一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统

1.本发明属于煤矿井下定向钻探技术领域，具体涉及一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统。


背景技术：

2.随着我国煤炭资源开采规模、强度和深度逐步增加，矿井灾害也趋向多样化和复杂化，大量实践证明，煤矿井下定向钻探已成为深部煤炭资源开采防灾、减灾、治灾技术体系不可或缺的重要环节，广泛应用于瓦斯、水害和冲击地压防治等方面。
3.目前，煤矿井下定向钻进施工主要是司钻员通过分析随钻测量软件的实测数据和设计数据，得出钻孔在目标煤层中的空间位置，结合轨迹控制经验调整螺杆马达工具面向角来实现对钻孔轨迹的控制。
4.由于煤矿井下地层复杂多变、随钻测量信息滞后及钻进过程参数的不确定性等，现有的以人工知识为为主的定向钻进施工存在技术差异且易受疲劳、走神、情绪波动等影响；特别是当钻孔轨迹深度增加后，轨迹控制的不合理容易造成局部孔段钻孔轨迹曲率较大，增加钻具在孔内的摩擦阻力，增大定向钻进施工风险；轨迹控制失误容易造成实钻轨迹与设计轨迹偏离较大，影响相邻钻孔施工，达不到预期的灾害治理效果，甚至引起卡钻、埋钻和孔内坍塌等事故，造成工期延误和经济损失。
5.为此，本发明的设计者鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法，以克服上述缺陷。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统，以解决现有的以人工知识为的主定向钻进施工存在的技术差异，提高定向钻进施工效率和钻孔轨迹的施工精度。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
8.一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法，包括：
9.(1)选定钻孔轨迹模型：
10.所述的钻孔轨迹模型计算公式如下：
[0011][0012]
式中δli——钻孔轴线测点l
i-1
与li两点间钻孔轴线的长度，m；
[0013]
θi——钻孔轴线li测点的钻孔倾角，
°
；
[0014]
αi——钻孔轴线li测点的钻孔方位角，
°
；
[0015]
α
——钻孔主设计方位角，
°
；
[0016]
x——钻孔的x向位移，m；
[0017]
y——钻孔的y向位移，m；
[0018]
z——钻孔的z向位移，m；
[0019]
(2)制定控制方法：
[0020]kα
＝ksinω；k
θ
＝kcosω；
[0021]
其中，k为造斜强度，
°
/m，ω为螺杆马达工具面向角，
°
；k
α
表示螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度水平方向产生的钻孔方位角分量，k
θ
表示螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度垂直方向产生的钻孔倾角分量；
[0022]
实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy，实钻轨迹与设计轨迹的z向位移偏差δz；
[0023]
δy≥0和δz≥0，螺杆马达工具面向角ω于0～90
°
取值；
[0024]
δy≥0和δz《0，螺杆马达工具面向角ω于90～180
°
取值；
[0025]
δy《0和δz《0，螺杆马达工具面向角ω于180～270
°
取值；
[0026]
δy《0和δz≥0，螺杆马达工具面向角ω于270～360
°
取值。
[0027]
可选的，还对所述的实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和实钻轨迹与设计轨迹的z向位移偏差δz进行归一化，进而通过模糊规则决定工具面向角ω的输出；
[0028]
螺杆马达工具面向角ω＝0
°
或360
°
时，z向位移偏差δz的改变量正最大为δz_max；螺杆马达工具面向角ω＝180
°
时，z向位移偏差δz的改变量负最大，记为δz_min；z向位移偏差δz的归一化公式为：
[0029][0030]
将z向位移偏差δz的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示z向位移偏差δz的改变程度；
[0031]
螺杆马达工具面向角ω＝90
°
时，y向位移偏差δy的改变量正最大为δy_max；螺杆马达工具面向角ω＝270
°
时，y向位移偏差δy的改变量负最大为δy_min；y向位移偏差δy的归一化公式为：
[0032][0033]
将y向位移偏差δy的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示y向位移偏差δy的改变程度。
[0034]
可选的，对归一化后的数值进行模糊规则制定：
[0035]
模糊控制的输入为|δy|-|δz|，其中输入为0表示对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz的改变量相同；输入大于0表示对y向位移偏差δy的改变量大于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对平偏差δy的改变量越大，对z向位移偏差δz的改变量越小；输入小于0表示对y向位移偏差δy的改变量小于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对y向位移偏差δy的改变量越小，对z向位移偏差δz的改变量越大。
[0036]
可选的，螺杆马达工具面向角ω在[0，90
°
]区间时，模糊控制输出的螺杆马达工具
面向角ω加上45
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0037]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0038]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0039]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0040]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0041]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0042]
同理，可以设计出[90
°
，180
°
]、[180
°
，270
°
]、[270
°
，360
°
]区间的模糊控制器。
[0043]
螺杆马达工具面向角ω在[90
°
，180
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上135
