水井钻机推进装置无模型自适应控制方法及系统

权利要求书： 1.一种水井钻机推进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：

由位移传感器得到液压油缸活塞的位移量y；

(2)建立水井钻机推进系统的动力学方程：

其中，x1为液压缸活塞杆位移；x2液压缸活塞杆速度；x3为液压缸活塞的加速度；u为控制信号输入；y为系统输出；F为负载阻力；Mt为柱塞及负载折算到柱塞的总质量；A1为柱塞有效面积；t为缸腔及管道的总容积；Ct为液压缸外泄露系数；βe为液压油等效体积弹性模量，k为负载弹性刚度；kv比例放大器的增益；kp为负载敏感比例阀的阀芯位移与控制信号的比例系数；D为柱塞及负载运动中的粘滞摩擦系数；ρ为液体密度；Cξ为负载敏感比例阀阀口流量系数；w为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为负载压力；sign(xv)为符号函数；xv为阀口开度；

(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，水井钻机推进系统由液压油缸的正反运动控制，位移传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进。

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：

y(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；f(…): 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所述的方法，其特征是：水井钻机推进系统控制装置包括：电喷柴油机、齿轮泵、溢流阀、高压滤油器、负载敏感比例阀、比例放大器、液压油缸、油箱；所述电喷柴油机与齿轮泵直接相连；所述齿轮泵连接高压滤油器，并与溢流阀连接同一油箱；所述负载敏感比例阀设置有供油口P，回油口T，输出口A与B，输出口A与B分别连接液压油缸的进油口与回油口；所述液压油缸内置磁致伸缩位移传感器，与控制器输入端相连；所述控制器为无模型自适应控制器；所述控制器输出端连接比例放大器，控制信号由电压信号转换为电流信号，作为负载敏感比例阀的驱动信号。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是：水井钻机推进系统的控制过程包括：电喷柴油机带动齿轮泵作为动力机构为液压油缸提供动力；高压滤油器与溢流阀可以作为保护装置避免油压过高造成设备损害；负载敏感比例阀作为节流阀可以控制液压油缸进油口的液压油流量，作为方向控制阀可以控制液压油缸的活塞杆左右运动；在控制器部分，磁致伸缩位移传感器将液压油缸活塞位移量转换为电压信号，与给定的期望电压信号一块输入控制器，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上，将微小的电压信号放大为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，进而控制液压油缸两个腔的流量，从而推动活塞杆运动，产生输出量推进力。

6.一种水井钻机推进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，由位移传感器得到活塞杆的位移y；

动力学方程模块，建立水井钻机推进系统的状态空间方程：

其中，x1为液压缸活塞杆位移；x2液压缸活塞杆速度；x3为液压缸活塞的加速度；u为控制信号输入；y为系统输出；F为负载阻力；Mt为柱塞及负载折算到柱塞的总质量；A1为柱塞有效面积；t为缸腔及管道的总容积；Ct为液压缸外泄露系数；βe为液压油等效体积弹性模量，k为负载弹性刚度；kv比例放大器的增益；kp为负载敏感比例阀的阀芯位移与控制信号的比例系数；D为柱塞及负载运动中的粘滞摩擦系数；ρ为液体密度；Cξ为负载敏感比例阀阀口流量系数；w为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为负载压力；sign(xv)为符号函数；xv为阀口开度；

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；

伪偏导数估计律模块，用于计算水井钻机推进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；

水井钻机推进系统无模型自适应控制器设计模块，用于设计水井钻机推进系统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，并令其求导结果等于零，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)为期望的活塞位移信号；ρ∈(0,1]为步长因子；

由于液压系统的复杂性，水井钻机推进系统由液压油缸的正反运动控制，位移传感器将检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进。

