石油化工领域自动化专业过程控制课程群交叉融合教学体系设计

设计一种适合于石油化工类学校自动化专业的过程控制方向课程教学体系。该体系以石油炼化实验平台为依托,将石油炼化这一过程复杂、工艺灵活、形态多样的工程实际问题作为案例贯穿于本科生全阶段学习过程中,使学生循序渐进地掌握系统的专业知识,并具备初步的工程分析与设计等实践能力。教学实践证明该体系效果提升明显,学生的学习能力、团队协作能力、实践能力等均得到显著提升。

导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制

旋转导向钻井的稳定控制平台单纯采用PID控制时,控制性能与工具面角度的给定值有关。在某些角度下,平台会产生振荡旋转现象,无法实现工具面角度的稳定,使导向工具失去导向控制功能。分析表明,导致这种现象的主要原因是系统存在非线性偏心作用力矩,该力矩与工具面角度成正弦函数关系。基于反馈线性化原理,提出了平台系统的输出反馈线性化控制方法,消除了非线性因素的影响,实现了线性的闭环系统。仿真表明该方法可实现平台系统在钻井过程强扰动作用条件下的任意角度位置稳定控制。针对非线性偏心作用力矩不可直接测量问题,提出了一种基于系统运动姿态测量的偏心作用力矩在线估计方法,可有效减小估计误差所导致的控制性能劣化,并给出了一个在线估计的应用实例。水力驱动条件下的控制测试验证了基于偏心作用力矩在线估计的反馈线性化控制方法的有效性。

旋转导向钻井惯导平台动力学分析与运动研究

将受到井下复杂扰动力矩作用的惯导伺服平台稳定控制在某一特定方位角度,是推靠式全旋转导向钻井系统实现准确导向的关键,但该平台对作用力矩非常敏感,小的扰动即可使其振荡失稳甚至单向旋转。通过对平台主要作用力矩的分析,建立一个考虑摩擦、水力冲击、质量分布偏心、安装误差偏心和涡轮电动机电磁作用等作用力矩的非线性动力学模型。基于该模型,仿真分析平台在无扰动和复杂扰动下的运动,得出了平台结构和扰动作用参数对平台运动影响的一般规律,水力驱动下的力矩测试试验验证了动力学分析的合理性。这些工作为改进系统机械设计和平台控制方法研究奠定了基础。

旋转导向钻井工具涡轮电机电磁转矩前馈控制

钻井液流量的大范围变动容易导致旋转导向钻井工具空间角度位置控制的适应性差,具体表现为系统在某钻井液流量条件下整定的控制参数,在其他流量条件下常常是不稳定的,出现角度的振荡摆动、控制失稳。通过对涡轮电机电磁转矩与钻井液流量和控制信号动态关系的分析,建立了涡轮电机的动力学模型,模型表明电磁转矩的大小与流量和控制作用的乘积有一定比例关系,电磁转矩随钻井液流量呈动态变化,从而导致了控制的失稳。基于此提出了一种乘积型电磁转矩电压前馈补偿方法,经过前馈补偿后的电机电磁转矩的大小只与控制作用相关,而与钻井液流量无关,从而将一个非线性时变环节变换成了一个线性时不变环节;通过仿真分析与台架试验均验证了该方法的有效性,为实现平台系统在钻井液流量宽范围变化条件下的稳定控制提供了一种简便有效方法。

导向钻井稳定平台精确线性化控制

针对导向钻井稳定平台的强非线性、强扰动,致使传统控制算法难以实现高稳定性的角度输出问题,提出了一种基于反馈线性化的极点配置控制策略。首先,根据已知的平台非线性动力学方程,采用反馈线性化理论对该系统中的非线性因素进行精确线性化。其次,通过极点配置法设计期望极点,使系统动态性能达到期望效果。最后,在Matlab/Simulink环境中,搭建平台角度控制系统模型,对提出的控制算法进行仿真验证。仿真结果表明,上述控制算法相对传统PID算法有效的改善了系统角度稳定控制问题,并且在强扰动的作用下具有较强的鲁棒性,提高了系统的控制精度。