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0044]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0045]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0046]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0047]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0048]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0049]
螺杆马达工具面向角ω在[180
°
，270
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上225
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0050]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0051]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0052]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0053]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0054]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0055]
螺杆马达工具面向角ω在[270
°
，360
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上315
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0056]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0057]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0058]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0059]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0060]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb。
[0061]
一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制系统，所述的控制系统用于执行本发明任一所述的基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法。
[0062]
可选的，包括钻孔轨迹模型模块、分段模糊控制器和螺杆马达；
[0063]
控制系统的输入为设计轨迹，根据传感器实时测量的实钻轨迹的钻孔方位角和钻孔倾角，得到实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和z向位移偏差δz，即为分段模糊控制器的输入；
[0064]
对实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和z向位移偏差δz进行归一化处理，根据δy和δz的正负，找到对应规则的模糊控制器；基于模糊规则，分段模糊控制器输出螺杆马达的工具面向角。
[0065]
可选的，所述的分段模糊控制器的控制方法包括：
[0066]kα
＝ksinω；k
θ
＝kcosω；
[0067]
其中，k为造斜强度，
°
/m，ω为螺杆马达工具面向角，
°
；k
α
表示螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度水平方向产生的钻孔方位角分量，k
θ
表示螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度垂直方向产生的钻孔倾角分量；
[0068]
实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy，实钻轨迹与设计轨迹的z向位移偏差δz；
[0069]
δy≥0和δz≥0，螺杆马达工具面向角ω于0～90
°
取值；
[0070]
δy≥0和δz《0，螺杆马达工具面向角ω于90～180
°
取值；
[0071]
δy《0和δz《0，螺杆马达工具面向角ω于180～270
°
取值；
[0072]
δy《0和δz≥0，螺杆马达工具面向角ω于270～360
°
取值。
[0073]
可选的，所述的归一化处理包括：
[0074]
螺杆马达工具面向角ω＝0
°
或360
°
时，z向位移偏差δz的改变量正最大为δz_max；螺杆马达工具面向角ω＝180
°
时，z向位移偏差δz的改变量负最大，记为δz_min；z向位移偏差δz的归一化公式为：
[0075][0076]
将z向位移偏差δz的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示z向位移偏差δz的改变程度；
[0077]
螺杆马达工具面向角ω＝90
°
时，y向位移偏差δy的改变量正最大为δy_max；螺杆马达工具面向角ω＝270
°
时，y向位移偏差δy的改变量负最大为δy_min；y向位移偏差δy的归一化公式为：
[0078][0079]
将y向位移偏差δy的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示y向位移偏差δy的改变程度。
[0080]
可选的，模糊规则制定：
[0081]
模糊控制的输入为|δy|-|δz|，其中输入为0表示对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz的改变量相同；输入大于0表示对y向位移偏差δy的改变量大于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对平偏差δy的改变量越大，对z向位移偏差δz的改变量越小；输入小于0表示对y向位移偏差δy的改变量小于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对y向位移偏差δy的改变量越小，对z向位移偏差δz的改变量越大。
[0082]
可选的，所述的模糊规则具体包括：螺杆马达工具面向角ω在[0，90
°
]区间时，模糊控制输出的螺杆马达工具面向角ω加上45