说明书： 一种水井钻机推进装置无模型自适应控制方法及系统技术领域[0001] 本发明属于工程机械自动控制技术领域，具体的说，涉及一种水井钻机推进系统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和推进系统，并且具有接立根、自动输送和排放钻杆等功能。水井钻机主要采用液压系统作为动力源，通过对液压系统的工况进行分析，可以明确负载情况、控制对象、控制内容及控制要求。回转系统通过阀控液压马达系统，实现岩层的旋转切削。推进系统通过液压油缸为水井钻机提供钻探的轴向推进力，带动水井钻机动力头进行冲击。推进系统的功能是调节旋转动力头的冲击力，相当于调节孔底压力，其特性就是当推进机构推进力为给定值时，钻进速度随岩层可钻性改变时适时改变。在水井钻机的钻探过程中，由于围岩内部的情况复杂，设置恰当的推进力至关重要。当推进力过小时，钻头与孔底岩石不能紧密接触，将降低钻进速度。当推进力过大时，会使钻头磨损严重，甚至会使钻杆断杆。[0003] 目前，水井钻机的钻进控制主要通过人工手动控制实现，这依赖于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PI控制方法以提高的水井钻机的钻进控制性能。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PI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] 针对水井钻机推进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。用于实现水井钻机推进系统的运动控制。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推进系统中，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。发明内容[0005] 本发明针对水井钻机推进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推进系统无模型自适应控制方法及系统，解决了现有技术中的鲁棒性较差的问题，在复杂工况中实现了钻机推进系统的最优控制，提高了钻探效率。[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案予以实现：[0007] 一种水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统，所述方法包括下述步骤：[0008] (1)信号的采集与设定：[0009] 由位移传感器得到液压油缸活塞的位移量y；[0010] (2)建立水井钻机推进系统的动力学方程：[0011][0012][0013][0014] 其中，x1为液压缸活塞杆位移；x2液压缸活塞杆速度；x3为液压缸活塞的加速度；u为控制信号输入；y为系统输出；F为负载阻力；Mt为柱塞及负载折算到柱塞的总质量；A1为柱塞有效面积；t为缸腔及管道的总容积；Ct为液压缸外泄露系数；βe为液压油等效体积弹性模量，k为负载弹性刚度系数；kv为比例放大器的增益；kp为负载敏感比例阀的阀芯位移与控制信号的比例系数；D为柱塞及负载运动中的粘滞摩擦系数；ρ为液体密度；Cξ为负载敏感比例阀阀口流量系数；w为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为负载压力；xv为阀口开度，sign(xv)为符号函数；[0015] (3)进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：[0016] 对于所述动力学方程，当Δu(k)≠0时，存在伪偏导数θ(k)，使得[0017] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)；[0018] 其中，|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；[0019] Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；[0020] 其中，y(k)为k时刻的系统输出，u(k)为k时刻的系统输入；[0021] (4)计算伪偏导数估计律：[0022][0023] 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；[0024] (5)设计无模型自适应控制器：[0025] 考虑如下控制准则函数,[0026] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2；[0027] 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：[0028][0029] 其中，ρ∈(0,1]是步长因子，λ＞0为权重因子；[0030] (6)由于液压系统的复杂性，水井钻机推进系统由液压油缸的正反运动控制，位移传感器检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进；[0031] 进一步的，步骤(3)的具体内容为：[0032] (31)建立离散时间非线性系统：[0033] Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))[0034] 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；[0035] (32)上述系统满足以下条件：[0036] 该系统关于u(k)的偏导数存在且连续；[0037] 该系统满足广义Lipschitz条件，当|Δu(k)|≠0时，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；[0038] 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；

[0039] (33)由状态空间方程可得下述两式：[0040][0041] 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))；[0042] 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；[0043] 更进一步的，步骤(4)的具体内容为：[0044] (41)建立加权伪偏导数估计准则函数：[0045][0046] (42)对该准则函数关于θ(k)求极值，可得伪偏导数估计律：[0047][0048] 进一步的，所述水井钻机推进系统控制装置包括：电喷柴油机、齿轮泵、溢流阀、高压滤油器、负载敏感比例阀、比例放大器、液压油缸、油箱；所述电喷柴油机与齿轮泵直接相连；所述齿轮泵连接高压滤油器，并与溢流阀连接同一油箱；所述负载敏感比例阀设置有供油口P，回油口T，输出口A与B，输出口A与B分别连接液压油缸的进油口与回油口；所述液压油缸内置磁致伸缩位移传感器，与控制器输入端相连；所述控制器为无模型自适应控制器；所述控制器输出端连接比例放大器，控制信号由电压信号转换为电流信号，作为负载敏感比例阀的驱动信号；

