【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于动态系统容错控制领域，具体涉及一种旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法。
技术介绍
1、随着油气资源开采进入到更深的陆地海洋区域，传统的推靠式和指向式钻井工具无法提供更高的导向精度。旋转导向钻井工具作为最先进的钻井设备，不依赖井臂，拥有更强的钻井能力和更高的钻井效率。然而由于深海深地工作环境的复杂特性，钻井工具控制系统的执行器和传感器两个重要部件常常会出现漂移和偏差等故障，这两种部件故障会使得钻井系统的观测与控制严重偏离理想轨迹。全驱系统模型是一种面向控制量的模型，能以参数化的结构解耦整个系统的非线性特征，其相应的参数化结构也更利于两类故障的容错控制。本专利技术首先建立了钻井工具的过程模型和测量模型，过程模型中含有未知的执行器故障，测量模型中含有未知的传感器故障，然后将其转化为多个全驱子系统，针对每一个子系统设计了状态观测器和执行器故障估计器，最后在多系统融合观测的基础上设计了一种传感器故障检测和容错控制框架。与仅能处理单一部件故障的传统钻井工具容错控制技术相比，该容错控制技术易于工程设计，能同时补偿两种部件故障。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，包括如下步骤：
4、步骤1：建立
5、步骤2：分析钻井电机控制系统的冗余能观性；
6、步骤3：设计传感器故障检测逻辑；
7、步骤4：设计基于子系统融合观测的容错控制器。
8、优选地，步骤1具体包括如下步骤：
9、步骤1.1：搭建以永磁同步电机为钻井工具控制系统的动力学过程模型，如公式(1)所示：
10、
11、其中，iq是定子q轴的电流分量，lq是定子q轴的电感分量，rq是定子电阻，u是电机控制电压，ρ是漂移执行器故障，fa是偏差执行器故障，θ是钻井工具面角，n0是电机极对数，j是电机转动惯量，φ是永磁体磁通，是阻尼系数；
12、步骤1.2：建立含传感器故障的测量方程，如公式(2)所示：
13、
14、其中，y＝[y1,y2,y3,y4]t是钻井工具的四维输出测量，s1,s2,s3,s4是可能存在的四个时变传感器故障，这四个传感器故障幅值可以是无界的，v1,v2,v3,v4为幅值有界的四个测量噪声；
15、步骤1.3：根据物理学原理或者实际情况，确定参数的具体数值；
16、步骤1.4：定义新变量将电机控制系统模型(1)(2)转化为四个高阶全驱子系统模型(3)：
17、
18、其中，δ＝(-ρu+fa)/lq为执行器故障信号，为x的i阶导数，f(x(0～n-1)),g(x(0～n-1)),hj(x(0～n-1))是模型转化后的非线性函数；在钻井工具动力学模型(1)(2)的全驱系统转化模型中，相应的参数选择为n＝2,m＝4。
19、优选地，步骤2具体包括如下步骤：
20、步骤2.1：根据每一个子系统输出yj所对应的相对阶rj，给出能观空间分解范式，如公式(4)所示：
21、
22、
23、yj＝ξj,1+sj+vj
24、其中，ξj,1＝hj(x(0～n-1))，ξj表示第j个子系统的能观空间，维数为rj，ηj表示第j个子系统的不能观空间，维数为n-rj，为对应的非线性函数；钻井电机控制系统模型是2冗余能观的，即任意选取钻井电机控制系统2维传感器测量，整个系统仍是完全能观的；
25、步骤2.2：定义一个基于全部子系统测量的bi-lipschitz映射υ，如公式(5)所示：
26、
27、和一个基于部分子系统测量的bi-lipschitz映射υi，如公式(6)所示：
28、
29、其中，子系统集合i中的测量传感器数目为d，
30、步骤2.3：考虑到实际运行过程中的状态运行范围，给出下列两个修改后的映射：
31、
32、其中，ξx和ξξ为运行过程中状态满足的幅值上界，sat(·)为饱和函数，分别为υ,υi的逆映射。
33、优选地，步骤3具体包括如下步骤：
34、步骤3.1：考虑一个动态更新的子系统集合ω(ι(t)),ι(0)＝1，该指标集能够遍历所有传感器数目为d的子系统集合，即
35、
36、步骤3.2：定义基于部分子系统集合的传感器故障检测指标，如公式(10)所示：
37、
38、其中，为(17)(18)中的部分子系统融合观测；
39、步骤3.3：如果传感器故障检测指标(10)满足
40、
41、那么子系统集合ω(ι(t))中一定存在传感器故障，表示相应映射的lipschitz常数，id表示恒等映射，表示映射乘法，e(t)为子系统集合没有传感器故障的时变观测误差；
42、步骤3.4：如果传感器故障检测指标(11)成立，则根据
43、
44、搜索下一个子系统集合ω(ι(t+))，直至(11)不满足结束；t+表示计算机仿真的下一时刻，mod为取模运算；更新律(12)结束时的子系统集合用于系统观测与控制。
45、优选地，步骤4具体包括如下步骤：
46、步骤4.1：设计每个子系统对应的矩阵ψj，如公式(13)所示：
47、
48、使其满足存在rj+1维正定矩阵解pj使得(14)成立
49、
50、其中，κ1为待设计的参数，为rj+1维单位矩阵；
51、步骤4.2：设计矩阵φa，如公式(15)所示：
52、
53、使其满足存在n维正定矩阵解q使得(16)成立
54、
55、其中，κ2为待设计的参数，in为n维单位矩阵；
56、步骤4.3：设计m个子系统的死区观测器，如公式(17)所示：
57、
58、其中，l,λ,μ为待设计的参数，σj为第j个子系统观测器的死区界，为第j个子系统观测器给出的执行器故障估计；
59、步骤4.4：设计子系统融合的状态观测和故障估计，如公式(18)所示：
60、
61、其中，分别为融合后的状态观测、执行器故障估计和传感器故障估计；
62、步骤4.5：令a0～n-1＝[a0,a1,…,an-1]，设计基于子系统死区融合观测的容错跟踪控制器，如公式(19)所示：
63、
64、其中，xr为参考信号，为xr的i阶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，步骤1具体包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，步骤2具体包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，步骤4具体包括如下步骤：
【技术特征摘要】
1.旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方法，其特征在于，步骤1具体包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具执行器和传感器故障的容错控制方...
【专利技术属性】
技术研发人员：周东华，蔡苗，何潇，高明，钟麦英，王建东，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：
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