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0083]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0084]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0085]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0086]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0087]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0088]
同理，可以设计出[90
°
，180
°
]、[180
°
，270
°
]、[270
°
，360
°
]区间的模糊控制器。
[0089]
螺杆马达工具面向角ω在[90
°
，180
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向
角ω加上135
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0090]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0091]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0092]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0093]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0094]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0095]
螺杆马达工具面向角ω在[180
°
，270
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上225
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0096]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0097]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0098]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0099]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0100]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0101]
螺杆马达工具面向角ω在[270
°
，360
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上315
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0102]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0103]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0104]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0105]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0106]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb。
[0107]
本发明的有益效果是：
[0108]
(1)由于在定向钻进过程中，是通过调整螺杆马达工具面向角，改变钻头破碎岩石的方向，体现在钻进方位角和倾角的变化上。但是，当螺杆马达工具面向角位于不同的区间时，改变倾角和方位角的效应是不同的。由于螺杆马达工具面向角是0～360
°
的环形取值，因此采用分段模糊控制对工具面向角输出进行了划分，解决了单一模糊控制隶属度函数难以设计的问题，使钻孔轨迹得到较好的控制。
[0109]
(2)采用基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法，解决了现有的以人工知识为的主定向钻进施工存在的技术差异，可以实现定向钻孔轨迹的自动控制，提高定向钻进施工效率和钻孔轨迹的施工精度，具有很高的工程应用价值。
附图说明
[0110]
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
[0111]
图1是工具面向角对钻孔轨迹造斜倾角与方位角的影响图；
[0112]
图2是基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制系统图；
[0113]
图3钻孔轨迹三维投影图；
[0114]
图4钻孔轨迹的水平投影图；
[0115]
图5钻孔轨迹的垂直投影图；
[0116]
图6算法轨迹、实钻轨迹与设计轨迹偏差图。
具体实施方式
[0117]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0118]
在本发明中对专有名词做以下解释说明：
[0119]
螺杆马达工具面向角ω，
°
，即螺杆马达弯管朝向；
[0120]
造斜强度k，
°
/m，即钻孔轨迹单位长度钻孔弯曲角度的变化量；
[0121]
钻孔倾角θ，
°
，即钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与水平面之间的夹角；
[0122]
钻孔方位角α，
°
，即以钻孔轴线上某点正北方位线为始边，顺时针旋转至该点钻孔方位线所转过的角度；
[0123]
增方位指的是使钻孔轨迹朝着钻孔的y向位移增加的方向变化；
[0124]
降方位指的是使钻孔轨迹朝着钻孔的y向位移减少的方向变化；
[0125]
增斜指的是使钻孔轨迹朝着钻孔的z向位移增加的方向变化；
[0126]
降斜指的是使钻孔轨迹朝着钻孔的z向位移减小的方向变化。
[0127]
一、本发明的基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法，包括：
[0128]
(1)根据钻孔轨迹模型，进行控制方式的设计
[0129]
煤矿井下钻孔一般都属于近水平钻孔，钻孔轨迹测点间的方位角、倾角变化幅度不大，因此，中国能源行业标准，煤矿井下定向钻进技术规程选择均角全距法描述钻孔轨迹，本发明所用的钻孔轨迹模型计算公式如下：
[0130][0131]
式中δli——钻孔轴线测点l
i-1
与li两点间钻孔轴线的长度，单位为米(m)；
[0132]
θi——钻孔轴线li测点的钻孔倾角，单位为度(
°
)；
[0133]