[0049] 更进一步的，所述水井钻机推进系统的控制过程包括：电喷柴油机带动齿轮泵作为动力机构为液压油缸提供动力；高压滤油器与溢流阀可以作为保护装置避免油压过高造成设备损害；负载敏感比例阀作为节流阀可以控制液压油缸进油口的液压油流量，作为方向控制阀可以控制液压油缸的活塞杆左右运动；在控制器部分，磁致伸缩位移传感器将液压油缸活塞位移量转换为电压信号，与给定的初始电压信号作为控制器的输入量，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上，比例放大器将微小的电压信号放大为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，进而控制液压油缸两个腔的流量，从而推动活塞杆运动，产生输出量推进力；[0050] 一种水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统，其特征在于：包括：[0051] 信号采集模块，由位移传感器得到活塞杆的运动速度y；[0052] 动力学方程建立模块，建立水井钻机推进系统的状态空间方程：[0053][0054][0055][0056] 其中，x1为液压缸活塞杆位移；x2液压缸活塞杆速度；x3为液压缸活塞的加速度；u为控制信号输入；y为系统输出；F为负载阻力；Mt为柱塞及负载折算到柱塞的总质量；A1为柱塞有效面积；t为缸腔及管道的总容积；Ct为液压缸外泄露系数；βe为液压油等效体积弹性模量，k为负载弹性刚度系数；kv为比例放大器的增益；kp为负载敏感比例阀的阀芯位移与控制信号的比例系数；D为柱塞及负载运动中的粘滞摩擦系数；ρ为液体密度；Cξ为负载敏感比例阀阀口流量系数；w为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为负载压力；xv为阀口开度，sign(xv)为符号函数；[0057] 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)；|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；其中，Δy(k+1)＝y(k+1)?y(k)，Δu(k)＝u(k)?u(k?1)；y(k)为k时刻的系统输出，u(k)为k时刻的系统输入；[0058] 伪偏导数估计器，用于计算水井钻机推进系统的伪偏导数估计律：[0059][0060] 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；[0061] 水井钻机推进系统无模型自适应控制器设计模块，用于设计水井钻机推进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：[0062] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2；[0063] 对u(k)求导，并令求导后的值为零，得到：[0064][0065] 在该式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)；[0066] 得到：[0067][0068] 其中，λ为权重因子,用来控制输入量的变化；y*(k+1)为期望的活塞位移信号；ρ∈(0,1]为步长因子；[0069] 由于液压系统的复杂性，水井钻机推进系统由液压油缸的正反运动控制，位移传感器检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进；[0070] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的一种水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统，通过位移传感器采集水井钻机推进系统液压油缸的活塞运动位移y；建立水井钻机推进系统的动力学方程；并采用紧格式动态线性化方法获得水井钻机推进系统的数据模型；计算水井钻机推进系统的伪偏导数估计律；设计水井钻机推进系统无模型自适应控制器；由于液压系统的复杂性，水井钻机推进系统由液压油缸的正反运动控制，位移传感器检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进。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，通过水井钻机推进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的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。[0071] 结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。