具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的技术方案为：一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，如图1所示，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统，煤层气水平井推进系统如图2所示，非对称缸如图3所示；其中，

所述煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，所述安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，所述伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，所述伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，所述非对称缸的输入端与等效负载连接，所述控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；

所述控制系统包括传感器组和控制器，所述传感器组为控制系统的输入端，用于检测非对称缸的参数变化信息并发送至控制器；所述控制器为控制系统的输出端，用于根据参数变化信息控制伺服阀运动。

进一步地，所述非对称缸内设置有活塞，所述活塞顶部截面半径与非对称缸内侧半径相同，所述活塞杆体底端与等效负载连接，所述非对称缸被活塞顶部分隔形成有杆腔和无杆腔。

更进一步地，所述传感器组包括位移传感器和压力传感器，所述位移传感器用于检测活塞杆体的位移变化，所述压力传感器用于检测活塞杆体底部受到来自等效负载的受力大小。

一种利用上述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统的方法，包括以下步骤：

基于液压伺服系统工作原理，构建煤层气水平井钻井液压推进系统模型，在煤层气水平井钻井液压推进系统模型的输入端分别设置等效负载和控制系统；

在非对称缸内无杆腔进油，有杆腔出油，活塞伸出时，计算负载压力p_L和流量比α，并根据输入非对称缸的流量和输出非对称缸的流量，计算负载流量q_L，得到滑阀线性化流量方程；

根据滑阀线性化流量方程，计算得到非对称缸的流量性方程和非对称缸的力平衡方程；

在零初始条件下进行拉式变化，得到非对称缸活塞杆体位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数，计算伺服阀阀芯位移X_v；

设计滑模面；

根据滑模面的参数推导滑模控制器的等效控制率，根据滑模控制器的等效控制率生成控制信号，根据所述控制信号对煤层气水平井钻井推进系统活塞位移进行控制。

进一步地，所述负载压力p_L和流量比α的计算方法为：

式中，p₁为输入侧压力，p₂为输出侧压力；

根据输入非对称缸的流量q₁和输出非对称缸的流量q₂，计算负载流量q_L：

联立式(1)、(2)和(3)，并公式线性化后，得到滑阀线性化流量方程为：

q_L＝k_qx_V-k_Cp_L (4)

式中，定义k_q为滑阀的流量增益，k_C为滑阀的流量-压力系数，x_V为伺服阀阀芯位移。

更进一步地，将(4)泰勒公式线性化可得，所述非对称缸的流量性方程具体为：

式中，C_tp为总泄露系数，x_p为活塞位移，β_e为弹性模量，q_L1为负载输出流量，A_e为平均面积，h₁为比例系数，V₀为非对称缸有效容积，p_s为传统压力；

所述非对称缸的传统力平衡方程具体为：

式中，A₁为无杆腔有效面积，B为杆体位移一次导参数，K为杆体位移参数，F为负载力。

更进一步地，所述非对称缸活塞位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数具体为：

式中，K_h为增益，ω_h为液压固有频率，ξ_h为液压阻尼比，系统模型主要参数如图8所示。

更进一步地，所述设计滑模面的公式为：

被控对象为三阶模型，

设定r为给定的期望位移，y为系统输出位移，所以误差为e＝y-r,即跟踪器满足：

误差向量为：

则滑模运动的微分方程为：

设计滑模面为：

s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃ (11)

e＝y-r (12)

其中，s为所述滑模面，e为所述位移误差，y为所述修正输出位移的值，r为所述参考位移，c为所述滑模控制器的比例参数且c＞0。

根据所述滑模面推导滑模控制器的等效控制率：

使滑模等效控制率：

为了达到减少抖振的目的，采用指数趋近率作为切换控制率：

u_sw＝-εsgn(s)-ks (14)

其中，k为指数趋近项系数，ε为趋近速度，sgn(s)为开关函数；

使

联立式(14)和(15)，得滑模控制器的等效控制率：

本发明实施例在Simulink中建立滑模控制器的模型，并在AMESim中搭建系统液压模型，并将两者联合进行总模型的构建。基于AMESim的水平井推进系统液压模型图如图4所示。基于Simulink的水平井推进系统控制结构图如图5所示。

选取的参数为：k_p＝50，k_i＝1.5，k_d＝2，c₁＝29582，c₂＝68.8，水平井推进系统的阶跃位移信号结果分析图如图6所示，误差对比图如图7所示，图中实线为根据本发明实施例方法实现的测量，虚线表示根据现有技术中PID控制法实现的测量，从图6，图7可以看出，本发明设计的水平井推进系统是稳定的，滑模控制的实际位移信号曲线的调节时间t_s≈0.8s，在PID控制下的实际位移信号调节时间t_s＞0.8s，稳定后，还是存在振荡情况，效果较差。由图可知，滑模控制比传统的PID控制具有动态响应更小，鲁棒性更强的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。