αi——钻孔轴线li测点的钻孔方位角，单位为度(
°
)；
[0134]
α
——钻孔主设计方位角，单位为度(
°
)；
[0135]
x——钻孔的x向位移，单位为米(m)；
[0136]
y——钻孔的y向位移，单位为米(m)；
[0137]
z——钻孔的z向位移，单位为米(m)；
[0138]
(1.1)控制器设计
[0139]
在实际定向钻孔轨迹控制过程中，若钻孔实钻轨迹与设计轨迹不一致时，通过调整螺杆马达工具面向角ω(
°
)，即螺杆马达弯管朝向，可以改变钻头前进方向，进而改变钻孔轨迹变化趋势，具体表现为改变钻孔倾角θ和钻孔方位角α的大小，从而实现x、y和z三个方向的位移变化，实现实际钻进轨迹的调整。
[0140]
如图1所示，螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度水平方向产生方位角分量：k
α
＝ksinω，在单位长度垂直方向产生倾角分量：k
θ
＝kcosω。也就是说，当螺杆马达工具面向角ω位于ⅰ、ⅱ区间时，表现为增方位，当螺杆马达工具面向角ω位于ⅲ、ⅳ区间
时，表现为降方位，其中螺杆马达工具面向角ω＝90
°
时为完全增方位，螺杆马达工具面向角ω＝270
°
时为完全降方位；当螺杆马达工具面向角ω位于ⅰ、ⅳ区间时，表现为增斜，当螺杆马达工具面向角ω位于ⅱ、ⅲ区间时，表现为降斜，其中螺杆马达工具面向角ω＝0
°
或360
°
时为完全增斜，螺杆马达工具面向角ω＝180
°
时为完全降斜。
[0141]
控制器的目的是减小实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和z向位移偏差δz，因此控制器的输入为y向位移偏差δy和z向位移偏差δz，控制器的输出为工具面向角ω。根据上述原理，减小y向位移偏差δy可通过减小方位角α实现，减小z向位移偏差δz可通过减小倾角θ实现，而方位角α和倾角θ的改变可以通过调整工具面向角ω实现。
[0142]
(1.2)隶属度函数设置
[0143]
螺杆马达工具面向角ω的取值范围为0～360
°
，根据上述原理，其对方位角分量k
α
、倾角分量k
θ
的影响为三角函数关系：k
α
＝ksinω、k
θ
＝kcosω，存在周期变化，直接以螺杆马达工具面向角ω的取值范围作为模糊控制器的输出，其输出为环形论域，即螺杆马达工具面向角ω＝0
°
和360
°
的作用是等效的，隶属度函数难以设置。本发明发现螺杆马达工具面向角ω在0～90
°
、90～180
°
、180～270
°
和270～360
°
的各个区间中，对方位角分量k
α
和倾角分量k
θ
的改变量单一，且在各个区间中，对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz的改变量单一。因此，可以根据这个规律对模糊控制器的输入、输出论域进行划分，同时可以得到模糊控制器的输入(y向位移偏差δy、z向位移偏差δz)和模糊控制器的输出(螺杆马达工具面向角ω)的取值关系如表1所示：
[0144]
表1：模糊控制器的输入和输出的取值关系
[0145]
δy、δz的划分ω的取值范围δy≥0、δz≥0[0
°
,90
°
]δy≥0、δz《0[90
°
,180
°
]δy《0、δz《0[180
°
,270
°
]δy《0、δz≥0[270
°
,360
°
]
[0146]
(2)数据归一化后进行模糊规则制定：
[0147]
根据上述钻孔轨迹模型，相同螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在水平方向产生的方位角分量k
α
和在垂直方向产生倾角分量k
θ
不同，进而产生的y向位移偏差δy和z向位移偏差δz也不同，因此需要对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz进行归一化，进而通过模糊规则决定工具面向角ω的输出。
[0148]
归一化的方法是根据上述原理，在螺杆马达工具面向角ω＝0
°
或360
°
时，对z向位移偏差δz的改变量正最大，记为δz_max，螺杆马达工具面向角ω＝180
°
时，对z向位移偏差δz的改变量负最大，记为δz_min。因此，对z向位移偏差δz的归一化公式为：
[0149][0150]
将z向位移偏差δz的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示z向位移偏差δz的改变程度。
[0151]
同理，在螺杆马达工具面向角ω＝90
°
时，对y向位移偏差δy的改变量正最大，记为δy_max，螺杆马达工具面向角ω＝270
°
时，对y向位移偏差δy的改变量负最大，记为δy_min。因此，对y向位移偏差δy的归一化公式为：
[0152][0153]
将y向位移偏差δy的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示y向位移偏差δy的改变程度。
[0154]
(3)模糊规则制定：
[0155]
因为螺杆马达工具面向角ω同时改变y向位移偏差δy和z向位移偏差δz，在[0
°
，90
°
]区间时，随着螺杆马达工具面向角ω的增大，对y向位移偏差δy的改变逐渐增大，对z向位移偏差δz的改变逐渐降低；当螺杆马达工具面向角ω＝45
°
时，对y向位移偏差δy的改变量和对z向位移偏差δz的改变量相同。因此，本发明设计模糊控制器的输入为|δy|-|δz|，其中输入为0表示对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz的改变量相同；输入大于0表示对y向位移偏差δy的改变量大于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对平偏差δy的改变量越大，对z向位移偏差δz的改变量越小；输入小于0表示对y向位移偏差δy的改变量小于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对y向位移偏差δy的改变量越小，对z向位移偏差δz的改变量越大；基于此，本发明设计模糊控制器的输出为[-45，45
°
]，输入等于0表示对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz的改变量相同，此时模糊控制器的输出为45
°
，因此在[0，90
°
]区间时，模糊控制器的输出加上45
°
的偏移量则为实际的控制量。
[0156]
制定模糊规则为：
[0157]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0158]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0159]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0160]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0161]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0162]