附图说明[0072] 图1为水井钻机推进系统无模型自适应控制方法的一个实施例的流程图；[0073] 图2为本发明提出的水井钻机推进系统无模型自适应控制方法的结构框图；[0074] 图3为现有技术中PI矢量控制系统下的结构框图；[0075] 图4为水井钻机推进系统的控制装置模拟仿真图；[0076] 图5为负载不变时MFAC控制下负载敏感比例阀阀口开度曲线；[0077] 图6为负载不变时MFAC控制下液压缸速度曲线；[0078] 图7为负载不变时PI控制下负载敏感比例阀阀口开度曲线；[0079] 图8为负载不变时PI控制下液压缸速度曲线；[0080] 图9为相同围岩下MFAC与PI控制推进力的比较曲线；[0081] 图10为不同围岩下MFAC与PI控制的推进力比较曲线；[0082] 图4中附图标记的含义：[0083] 1?电喷柴油机主体模块，2?发动机控制器模块，3?电喷柴油机速度给定模块，4?电喷柴油机温度给定模块，5?温度转换模块，6?变速齿轮箱模块，7?齿轮泵模块，8?高压滤油器模块，9?油箱模块，10?溢流阀模块，11?负载敏感比例阀模块，12?电喷柴油机启动信号模块，13?液压油缸模块，14?负载模拟转换单元，15?负载敏感比例阀控制器，16?位移传感器模块，17?负载力矩转换模块，18?旋转速度传感器模块，19?比例放大器，20?负载力矩给定模块，21?电喷柴油机废气排放模块，22?减速齿轮箱速度给定模块，23?期望电压给定信号模块，24?电喷柴油机缸数给定模块。具体实施方式[0084] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。[0085] 本发明针对水井钻机推进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推进系统无模型自适应控制方法及系统。在水井钻机推进系统中，以液压油缸作为推进装置，对水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统进行详细说明。[0086] 参见图1所示，本实施例的水井钻机推进系统无模型自适应控制方法，具体包括下述步骤：[0087] 步骤S1：信号的采集与设置：[0088] 由位移传感器得到水井钻机推进系统液压油缸的活塞杆位移y；[0089] 步骤S2：由水井钻机推进系统的动力学方程建立数学模型：[0090] (S21)记Q1、Q2分别为液压油缸进油口与回油口流量，Cξ为负载敏感比例阀阀口流量系数，w为负载敏感比例阀面积梯度，xv为k时刻负载敏感比例阀阀口开度大小，P1、P2分别为进油腔与回油腔的压力，Ps为系统额定压力，P0为回油压力，其流量方程为：[0091][0092][0093] (S22)记活塞杆位移x1，Ct为液压缸外泄露系数，Cip为液压缸内泄露系数，1、2为液压缸进油腔与回油腔体积，βe为液压油等效体积弹性模量，A1、A2分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积，其液压油缸连续方程为：[0094][0095][0096] (S23)记Mt为柱塞及负载折算到柱塞的总质量，k为负载弹性刚度系数，D为柱塞及负载运动中的粘滞摩擦系数，F为负载力矩，其活塞的力平衡方程为：[0097][0098] (S24)式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得水井钻机推进系统的状态空间方程：[0099][0100][0101][0102] 其中，x1为液压缸活塞杆位移；x2液压缸活塞杆速度；x3为液压缸活塞的加速度；u为控制信号输入；y为系统输出；F为负载阻力；Mt为柱塞及负载折算到柱塞的总质量；A1为柱塞有效面积；t为缸腔及管道的总容积；Ct为液压缸外泄露系数；βe为液压油等效体积弹性模量，k为负载弹性刚度系数；kv为比例放大器的增益；kp为负载敏感比例阀的阀芯位移与控制信号的比例系数；D为柱塞及负载运动中的粘滞摩擦系数；ρ为液体密度；Cξ为负载敏感比例阀阀口流量系数；w为负载敏感比例阀面积梯度；Ps为系统额定压力；PL为负载压力；xv为阀口开度，sign(xv)为符号函数；[0103] 步骤S3：进行紧格式动态线性化处理，获得数据模型：[0104] (S31)建立离散时间非线性系统：[0105] Δy(k+1)＝f(y(k),…,y(k?my),u(k),…,u(k?mu))(7)[0106] 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；[0107] (S32)上述离散时间非线性系统满足以下条件：[0108] 该系统关于u(k)的偏导数存在且连续；[0109] 该系统满足广义Lipschitz条件，当|Δu(k)|≠0时，有|Δy(k+1)|≤Q|Δu(k)|；[0110] 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；

