[发明专利]旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法

权利要求书

1.一种旋转导向钻井工具系统的工具面角估计方法，其特征在于，其具体步骤为：

S1、建立工具面角控制系统数学模型；

结合永磁同步电机d-q坐标系的数学模型，构建工具面角控制系统数学模型为：

式中，

x为状态变量，y为测量输出，为状态变量x的一阶导数，x₁＝i_d,x₂＝i_q,x₃＝ω_m,x₅＝T_L,i_d为d轴的电流，i_q为q轴的电流，ω_m为电机转速，为工具面角，T_L为负载力矩，u_d为d轴的电压，u_q为q轴的电压，R_s为定子相电阻，L_d为d轴的电感，L_q为q轴的电感，ψ为永磁体励磁磁链，p_n为电极对数，J为总转动惯量，μ为总粘滞系数，y₁和y₂为采样电阻的测量值，y₃为旋转变压器的测量值，y₄为对稳定平台陀螺仪和加速度计数据处理之后得到的工具面角测量值，y₅为稳定平台陀螺仪的测量值，d为工具面角控制系统的干扰；

S2、构造状态观测器，获得估计误差系统；

针对公式(1)所述工具面角控制系统，构造状态观测器为：

式中，表示状态变量x的估计值，表示估计值的一阶导数，为待设定的状态观测器参数；

结合公式(1)所述工具面角控制系统和公式(2)所述状态观测器得到估计误差系统表示为：

式中，为估计误差，为估计误差e的一阶导数；

利用泰勒展开线性方法，公式(3)所示估计误差系统近似为：

式中，为一个关于估计值的多项式矩阵；

S3、求解状态观测器参数完成状态观测器设计；

构造多项式：

η＝-α^T(Ω+εI)α (5)

式中，ξ₁0,ξ₂0为给定的标量，α为任意的具有合适维数的向量，β0为未知的正实数，P0为未知的常数正定矩阵，为未知的关于估计值的多项式矩阵；

通过MATLAB中的SOSTOOLS工具箱，求解未知量β、P和使η写成关于估计值和向量α的平方和多项式的形式，然后状态观测器参数通过求得；

将求解出的状态观测器参数代入实际的状态观测器中，则状态观测器设计完成；

S4、接收测量数据，进行工具面角估计；

利用四阶龙格-库塔算法实时求解设计完成的状态观测器，在求解过程中，将测量数据y和测量数据b代入到四阶龙格-库塔算法中，获得工具面角的实时估计值。