一种基于自适应模糊PID的液压可控震源控制方法

本发明属于地球物理地震勘探领域，涉及液压伺服控制技术，适用于轻便型液压伺服可控震源系统，具体涉及一种基于自适应模糊pid的液压可控震源控制方法。

背景技术：

1、随着科技的不断进步，能源短缺限制着人类社会的发展。目前，为了解决这个问题，切实有效的方法之一就是改进能源勘探技术，而地震勘探技术是众多技术手段中最成熟操作性最强的勘探技术之一。地震勘探系统由地震仪、震源、检波器构成。震源作为勘探系统的输入源，它的作用是根据勘探需求产生信号源，与地震勘探最终成像效果的质量关联很大。可控震源控制技术是提高震源扫描信号质量和勘探信噪比的关键手段，需要对震源系统实时误差对震源进行实时快速校正。

2、轻便式液压震源是指最大名义出力低于116kn的一类液压可控震源(sy/t5249-2019)，其出色的移动能力让其主要活跃在城市街道，山区和林区的浅中层地震勘探中。轻便式震源由于重锤冲程短，出力小，在要求控制系统能够实现简单快速而实时控制的同时，还要有良好的动态性能。

3、目前现有的轻便液压可控震源系统面临以下问题：

4、第一，目前的可控震源勘探系统中的液压油，机械和底板材料等因素给震源系统带来了各种非线性误差，一方面使得震源器产生的扫描信号在震源发生过程时产生了很大的畸变，另一方面也使得可控震源系统的精确数学模型搭建变得困难。

5、第二，目前可控震源系统控制的主流思路是使用卡尔曼滤波加最优控制器的控制方法，在大型震源器上取得了很好的效果。但是该方法依赖于复杂的模型，需要庞大的计算和较好的硬件系统支持，无法适应复杂的地质条件。

6、中国专利cn112711073a公布了一种基于神经网络的多传感器融合地面力估计方法，通过融合位移，速度和加速度信号作为输入层，地面力信号作为输出层，使用监督神经网络进行迭代，得到输入信号的最佳权重分配策略，最终实现了利用多参数融合估计地面力，提高了估计精度。但是该方法需要先在不同频率的震源工作信号进行采集，再通过多次神经网络学习后确定权重，过程繁琐，计算复杂，难以在实际工业现场实现。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于自适应模糊pid的液压可控震源控制方法。针对精确数学模型难以建立的非线性大型系统生产过程及工业控制过程，采用自适应模糊控制技术，利用控制人员的经验为设计基础建立控制器，实现对系统的有效控制。针对控制系统繁琐复杂的问题，采用传统的pid控制，实现对轻便震源系统的简单且理想的控制。自适应模糊控制器有鲁棒性好，动态特性佳的特点，但静态误差却难以去除。pid控制器中的积分环节能很好的消除静差，但动态响应效果差。因此将自适应模糊控制和pid控制算法结合起来，两种算法取长补短，形成自适应模糊pid控制算法，能够达到更好的控制效果。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、一种基于自适应模糊pid的液压可控震源控制方法，其特征在于步骤如下：

4、步骤1：首先系统自动进行初始化设置，再根据勘探需求，通过显示屏幕设置震源扫描信号的参数，控制芯片根据参数控制输入信号发生器产生初始振动信号；

5、步骤2：在可控震源激振器的激振器和在背板上分别放置加速度传感器，通过采集电路上的多通道模数转换器实时采集激振器和背板的加速度后，使用滤波电路对采集的信号进行过滤，控制芯片根据公式计算得到底板估计力值；

6、步骤3：设计模糊控制器。先对出力误差和误差变化率进行模糊化处理，再根据模糊化规则进行模糊推理后得到修正参数模糊值，最后将修正参数模糊值去模糊化后得到pid控制器参数的修正值，与初始值叠加后调整pid控制器的控制参数；

7、步骤4：将经过pid控制器处理后的电压信号经过驱动电路转换为对应电液伺服阀控制信号，伺服阀会根据控制信号输出相应液压油驱动震源激振器进行振动，激振器再通过底板与地面耦合产生地面力，并向地下辐射扫描信号。

8、进一步地，所述步骤1中系统会根据控制芯片里预先下载的程序自动加载相应的模型和界面；此外，系统可根据命令进行模型和参数初始化，如果选择默认初始化，则会使用程序设置的初始值进行初始化。