[0111] (S33)由动力学方程可得下述两式：[0112] Δy(k+1)＝f(y(k),y(k?1),y(k?2),u(k))?f(y(k),y(k?1),y(k?2),u(k?1))[0113] +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))[0114] ＝BΔu(k)+ξ(k)(8)[0115] 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))(9)[0116] 由于|Δu(k)|≠0，故方程ξ(k)＝η(k)u(k)有解η(k)；[0117] 令θ(k)＝B+η(k)；可以得到：[0118] Δy(k+1)＝θ(k)Δu(k)(10)[0119] 其中，|θ(k)|≤Q，Q为一个正常数；B为f(…)的偏导数；[0120] 步骤S4：计算伪偏导数估计律：[0121] (S41)建立加权伪偏导数估计准则函数：[0122][0123] (S42)对该准则函数关于θ(k)求极值，可得伪偏导数估计律：[0124][0125] 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；[0126] 步骤S5：设计无模型自适应控制器：[0127] 考虑如下控制准则函数,[0128] J[u(k)]＝|y*(k+1)?y(k+1)|2+λ|u(k)?u(k?1)|2(13)[0129] 其中，λ为权重因子,y*(k+1)为期望的输出信号；[0130] 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[0131][0132] 在该式中，令uMFAC(k)＝u(k)，uMFAC(k?1)＝u(k?1)，得到：[0133][0134] 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；ρ∈(0,1]为步长因子；[0135] 步骤S6：水井钻机推进系统推进力调节模块，由于液压系统的复杂性，水井钻机推进系统由液压油缸的正反运动控制，位移传感器检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进。[0136] 本实施例的一种水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统，通过采集水井钻机推进系统液压油缸的活塞速度y；建立水井钻机推进系统的动力学方程；并采用紧格式动态线性化方法获得水井钻机推进系统的数据模型；计算水井钻机推进系统的伪偏导数估计律；设计水井钻机推进系统无模型自适应控制器；将位移传感器检测得到的水井钻机在k?1阶段的液压油缸活塞杆位移量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控制器上，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油缸进油口与回油口的流量，由液压油缸活塞的受力关系，进而可以调节液压油缸的输出量推进力来控制水井钻机的推进；因此，本实施例的控制方法及系统，通过液压油缸的无模型自适应控制器抑制了在水井钻机钻进过程中的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。[0137] 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推进系统控制方法，能够有效解决水井钻机推进系统的控制问题，该方法对水井钻机推进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，满足了水井钻机推进系统对鲁棒性与抗干扰性的要求。另外，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。[0138] 参见图4所示，为本实施例的水井钻机推进系统的控制装置图。该控制装置通过电喷柴油机带动齿轮泵作为动力装置为液压缸提供动力；负载敏感比例阀既可以作为方向控制装置控制液压油缸的正反运动，又可以作为节流阀控制液压油缸进出油口的流量；液压油缸作为执行机构提供水井钻机的轴向推进力。[0139] 参见图4所示，水井钻机推进系统控制装置结构如下：如图电喷柴油机由电喷柴油机主体模块(1)、发动机控制器模块(2)、电喷柴油机速度给定模块(3)、电喷柴油机温度给定模块(4)，温度转换模块(5)、变速齿轮箱模块(6)、电喷柴油机启动信号模块(12)、旋转速度传感器模块(18)、电喷柴油机废气排放模块(21)、减速齿轮箱扭矩给定模块(22)以及电喷柴油机缸数给定模块(24)组成。发动机控制器模块(2)接收来自电喷柴油机启动信号模块(12)、电喷柴油机缸数给定模块(24)以及电喷柴油机速度给定模块(3)的信号进行柴油机启动与停止的控制；电喷柴油机主体模块(1)通过合理设定柴油机的控制器参数，使得柴油机能够更接近实际工况的运行，主要包括外部负载需求信号，柴油机在工作过程中的压强信号、转速信号、燃烧效率信号、燃烧模式信号、加速控制信号、温度控制信号；变速齿轮箱模块(6)输入来自减速齿轮箱扭矩给定模块(22)与电喷柴油机主体模块(1)的扭矩信号与转速信号；变速齿轮箱模块(6)与旋转速度传感器模块(18)相连；齿轮泵模块(7)连接旋转速度传感器模块(18)；齿轮泵模块(7)与高压滤油器模块(8)直接相连；溢流阀模块(10)与齿轮泵模块(7)连接同一油箱；负载敏感比例阀模块(11)同时连接高压滤油器模块(8)与油箱，且连接有比例放大器(19)接收来自负载敏感比例阀控制器(15)的控制信号；所述负载敏感比例阀(11)与液压油缸模块(13)双向连接；所述液压缸模块(13)与负载模拟转换单元(14)相连，负载模拟转换单元(14)连接线性位移传感器模块(16)；线性传感器模块(16)与负载力矩转换模块(17)相连，负载力矩给定模块(20)提供模拟实验用的钻机推进过程中的负载力矩。[0140] 参见图4所示,水井钻机推进系统控制装置的运动过程为：电喷柴油机通过带动齿轮泵模块(7)啮合进行吸油与排油，齿轮泵模块(7)的转速控制液压油的流量；高压滤油器模块(8)与溢流阀模块(10)可以将多余油压在溢流阀的设定压力下消耗掉，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(11)作为节流阀可以控制液压油缸模块(13)进油口的液压油流量，作为方向控制阀可以控制液压油缸模块(13)的活塞杆左右运动；当水井钻机进行钻具推进时，液压油缸活塞向右运动，负载敏感比例阀模块(11)的供油口P与输出口A相连接，回油口T与输出口B相连，阀芯右移；当水井钻机进行钻具提升时，液压油缸活塞左移，进油口P与输出口B相连，回油口T与输出口A相连，阀芯左移；当阀芯处于中位时，全部油口切断，液压油缸活塞不动；在控制器部分，位移传感器模块(16)将液压油缸的活塞位移量转换为电压信号作为控制器的输入量施加于控制器，由控制器计算出相应的控制信号，将控制信号施加于比例放大器(21)上，将微小的电压信号放大为可以驱动负载敏感比例阀阀芯位移的电流信号，进而控制液压油缸两个腔的流量与压力，从而推动活塞杆运动，产生输出量推进力。[0141] 在实际系统中可以采用适用于液压系统的内置式磁致伸缩位移传感器作为反馈系统，磁致伸缩位移传感器将测得的活塞位移量以电压的形式输出，反馈电压与给定电压作为控制器的输入量，控制器计算输出相应的控制信号，通过比例放大器将电压量的控制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，控制负载敏感比例阀的阀口开度，进而控制液压油缸的流量与压力，从而推动活塞杆运动产生位移，并给被控机构一个推进力。[0142] 本实施例中，水井钻机系统中设备核心参数取值，如表1所示。[0143]参数[单位] 数值 参数[单位] 数值

