煤矿井下定向钻孔轨迹模型预测控制方法

作     者：李浩 姚宁平 陆承达 张金宝 魏宏超 吴加俊 李金宇 LI Hao;YAO Ningping;LU Chengda;ZHANG Jinbao;WEI Hongchao;WU Jiajun;LI Jinyu

作者机构：煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430074 

基　　金：十四五国家重点研发计划项目(2022YFC3005905) 陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-YB-341) 陕西省重点研发计划(2024GX-YBXM-486) 中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金项目(2023XAYJS15) 

出 版 物：《煤田地质与勘探》 (Coal Geology & Exploration)

年 卷 期：2025年第53卷第2期

页      码：205-212页

摘      要：【目的】针对煤矿井下复杂地层定向钻进过程中存在的实钻轨迹控制难度大、与设计轨迹偏差较大的问题,提出了基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的定向钻孔轨迹跟踪控制方法。【方法】以螺杆钻具定向钻进过程为研究对象,在分析煤矿井下复杂地层条件下定向钻进特性的基础上,研究定向钻具的运动规律,采用运动学理论建立滑动定向钻进的钻孔轨迹延伸模型,并用泰勒级数展开方式对模型进行线性化处理,以消除钻孔倾角与方位角等状态量之间的耦合关系,在此基础上构建钻孔轨迹预测模型和以最小轨迹偏差作为控制目标的目标函数,采用反馈校正方法解决预测模型的稳态误差问题,并设计具有预测模型、滚动优化、反馈校正功能的模型预测控制器,得到钻孔轨迹最优控制量的推荐-工具面向角,最终实现定向钻孔轨迹跟踪优化控制。最后,利用陕西韩城某煤矿钻孔实钻数据,对控制算法进行了验证。【结果和结论】结果表明,线性化处理后的钻孔轨迹延伸模型有效保留了原有模型的特征,并简化了控制器的设计过程。改进后的定向钻孔轨迹反馈校正模型预测控制方法克服了模型适配和稳态误差的影响,相比于基于螺杆钻具造斜规律的人工经验控制决策方法,倾角平均绝对误差和方位角平均绝对误差分别降低79.5%和70.5%,为复杂地层定向钻孔轨迹控制提供了一种新的控制算法。

主 题 词：煤矿井下 螺杆钻具 定向钻进 轨迹模型 模型预测控制 轨迹跟踪控制 

学科分类：081901[081901] 0819[工学-海洋工程类] 08[工学] 

D　O　I：10.12363/issn.1001-1986.24.07.0469

馆 藏 号：203156313...