一种基于自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法，包括：1)变频器通过PLC控制系统给出电机主给定转速，传输至被控对象，得到电机实际转速；2)变频器将电机实际转速传输至控制单元；3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；4)控制单元将获取的电机实际转速和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运算，得到辅给定优化转速，用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅；5)控制单元通过CAN总线将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机的转速，该方法能够估计系统扰动量，实时显示电机实际转速和实际扭矩，从而达到抑制钻杆粘滑振动的目的。
【专利说明】一种基于自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油钻井、地质勘探等【技术领域】，涉及一种基于自抗扰法、总线通信技术和人机交互技术来抑制钻杆粘滑振动的系统及方法。
【背景技术】
[0002]石油钻井过程中由于地层复杂、钻杆运动不确定，容易发生钻杆振动，包括钻杆的横向振动、轴向振动和粘滑振动。其中，粘滑振动是由于钻头与地层的摩擦力矩引起的扭矩振荡，钻头速度或停或转，瞬间转速非常大，易造成钻杆和钻头的性能恶化；该现象不仅影响钻井效率也威胁到钻井的安全，因此需要采取合理的方法来抑制粘滑振动。
[0003]针对粘滑振动，减振途径和措施主要有:(I)增大顶部转速；(2)增大系统等效扭转刚度；(3)增大系统等效阻尼；(4)顶部扭矩负反馈。
[0004]目前国外已经开发了一些抑制粘滑振动的方法和系统。
[0005]2004年Navarro-Lo' pez和Suarez-Cortez提出在钻杆底部安装减振器；2000年，Richardson和Kiittel提出了在钻具组合上安装液压扭矩驱动系统。但是这些方法都增加了钻杆系统的复杂性和成本，且使用时不具有通用性。
[0006]1988年Halsey, Kyllingstad和Kylling提出了钻杆扭矩负反馈的方法；2005年Canudas-de-ffit et al 提出 了钻井振动克星Drilling Oscillat1n Killer (D-OSKIL),它利用钻头上的重量作为附加的控制参数。这些方法有的并不成熟，使用效果也并不十分理想。国内目前在领域的研究还比较欠缺，所以这方面的研究开发具有很好的工程应用价值。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对石油钻井中常发生的粘滑振动现象，提供一种基于自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法，采用本发明的系统，能够准确地获取实际钻杆参数，实时显示电机实际转速和电机实际扭矩曲线及数值，能够发出转速命令来改变驱动电机的驱动转速，从而抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡。该系统解决了现有技术中硬件连接复杂、系统工作不稳定、实现效果不理想的问题。
[0008]为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案:
[0009]一种基于自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统，包括:
[0010]—被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合，用于实现石油钻井；
[0011]——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态反馈至控制单元；
[0012]——控制单元，包括主动阻尼控制器，用于对驱动电机的当前状态进行控制，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡；
[0013]——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控；
[0014]—CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信；[0015]所述变频器与驱动电机相连，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，变频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装置。
[0016]进一步地，所述自抗扰控制器包括非线性跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性组合单元、扰动补偿单元和状态反馈单元；非线性跟踪微分器与非线性组合单元相连接，非线性组合单元与扰动补偿单元相连，扰动补偿单元分别与状态反馈单元和变频器相连；状态反馈单元和变频器分别连接扩张状态观测器，扩张状态观测器分别连接非线性跟踪微分器和扰动补偿单元；变频器连接被控对象。
[0017]相应地，本发明进而给出了自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统的控制方法，该方法包括下述步骤:
[0018]1)变频器通过PLC控制系统给出设定的电机主给定转速，传输至被控对象，驱动钻杆起转；
[0019]2)变频器通过CAN总线将电机实际转速传输至控制单元；
[0020]3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；
[0021]4)控制单元对获取的电机实际转速和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运算，得到辅给定优化转速，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅；
[0022]5)控制单元通过CAN总线将将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机，进而控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动；
[0023]6)同时，人机交互装置实时地保存和显示电机实际转速和电机实际扭矩数据。
[0024]进一步地，所述控制单元的优化运算是通过下述方法来实现的:
[0025]a)构建非线性跟踪微分器，跟踪电机主给定转速，并提取电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2 ；
[0026]b)非线性组合单元将电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2进行非线性组合后得到辅给定转速Utl ；
[0027]c)状态反馈单元给出一个反馈增益Iv将辅给定转速Utl与钻头转速y经扩张状态观测器分别得到被控对象状态估计量Z1、钻头转速的微分Z2、扰动估计量Z3 ;
[0028]d)钻头转速估计量Z1、钻头转速微分估计量Z2分别与电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2作差，差值输入至非线性组合单元得到辅给定转速U' ^ ;
[0029]e)扰动补偿单元将辅给定转速u' ^结合扰动估计量Z3得到电机期望转速U1和辅给定优化转速U。
[0030]进一步地，所述非线性跟踪微分器提取电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2通过构建非线性跟踪微分器模型来实现:
【权利要求】
1.一种基于自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统，其特征在于，包括: —被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合，用于实现石油钻井； ——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态反馈至控制单元； ——控制单元，包括主动阻尼控制器，用于对驱动电机的当前状态进行控制，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡； ——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控； ——CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信； 所述变频器与驱动电机相连，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，变频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自抗扰控制器包括非线性跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性组合单元、扰动补偿单元和状态反馈单元；非线性跟踪微分器与非线性组合单元相连接，非线性组合单元与扰动补偿单元相连，扰动补偿单元分别与状态反馈单元和变频器相连；状态反馈单元和变频器分别连接扩张状态观测器，扩张状态观测器分别连接非线性跟踪微分器和扰动补偿单元；变频器连接被控对象。
3.基于权利要求1所述自抗扰法抑制钻杆粘滑振动的系统的控制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤: 1)变频器通过PLC控制系统给出设定的电机主给定转速，传输至被控对象，驱动钻杆起转； 2)变频器通过CAN总线将电机实际转速传输至控制单元； 3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元； 4)控制单元对获取的电机实际转速和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运算，得到辅给定优化转速，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅； 5)控制单元通过CAN总线将将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机，进而控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动； 6)同时，人机交互装置实时地保存和显示电机实际转速和电机实际扭矩数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制单元的优化运算是通过下述方法来实现的: a)构建非线性跟踪微分器，跟踪电机主给定转速，并提取电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2 ； b)非线性组合单元将电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2进行非线性组合后得到辅给定转速Utl; C)状态反馈单元给出一个反馈增益Iv将辅给定转速Utl与钻头转速y经扩张状态观测器分别得到钻头转速估计量Z1、钻头转速微分估计量Z2和扰动估计量Z3 ； d)钻头转速估计量Z1、钻头转速微分估计量Z2分别与电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2作差，差值输入至非线性组合单元得到辅给定转速u, ^ ; e)扰动补偿单元将辅给定转速u'。结合扰动估计量Z3得到电机期望转速U1和辅给定优化转速U。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过非线性跟踪微分器提取电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2的方法如下: ①构建非线性跟踪微分器模型:
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述扩张状态观测器得到钻头转速估计量Z1、钻头转速微分估计量Z2和扰动估计量Z3通过下式实现:
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述非线性组合单元将电机主给定转速跟踪值V1和电机主给定转速微分值V2进行非线性组合后得到辅给定转速U, ^通过下式实现:
η1 0(k) = k^fal (Vi (k) Zi (k)，0.5，62)+kzfal (v2 (k)-z2 (k)，0.25，62) (4) 其中，
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述扰动补偿单元得到辅给定优化转速u的方法如下: ①由辅给定转速u'^及扰动估计量Z3获得电机期望转速U1:
【文档编号】E21B44/04GK104035371SQ201410178161
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】章莉敏, 李江红, 崔丽娜, 侯媛媛, 刘科峰 申请人:西北工业大学