9、进一步地，所述步骤1中的控制屏幕通过串口与控制芯片进行全双工通信，可根据勘探需求在屏幕上设置扫描信号的参数；控制芯片中的输入信号发生器中有根据理想震源模型建立的传递函数，可以根据输入参数和震源器的参数计算得到k时刻理论底板输出力gt(k)；此外，信号发生器中还预设了线性，e指数等常用扫描信号，可根据需要快速产生相应震源信号。

10、进一步地，所述步骤2中的通过加速度传感器采集到的激振器加速度am(k)和背板加速度ab(k)通过地面力加权和计算公式(1)计算得到k时刻实际的地面估计力gf(k)：

11、-gf(k)＝mm·am(k)+mb·ab(k)  (1)

12、式中的mm为激振器质量，mb为背板质量，二者均为常数。

13、根据理论出力值和实际出力值得到误差值e和误差变化率ec：

14、e＝gt(k)-gf(k)  (2)

15、ec＝d[gt-gf]/dt  (3)

16、进一步地，所述步骤3中的模糊控制采用上述的出力误差值e和误差变换率ec作为输入变量，根据模糊规则建立pid控制参数与二者之间的关系，进行多次迭代计算，最终完成可控震源器的控制。具体一次迭代过程步骤如下：

17、步骤1：给定控制参数初始值数kp0，ki0，kd0，确定误差值e,误差变化率ec的上限值和控制参数kp,ki,kd的上限值，分别为emax，ecmax，kpmax,kimax,kdmax；；

18、步骤2：将输入量e与ec映射到论域内，得出模糊值ef与ecf；

19、步骤3：根据模糊值ef与ecf计算其落在各语言变量的隶属度；

20、步骤4：根据规则表，查找在对应模糊语言变量下映射的控制参数kc；

21、步骤5：将模糊值解模糊化，得到pid调节器控制参数修正值；

22、步骤6：将修正值和初始值叠加得到新的控制参数，进而校正输出信号；

23、进一步地，所述的模糊化就是根据e和ec的论域范围，将其划分为多个区域，从而将区域内的值映射到模糊语言变量上。

24、进一步地，所述的误差值e和误差变化率ec的隶属函数的模糊语言变量分为七个等级，分别是{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}，代表了负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。当e处于模糊值a，ec处于模糊值b时，此时的隶属度计算公式为：

25、μ(k)＝μe(a)*μec(b)  (4)

26、进一步地，所述的解模糊化就是将pid控制器的控制参数的模糊值先进行归一化处理，进而转化为数值。对于控制参数，归一化为模糊值kf(k)：

27、

28、再将其映射到实际值为：

29、

30、式中n为论域的上限值，为控制系数的上限值，δkp/i/d(k)为k时刻的控制系数修正值。

31、进一步地，所述叠加初始值与修正值的具体公式为：

32、kp/i/d(k)＝kp0/i0/d0+δkp/i/d(k)  (7)

33、式中的kp0，ki0，kd0为系数初始值，kp/i/d(k)为更新后的控制系数。

34、进一步地，所述步骤4中的驱动电路能将输入的电压信号转换为特定的伺服阀驱动电流信号；伺服阀根据信号的电流大小输出相应的液压油量，液压油通过管道流入活塞，驱动活塞进行位移。活塞末端连接激振器的激振器，当活塞的上腔室液压大于下腔室液压时，激振器往下移动；当活塞的上腔室液压小于下腔室液压时，激振器往上移动，如此往复；在地面有一块刚性较大的背板，激振器经过隔振弹簧与背板进行耦合，并将振动力传递给背板；背板再与地面直接耦合，从而产生向下的地震波。与此同时，放置在激振器和背板上的加速度传感器采集到的加速度信号经过滤波后传输到控制芯片中，控制芯片会根据加权和地面力估计公式计算估计实际地面出力，以此形成闭环实时控制。

35、本发明提供的控制方法与现有方法相比，带来的有益效果在于：一种基于自适应模糊pid的液压可控震源控制方法能够针对可控制震源装置复杂和非线性的特点，用控制人员的经验为设计基础建立模糊控制器，实现对系统的有效控制。相比传统pid，本发明可以有更好的动态性能和更小的超调量。相比卡尔曼控制，本发明的控制可以有更快速的响应和更简单的控制系统。通过对震源系统实现实时有效控制，可以提高地震探勘精度和效率。