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    基于扩张状态观测器的滑动定向钻进轨迹跟踪模型预测控制

    陆承达 段炜涛 吴加俊 张幼振 吴敏

    陆承达, 段炜涛, 吴加俊, 张幼振, 吴敏, 2026. 基于扩张状态观测器的滑动定向钻进轨迹跟踪模型预测控制. 地球科学, 51(8): 3017-3026. doi: 10.3799/dqkx.2026.117
    引用本文: 陆承达, 段炜涛, 吴加俊, 张幼振, 吴敏, 2026. 基于扩张状态观测器的滑动定向钻进轨迹跟踪模型预测控制. 地球科学, 51(8): 3017-3026. doi: 10.3799/dqkx.2026.117
    Lu Chengda, Duan Weitao, Wu Jiajun, Zhang Youzhen, Wu Min, 2026. Extended-State-Observer-Based Trajectory-Tracking Model Predictive Control for Sliding Directional Drilling. Earth Science, 51(8): 3017-3026. doi: 10.3799/dqkx.2026.117
    Citation: Lu Chengda, Duan Weitao, Wu Jiajun, Zhang Youzhen, Wu Min, 2026. Extended-State-Observer-Based Trajectory-Tracking Model Predictive Control for Sliding Directional Drilling. Earth Science, 51(8): 3017-3026. doi: 10.3799/dqkx.2026.117

    基于扩张状态观测器的滑动定向钻进轨迹跟踪模型预测控制

    doi: 10.3799/dqkx.2026.117
    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 62373332

    国家自然科学基金项目 62273317

    高等学校学科创新引智计划111项目 B17040

    详细信息
      作者简介:

      陆承达(1991—),男,教授,从事智能系统技术、鲁棒控制、时滞系统控制等方面的研究. ORCID:0000-0002-9452-4053. E-mail:luchengda@cug.edu.cn

      通讯作者:

      吴敏,ORCID: 0000-0002-0668-8315. E-mail: wumin@cug.edu.cn

    • 中图分类号: P642

    Extended-State-Observer-Based Trajectory-Tracking Model Predictive Control for Sliding Directional Drilling

    • 摘要: 滑动定向钻进作为定向钻进中常用的钻进技术,已广泛应用于工作面超前探查、地质灾害异常体识别与瓦斯抽采等任务,以提升地质识别精度与钻进作业效率. 针对滑动定向钻进过程中复杂地层扰动导致轨迹跟踪精度下降的问题,提出一种基于扩张状态观测器的轨迹跟踪模型预测控制方法. 首先,分析钻具运动学特性,建立滑动定向钻进轨迹延伸模型,在此基础上构建钻进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,并设计模型预测控制器. 然后,为补偿地层扰动带来的稳态误差,设计具备扰动观测能力的扩张状态观测器,实现最优控制输入的求解,从而实现轨迹跟踪控制. 最后,通过仿真实验证明了所提方法具有扰动反馈补偿、轨迹控制精度高及鲁棒性强等特点,在提升勘探效率以及降低作业风险等方面具有良好的应用价值.

       

    • 图  1  定向钻进三维轨迹延伸示意图

      Fig.  1.  Schematic chart of the extension of the directional drilling trajectory

      图  2  定向钻进轨迹跟踪控制流程图

      Fig.  2.  Flowchart of the directional drilling trajectory control

      图  3  倾角与方位角真实扰动曲线

      Fig.  3.  True disturbance curves of inclination and azimuth

      图  4  扩张状态观测器误差观测曲线

      Fig.  4.  Extended state observer error observation curves

      图  5  有无扰动观测补偿的轨迹跟踪曲线

      Fig.  5.  Trajectory tracking curves with and without disturbance observer compensation

      图  6  不同控制方法下的轨迹跟踪曲线

      Fig.  6.  Trajectory tracking curves of different control methods

      表  1  定向钻进预设轨迹数据

      Table  1.   Preset trajectory data for directional boreholes

      孔深(m) 倾角(°) 方位角(°) 上下位移(m) 左右位移(m)
      0 9.00 28.00 -2.00 0.00
      2 9.00 28.00 -2.19 0.74
      4 9.00 27.50 -1.87 1.47
      $ ⋮ $ $ ⋮ $ $ ⋮ $ $ ⋮ $ $ ⋮ $
      298 -2.00 6.00 30.63 20.85
      300 -2.00 6.00 30.56 20.85
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      表  2  实验仿真参数

      Table  2.   Parameters of the experimental simulation

      参数 取值 含义
      $ L $ 2 孔深离散步长
      $ {K}_{\mathrm{d}\mathrm{l}\mathrm{s}} $ $ 0.25°/\mathrm{m} $ 造斜能力参数
      $ {N}_{p} $ 5 预测步长
      $ Q $ $ {\left(1\;\mathrm{698, 7}\;\mathrm{000, 0.070}\;\mathrm{4, 5.467}\right)}^{\mathrm{T}} $ 状态加权矩阵
      $ R $ $ {\left[0.130\;\mathrm{4, 4}\;000\right]}^{\mathrm{T}} $ 控制加权矩阵
      $ {u}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $ $ {\left[-1.5, -1.5\right]}^{\mathrm{T}} $ 控制输入下限
      $ {u}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ $ {\left[\mathrm{1.5, 1.5}\right]}^{\mathrm{T}} $ 控制输入上限
      $ {L}_{x} $ $ {\left(\mathrm{0.55, 0.55, 0.25, 0.25}\right)}^{\mathrm{T}} $ 状态观测增益
      $ {L}_{d} $ $ {\left[\mathrm{0.12, 0.06}\right]}^{\mathrm{T}} $ 扰动观测增益
      $ {\gamma }_{d} $ 0.003 遗忘系数
      $ {\widehat{d}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 0.5 扰动估计限幅
      $ {u}_{f, \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ $ {\left[\mathrm{1.5, 1.5}\right]}^{\mathrm{T}} $ 补偿输入限幅
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      表  3  轨迹跟踪控制效果评价

      Table  3.   Evaluation of trajectory tracking control performance

      方法 目标 RMSE(m) MaxE(m)
      MPC 上下位移 1.500 3.220
      左右位移 9.269 14.392
      Li et al. (2025) 上下位移 1.476 2.375
      左右位移 2.420 4.465
      ESO-MPC 上下位移 0.607 1.237
      左右位移 0.912 1.561
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    出版历程
    • 收稿日期:  2026-01-30
    • 刊出日期:  2026-08-25

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