【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于容錯控制領域，具體涉及一種旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法。
技術介紹
1、旋轉導向鉆井工具平臺是油氣開采系統的核心部件，長期運行在高溫高壓的井下惡劣環境中。平臺運行時，由于泥漿發電機供壓不穩、永磁同步電機繞組故障、驅動電路組件故障等原因，極易發生執行器故障。在發生故障后，控制目標要求系統狀態能夠以盡量大的概率運行在指定的界限內，從而使平臺的運行性能得到有效保證。
2、針對含有隨機干擾信號的旋轉導向鉆井工具平臺，現有技術包括容錯鎮定控制方法、保證系統狀態期望有界性能的方法和傳統的基于一階狀態方程的方法。而現有的容錯鎮定控制方法不能對參考信號進行跟蹤，應用范圍有限；現有的保證系統狀態期望有界性能的方法無法保證狀態以指定的概率收斂到指定的界內，安全性極低；傳統的基于一階狀態方程的方法中使用了控制律，而控制律設計方法不夠便利。
技術實現思路
1、針對含有隨機干擾信號的旋轉導向鉆井工具平臺，本專利技術提出了一種旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，基于隨機高階全驅系統模型開發了一種新的自適應容錯跟蹤控制律，可以在發生執行器部分失效故障和偏置故障時實現系統對參考信號的跟蹤，并且保證狀態以指定的概率收斂到指定的界內，具有良好的容錯能力。
2、本專利技術的技術方案如下：
3、一種旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，包括如下步驟：
4、步驟1、獲取具有執行器故障的旋轉導向鉆井工具平臺的隨機高階全驅系統
5、步驟2、設計基于高階算子的執行器容錯的等價控制律，構建等價系統；
6、步驟3、設計非線性觀測器，獲得觀測器引入的過程誤差界限；
7、步驟4、逐步設計虛擬控制量，設計參數自適應更新律，實現跟蹤誤差以指定概率在指定界內。
8、進一步地，所述步驟1的具體過程如下：
9、步驟1.1、建立由永磁同步電機驅動的平臺動力學方程，如下：
10、
11、其中，iq是q軸電流，是iq的一階導數；θ是工具面角；是θ的一階導數，表示工具面角的角速度；是θ的二階導數；rs是定子繞組阻抗；lq是q軸定子繞組電感；np是電機極對數；φa是永磁體磁通；j是總慣量；b是阻尼系數；uq是q軸電壓；ζ是隨機干擾；工具面角的角速度的測量值為
12、步驟1.2、通過直接測量或辨識方法，獲取平臺各參數rs、lq、np、φa、j、b；
13、步驟1.3、將隨機擾動建模為概率空間中的一個標準布朗運動，其中ω是采樣空間，是采樣空間ω上的一個σ域，是上的一個概率測度；
14、步驟1.4、定義高階積分算子，如下：
15、
16、其中，為定義的高階積分算子，n為算子的階數，n為大于1的整數；t、ti均為被積時間元，i＝1,…,n；i為序號表示；f(·)是動態函數；
17、步驟1.5、根據系統的動力學方程，將步驟1.1中平臺動力學方程公式(1)對應的物理系統轉換為如式(3)的高階積分方程形式：
18、
19、其中，z(t)為r維的系統狀態變量；z(t0)為系統狀態變量在初始時刻的值；g為輸入通道增益；u(t)為故障影響下的執行器輸入；h為干擾通道增益，為lebesgue積分；積分；fi是第i階積分下的系統非線性動態函數；此時有
20、步驟1.6、約定式(3)寫為如式(4)的微分形式：
21、
22、步驟1.7、將執行器故障建模為：
23、u＝(ir×r-η(t))u0+ζ(t)??(5)；
24、其中，ir×r為r維的單位矩陣；η(t)＝diag{ηi(t)},i＝1,2,...,r是失效故障系數，失效故障系數是未知的且隨時間變化的，i為序號表示，ηi(t)為失效故障系數的第i個分量，diag為將向量作為對角線構造為矩陣的轉換；是偏置故障幅值，偏置故障幅值是未知的且隨時間變化的，ζ1,ζ2,...,ζr分別為偏置故障的第1,2,…,r個分量，r個分量對應r維；t為轉置符號；u0是控制器發出的控制命令信號，即q軸電壓uq；
25、步驟1.8、驗證步驟1.7中的執行器故障滿足式(6)～式(10)的條件：
26、
27、
28、
29、
30、其中，ζi(t)為偏置故障的第i個分量；和分別是η(t)和ζ(t)關于時間的導數；均為常數，分別代表失效故障系數的界、失效故障系數的時間導數的界、偏置故障幅值的界和偏置故障幅值的時間導數的界。
31、進一步地，所述步驟2的具體過程如下：
32、步驟2.1、對于任意滿足式(10)的隨機變量x與二次可微函數v，有式(11)的算子；
33、
34、
35、其中，x(t)為t時刻下隨機變量x的值；x(0)為初始時刻下隨機變量x的值；x(s)為s時刻下隨機變量x的值；b表示漂移項；s表示被積時間元；σ表示擴散項；ωs是一個標準的布朗運動；是新定義的算子；tr{·}表示矩陣的跡；
36、步驟2.2、設計如式(12)的高階算子，并約定為0階算子；f為被操作函數；
37、
38、其中，表示一階算子；表示n階算子；表示n-1階算子；
39、步驟2.3、設計如式(13)所示的容錯等價控制律：
40、
41、其中，u0表示最終控制量，即控制器發出的控制命令信號；ua表示中間控制量；u·表示輔助控制量；v表示最終虛擬控制量；為的估計值；表示失效故障系數η(t)的補償矩陣的估計值；表示偏置故障幅值ζ的估計值；是偏置故障的方向指示信號；⊙表示hadamard積；g-1(y)為輸入通道增益的逆；為一組控制增益參數，且滿足為n-i階算子；
42、步驟2.4、將表示容錯等價控制律的式(13)代入式(5)，獲得如式(14)的等價系統：
43、
44、其中，為n-1階積分算子；表示補償矩陣的估計誤差；是由于觀測器誤差引入的過程誤差。
45、進一步地，所述步驟3的具體過程如下：
46、步驟3.1、引入中間變量如下：
47、
48、其中，為一組中間變量；記中間變量
49、
50、步驟3.2、對于上述各個中間變量，設計非線性狀態觀測器如下：
51、
52、其中，為的估計值；為的導數，i＝1,...,n；
53、步驟3.3、令的估計值為：
54、
55、其中，為的估計值，表示算子作用在z上；j為求和符號的計數標記；為的估計值，表示i-j階算子。
56、進一步地，所述步驟4的具體過程如下：
57、步驟4.1、記y的目標跟蹤信號為yr，引入跟蹤誤差為ξ1＝y-yr；
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【技術保護點】
1.一種旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟1的具體過程如下：
3.根據權利要求2所述旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟2的具體過程如下：
4.根據權利要求3所述旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟3的具體過程如下：
5.根據權利要求4所述旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟4的具體過程如下：
【技術特征摘要】
1.一種旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法，其特征在于，所述步驟1的具體過程如下：
3.根據權利要求2所述旋轉導向鉆井工具平臺的保概率界容錯跟蹤控制方法...
【專利技術屬性】
技術研發人員：周東華，劉雪慶，盛立，鐘麥英，高明，
申請(專利權)人：山東科技大學，
類型：發明
國別省市：
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