统稳定，且能够保证响应过程中无超调。[0152] 图6为负载为600N时的转角速度跟踪曲线。由图6所示，未加控制器时系统不能达到完全稳定；加入PID控制器时，系统稳定时间0.17s，但有2.5rad/s的超调，并且由于系统初始负载值变化，PID控制有一个大的振荡；MFAC控制器可在0.16s达到系统稳定，且能够保证响应过程中无超调。[0153] 图7为负载从600N突变为1000N时的转角速度跟踪曲线。由图7所示，在负载突然增大时，加入PID控制器与MFAC比不加入控制器有更好的调节性能；MFAC控制器在负载突然加大时的稳定前的波动大于PID控制器，但是比PID控制器在更短的时间内达到稳定，且无超调。综合图5、图6与图7可以看出，基于无模型自适应控制的水井钻机回转系统显著提高了控制系统的响应速度和鲁棒性。[0154] 图8为阀芯位移为0.003m时在不同控制器下的跟踪轨迹曲线。如图所示，未加控制器时，阀芯位移跟踪曲线一直有波动，不能达到稳定；经PID控制器调节的阀芯位移在0.16s达到稳定，但是存在0.0005m的超调；MFAC能够在0.15s达到系统稳定，并且无超调。[0155] 图9为阀芯位移为0.006m时在不同控制器下的跟踪轨迹曲线。如图所示，未加控制器时，阀芯位移跟踪曲线一直有波动，不能达到稳定；经PID控制器调节的阀芯位移在0.15s达到稳定，但是存在0.0003m的超调；MFAC能够在0.14s达到系统稳定，存在0.00015m的超调。[0156] 图10为阀芯位移突变时在不同控制器下的跟踪轨迹曲线。阀芯位移在0.1s时从0.003m突变到0.006m时，未加控制器时阀芯位移跟踪曲线一直有波动，并且很难达到期望的阀芯位移；经PID控制器调节的阀芯位移在0.15s达到稳定，但是存在0.0005m的超调；

MFAC能够在0.14s达到系统稳定，且无超调量。MFAC控制，在钻机运行的复杂工况下，有更好的控制性能。

[0157] 本发明专利针对水井钻机回转系统存在的模型不确定、未建模动态和外界泥沙等干扰因素，提供了一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法及系统。在水井钻机回转系统中，以液压马达作为回转装置，对水井钻机回转装置无模型自适应控制系统进行了详细说明。所提出的水井钻机回转系统控制器本质上是一种数据驱动的控制方法，其考虑了水井钻机回转系统存在的结构和参数不确定等建模复杂的问题，基于输入输出数据在线逼近其模型中的非线性不确定项；在动态线性化的技术下，提出了面向该类复杂非线性系统的无模型自适应控制方法；通过回转系统在当前工作点轨线附近用一系列的动态线性化模型来替代离散非线性系统，同时仅利用动力定位系统的I/O数据来在线估计动态线性化模型中的伪偏导数，从而补偿由于模型不确定性而产生的误差；最后，基于水井钻机回转系统的复杂工况，针对不同情况得到不同的回转速度。[0158] 本实例提出了一种水井钻机回转装置无模型自适应控制方法，通过在线调整伪偏导数，保证了水井钻机回转系统跟踪误差的一致有界性。通过仿真实验，比较了现有技术PID控制系统与无模型自适应水井钻机回转系统的控制性能，结果表明，无模型自适应控制的水井钻机回转系统在负载不变时，能够更快的达到稳定，且抗干扰性更强；在负载突然加大时，无模型自适应控制与PID控制相比，能够更稳定的达到期望回转速度。无模型自适应控制以其本身不依赖模型的特点，具有良好的移植性，只要提供系统的输入输出量，就可以得到良好的控制输出。水井钻机回转系统的无模型自适应控制方法对回转系统模型参数的不确定性以及未知工况的扰动具有较强的鲁棒性，算法的可控性、稳定性更高，可实现未知工况下水井钻机回转系统的跟踪控制。[0159] 以上实例仅用以说明本发明专利的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实例对本发明专利进行了详细的说明，对本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利所要求保护的技术方案的精神和范围。