同理，可以设计出[90
°
，180
°
]、[180
°
，270
°
]、[270
°
，360
°
]区间的模糊控制器。
[0163]
在[90
°
，180
°
]区间，模糊控制器的输出也为[-45
°
，45
°
]，因此模糊控制器的输出加上135
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0164]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0165]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0166]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0167]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0168]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0169]
在[180
°
，270
°
]区间，模糊控制器的输出也为[-45
°
，45
°
]，因此模糊控制器的输出加上225
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0170]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0171]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0172]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0173]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0174]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0175]
在[270
°
，360
°
]区间，模糊控制器的输出也为[-45
°
，45
°
]，因此模糊控制器的输出
加上315
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0176]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0177]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0178]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0179]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0180]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb。
[0181]
二、本发明的基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制系统，包括：
[0182]
结合图2，本发明的定向钻孔轨迹控制系统执行本发明的基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法；
[0183]
包括钻孔轨迹模型模块、分段模糊控制器和螺杆马达，控制系统的输入为设计轨迹，根据传感器实时测量的实钻轨迹的钻孔方位角和钻孔倾角，得到实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和z向位移偏差δz，即为分段模糊控制器的输入；在分段模糊控制器中首先对实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和z向位移偏差δz进行归一化处理，便于比较钻孔轨迹的偏离程度；然后根据δy和δz的正负，制定对应规则的模糊控制器；最后基于模糊规则，分段模糊控制器输出螺杆马达的工具面向角。在当前工具面向角下，螺杆马达与煤层负载相互作用，使控制系统输出的实钻轨迹逼近设计轨迹，实现钻孔轨迹的跟踪控制任务。
[0184]kα
＝ksinω；k
θ
＝kcosω；
[0185]
其中，k为造斜强度，
°
/m，ω为螺杆马达工具面向角，
°
；k
α
表示螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度水平方向产生的钻孔方位角分量，k
θ
表示螺杆马达工具面向角ω使造斜强度k在单位长度垂直方向产生的钻孔倾角分量；
[0186]
实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy，实钻轨迹与设计轨迹的z向位移偏差δz；
[0187]
模糊控制器一，δy≥0和δz≥0，螺杆马达工具面向角ω于0～90
°
取值；
[0188]
模糊控制器二，δy≥0和δz《0，螺杆马达工具面向角ω于90～180
°
取值；
[0189]
模糊控制器三，δy《0和δz《0，螺杆马达工具面向角ω于180～270
°
取值；
[0190]
模糊控制器四，δy《0和δz≥0，螺杆马达工具面向角ω于270～360
°
取值。
[0191]
对实钻轨迹与设计轨迹的y向位移偏差δy和实钻轨迹与设计轨迹的z向位移偏差δz进行归一化，进而通过模糊规则决定工具面向角ω的输出；
[0192]
螺杆马达工具面向角ω＝0
°
或360
°
时，z向位移偏差δz的改变量正最大为δz_max；螺杆马达工具面向角ω＝180
°
时，z向位移偏差δz的改变量负最大，记为δz_min；z向位移偏差δz的归一化公式为：
[0193][0194]
将z向位移偏差δz的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示z向位移偏差δz的改变程度；
[0195]
螺杆马达工具面向角ω＝90
°
时，y向位移偏差δy的改变量正最大为δy_max；螺杆马达工具面向角ω＝270
°
时，y向位移偏差δy的改变量负最大为δy_min；y向位移偏差δy的归一化公式为：
[0196][0197]
将y向位移偏差δy的改变量由实际值映射到[0，1]区间，表示y向位移偏差δy的改变程度。
[0198]
对归一化后的数值进行模糊规则制定：
[0199]
模糊控制的输入为|δy|-|δz|，其中输入为0表示对y向位移偏差δy和z向位移偏差δz的改变量相同；输入大于0表示对y向位移偏差δy的改变量大于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对平偏差δy的改变量越大，对z向位移偏差δz的改变量越小；输入小于0表示对y向位移偏差δy的改变量小于对z向位移偏差δz的改变量，且数值越大，表示对y向位移偏差δy的改变量越小，对z向位移偏差δz的改变量越大。
