一种基于内模控制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内模控制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，得到电机实际转速和电机实际扭矩；2)变频器将电机实际扭矩传输至控制单元；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扭矩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；5)控制单元通过CAN总线将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，该方法能够控制系统的实际输出恒等于期望输出，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】一种基于内模控制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】，涉及一种基于内模控制法、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 Oscillation 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，提供一种基于内模控制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控制驱动电机，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]一种基于内模控制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，包括内模控制器，内模控制器用于将驱动电机的当前状态进行控制调整，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，所述内模控制器包括前馈内模控制器、乘法器和反馈滤波器，前馈内模控制器分别与变频器和乘法器相连，变频器分别连接被控对象、乘法器和反馈滤波器，反馈滤波器连接至前馈内模控制器。
[0017]前馈内模控制器根据变频器PLC控制系统设定的电机主给定转速得到电机期望转速和辅给定优化转速，辅给定优化转速输出至变频器，电机期望转速输出至乘法器，变频器的输出量电机实际扭矩和乘法器的输出量电机期望扭矩二者的差值经反馈滤波器传输至前馈内模控制器进行循环；同时，将辅给定优化转速传输至变频器，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅，电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动。
[0018]相应地，本发明进而给出了内模控制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:
[0019]I)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；
[0020]2)变频器通过CAN总线将电机实际扭矩传输至控制单元；
[0021]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；
[0022]4)控制单元将获取电机实际扭矩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；
[0023]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，电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动；
[0024]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。
[0025]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:
[0026]a)构建乘法器，通过比例增益Kn实现；
[0027]b)构建前馈内模控制器，前馈内模控制器根据变频器PLC控制系统设定的电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波器得到电机期望转速和辅给定优化转速，经变频器得到电机实际扭矩；
[0028]c)电机期望转速输出至乘法器，得到电机期望扭矩；
[0029]d)构建反馈滤波器，反馈滤波器将电机期望扭矩和电机实际扭矩的差值反馈至前馈内模控制器进行循环；
[0030]e)前馈内模控制器将该差值进行优化运算，得到辅给定优化转速。
[0031]进一步地，所述乘法器由比例增益Kn来实现，方法如下:
[0032]Kn = m/n
[0033]式中，m代表电机期望扭矩，η代表电机期望转速。
[0034]所述前馈内模控制器通过电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波器得到电机期望转速和辅给定优化转速的方法如下:
[0035]①构建低通滤波器f (Z):
【权利要求】
1.一种基于内模控制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，包括内模控制器，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连接，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，所述内模控制器包括前馈内模控制器、乘法器和反馈滤波器，前馈内模控制器分别与变频器和乘法器相连，变频器分别连接被控对象、乘法器和反馈滤波器，反馈滤波器连接至前馈内模控制器。
3.基于权利要求1所述内模控制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总线将电机实际扭矩传输至控制单元； 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扭矩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； 5)控制单元通过CAN总线将辅给定优化转速传输至变频器，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅，电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同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)构建乘法器，由比例增益Kn实现； b)构建前馈内模控制器，前馈内模控制器根据变频器PLC控制系统设定的电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波器得到电机期望转速和辅给定优化转速； c)电机期望转速输出至乘法器，得到电机期望扭矩； d)构建反馈滤波器，反馈滤波器将电机期望扭矩和变频器得到的电机实际扭矩的差值反馈至前馈内模控制器进行循环； e)前馈内模控制器对该差值进行优化运算，得到辅给定优化转速。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述乘法器由比例增益Kn来实现，方法如下:
Kn = m/n 式中，m代表电机期望扭矩，η代表电机期望转速。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述前馈内模控制器通过电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波器得到电机期望转速和辅给定优化转速的方法如下: ①构建低通滤波器f(Z):
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反馈滤波器构建方法如下:
【文档编号】E21B44/04GK103941634SQ201410178333
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】侯媛媛, 李江红, 伍志强, 孙大鹏, 刘琳, 刘旭礼, 姜庆巍, 章莉敏 申请人:西北工业大学, 盘锦辽河油田天意石油装备有限公司