8 6

βe/(Pa) 6.5×10 D/(N·s/m) 10

3 ?3

Cξ 0.61 t/(m) 10

3 2 ?2

ρ/(kg/m) 850 A1/(m) 10

5

Mt/(kg) 100 F/(N) 1.4×10

?1 5 ?16

k/(A· ) 0.001 Ct/(m(N·s)) 5×10

w(m) 0.0025 kp 0.01

[0144] 表1水井钻机推进系统中控制装置的设备核心参数。[0145] 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PI矢量控制系统以及本实施例的无模型自适应控制水井钻机推进系统进行分析。[0146] 在MATLAB/Simulink仿真环境下建立了水井钻机推进系统的无模型自适应控制器，钻机推进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，并适当选取MFAC控制对照组PI控制的参数KP、Ki。[0147] 图5与图6为负载不变时，无模型自适应控制下水井钻机推进系统的负载敏感比例阀阀口开度曲线与液压油缸速度曲线，仿真时当速度误差减小到零时阀口开度降为零，在图5中，负载敏感比例阀立即响应，但存在0.0005m的超调；仿真时液压油缸活塞运行的初始速度v0为0.1m/s，0.05s时系统即可达到平衡状态，负载敏感比例阀能够立刻响应。[0148] 在对比实验PI控制中，图7中的负载敏感比例阀需要0.125s的响应时间，且存在0.005m的超调；在图8中，常规PI控制下液压缸活塞运行的初始速度为0.1m/s，0.1s时系统可达到平衡状态，而负载敏感比例阀需要0.125s的响应时间。MFAC控制显著提高了控制系统的响应速度，并且能够保证响应过程中无超调。

[0149] 在同一围岩性状下不同控制方式的推进力比较。如附图9所示，比较无模型自适应控制器与PI控制器，当水井钻机在黄土层工作时，MFAC控制在0.01s时即可以达到最优推进力270N，PI控制在0.25s之前，不能达到钻进泥质砂岩中的推进力，在0.25s后可以达到270N的推进力。[0150] 围岩条件突变时不同控制方式的推进力比较。水井钻机在钻进过程中，遇到围岩性状发生突变时，要不断调节负载敏感比例阀的出口压力，使钻机推进力满足最佳性能要求。如附图10所示，在0.5s之前，MFAC控制在0.1s时可以达到稳定，PI控制随着负载加大，有100N的超调，且在0.2s时达到稳定；在0.5s时钻机的工作条件发生突变，围岩性状由泥质砂岩变为中砂岩，此时PI控制推进力也发生突变，MFAC控制能够稳定的达到最优推进力

1150N，且不会发生突变，在钻井的复杂工况下，有更好的控制性能，且对钻井设备有一定的保护。

[0151] 本发明针对水井钻机推进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推进系统无模型自适应控制方法及系统。在水井钻机推进系统中，以液压油缸作为推进装置，对水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统进行了详细说明。所提出的水井钻机推进系统控制器本质上是一种数据驱动的控制方法，其考虑了水井钻机推进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；通过推进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，基于水井钻机推进系统的复杂工况，针对不同情况得到不同的推进力。[0152] 本实例提出了一种水井钻机推进系统无模型自适应控制方法及系统，通过在线调整伪偏导数，保证了水井钻机推进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PI矢量控制系统与无模型自适应水井钻机推进系统的控制性能，结果表明，无模型自适应控制的水井钻机推进系统在负载不变时，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PI控制相比，能够更稳定的达到设定推进力，避免了推进力突变造成的设备损坏。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。水井钻机推进系统的无模型自适应控制方法对推进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推进系统的跟踪控制。[0153] 以上实例仅用以说明本发明的技术方案，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所要求保护的技术方案的精神和范围。