[0200]
螺杆马达工具面向角ω在[0，90
°
]区间时，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上45
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0201]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0202]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0203]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0204]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0205]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0206]
同理，可以设计出[90
°
，180
°
]、[180
°
，270
°
]、[270
°
，360
°
]区间的模糊控制器。
[0207]
螺杆马达工具面向角ω在[90
°
，180
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上135
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0208]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0209]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0210]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0211]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0212]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0213]
螺杆马达工具面向角ω在[180
°
，270
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上225
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0214]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0215]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb；
[0216]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0217]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0218]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0219]
螺杆马达工具面向角ω在[270
°
，360
°
]区间，模糊控制器输出的螺杆马达工具面向角ω加上315
°
的偏移量则为实际的控制量，制定模糊规则为：
[0220]
当|δy|-|δz|为zo时，输出螺杆马达工具面向角ω为zo；
[0221]
当|δy|-|δz|为pb时，输出螺杆马达工具面向角ω为nb；
[0222]
当|δy|-|δz|为ps时，输出螺杆马达工具面向角ω为ns；
[0223]
当|δy|-|δz|为ns时，输出螺杆马达工具面向角ω为ps；
[0224]
当|δy|-|δz|为nb时，输出螺杆马达工具面向角ω为pb。
[0225]
三、工程实际与仿真结果：
[0226]
仿真环境或仿真条件为：某矿煤矿井下设计定向钻孔160m，施工要求按照预定设计轨迹施工，钻孔主设计方位角为275.5
°
，控制系统仿真模型为选定的钻孔轨迹模型，输入为螺杆马达工具面向角，输出为实钻轨迹，即：
[0227]kα
＝ksinω；k
θ
＝kcosω；
[0228]
αi＝α
i-1
+δli*k
α
；
[0229]
θi＝θ
i-1
+δli*k
θ
；
[0230][0231]
在煤矿井下实际施工过程中，根据实钻轨迹与设计轨迹的偏差变化，一般每隔δli的整数倍调整螺杆马达弯外管指向(即工具面向角)来改变钻孔轨迹的倾角和方位角，从而使实钻轨迹逼近设计轨迹。为了便于与现场人工调整螺杆马达工具面向角进行钻孔轨迹控制的对比，本仿真中选用与现场人工调整螺杆马达工具面向角相同的间隔，取δli为两根钻杆长度4m。
[0232]
如图3所示为定向钻孔轨迹的三维投影图，图4所示为钻孔轨迹的水平投影图，图5所示为钻孔轨迹的垂直投影图，从图中可以看出经过分段模糊控制器跟踪控制的定向钻孔轨迹与人工控制的定向钻孔轨迹相比，与设计轨迹更为接近，保证了钻孔轨迹在目标区域的施工。
[0233]
从图6中可以看出，采用了分段模糊控制器的控制系统进行轨迹控制时，在第6个钻孔点测量点开始偏差就会逐渐减小，到第15个测量点时，钻孔轨迹与实钻轨迹的偏差已经可以稳定控制，同时比人工控制的钻孔轨迹精度有了明显的提高，可以实现对钻孔轨迹的有效控制。偏差计算均采用欧式距离计算公式：
[0234][0235][0236]
式中，dd表示采用人工控制的钻孔轨迹与设计轨迹的偏差；
[0237]
da表示采用分段模糊控制器控制的钻孔轨迹与设计轨迹的偏差；
[0238]
x表示设计轨迹的x向位移；
[0239]
y表示设计轨迹的y向位移；
[0240]
z表示设计轨迹的z向位移；
[0241]
xd表示人工控制的钻孔轨迹的x向位移；
[0242]
yd表示人工控制的钻孔轨迹的y向位移；
[0243]
zd表示人工控制的钻孔轨迹的z向位移；
[0244]
xa表示采用分段模糊控制器控制的钻孔轨迹的x向位移；
[0245]
ya表示采用分段模糊控制器控制的钻孔轨迹的y向位移；
[0246]
za表示采用分段模糊控制器控制的钻孔轨迹的z向位移；
[0247]
现有采用人工控制的钻孔轨迹精度一般不小于1m，公开的发明专利煤矿井下定向钻孔轨迹控制方法的钻孔轨迹控制精度最小为0.4m，而本发明的分段模糊控制器的钻孔轨迹精度可以控制在0.22m左右，使钻孔轨迹得到较好的控制，具有较好的工程应用价值。
[0248]
以上结合附图选择优先详细论述最佳实施例，并不用于限制本发明。在上述描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任意合适的形式进行组合，本发明不在一一赘述。任何本领域技术人员在不脱离技术方案范围内的前提下采取对技术方案进行任意组合或同等替换等简单修改或修饰的手段，并不影响其技术方案的本质仍属于本发明的各实施例代表的技术方案的保护范围之内。