井下涡轮电机参数精密检测系统设计

井下涡轮电机是旋转导向钻井系统的电源、控制执行器和下传通信信号检测器,检测其电流、电压是实现井下自动控制和下传通信的关键。针对旋转导向钻井系统对涡轮电机参数的精密检测要求,检测系统采用Rogowski互感线圈进行检测,信号经过放大、精密整流、A/D转换后送给井下控制器。给出了系统的电路设计,提出了温度补偿办法。该检测系统已应用于某井下旋转导向钻井系统,效果良好。

自主存储式水力压裂过程井下测试系统设计

水力压裂过程的井下测试是压裂效果评价、改进压裂工艺的重要依据。在进行井下测试时,由于实际作业时间常与计划时间有较大差异,经常造成预先按作业计划设定存储的且存储容量有限的井下测试仪对关键时段没有记录。论文中分析了压裂作业井下压力曲线在不同作业时段的特征,提出了以压力、压力梯度作为特征参数来判定压裂作业所处时段的简单逻辑判别方法,并设计了自主存储策略和基于单片机的仪器电路。测试实验表明该方法是有效的,仪器可自主对关键时段的参数进行密集采样和存储。

工控软件iFIX的数据链路结构及其应用

分析iFIX的数据链路结构和链路中数据点的处理进程调度方式,针对流量补偿计算、流量累积计算和流量控制组态,采用编写用户程序的方式解决数字PID算法及其手动/自动切换的组态问题,采用多数据链路的方法解决流量补偿和累积计算时的数据链路分支问题。

旋转导向钻井工具稳定平台控制功能试验研究

为了实现在全旋转状态下的钻井导向控制,在调制式旋转导向钻井工具内设置了一个可以自动调整和保持工具面角度的稳定平台。设计了基于角速度和角位置串级控制的惯导稳定平台功能的试验样机。通过以电动机为动力的齿轮驱动和全流量清水涡轮驱动的功能试验,对稳定平台的算法和控制参数进行了调试。在发电机转速为500～800r/min、下盘阀转速约为60r/min和摩擦扭矩为0.8～7.5N·m的工作条件下,系统阶跃响应调整时间约为3s,试验结果证明了系统设计和控制方案的可行性和有效性。

旋转导向钻井系统下行通讯接收功能的开发

在旋转导向钻井系统中,导向控制命令是由地面监控装置通过系统的下行通讯通道向井下导向工具发送。用钻井液负脉冲的方式传输下传信号,采取了三降三升为主要特点的命令字脉宽编码方式。地面命令发送装置将指令转换成一定脉宽的钻井液排量变化,用5位指令码表示相应的导向力级别和工具面角。在井下导向工具中设计了下行通讯接收装置。由装置的数据采集部分检测反映钻井液脉冲变化的井下泥浆电机的输出电压或频率,经数据处理和解释,以信号阈值判断和脉宽识别为核心,由5个指令码的脉冲宽度时间和顺序计算得到正确的下传导向命令字。为了提高下行信号传输的可靠性和抗干扰能力,在接收装置的硬件和软件中采用了相应的措施。试验结果证明了这种下行通讯方案的可行性。

导向钻井工具冗余姿态测量与系统重构方法

为实现调制式导向钻井工具井眼轨迹的精确可靠控制,导向钻井工具井下姿态的实时测量至关重要。针对恶劣工况下测量系统可靠性差的问题,提出了一种非正交四轴重力加速度计的姿态测量方法,给出了对应的姿态参数求解和信号有效性判定公式。针对小井斜状态下姿态参数测不准问题,提出了四轴重力加速度计初始倾斜安装的非正交测量方法,显著提高了测量精度。针对井下恶劣工况中加速度计易损易失效问题,提出了双冗余非正交四轴重力加速度计测量方法,给出了双冗余重力加速度计关联信号的相互转换公式,讨论了依据信号特征判定重力加速度计故障的方法及故障诊断流程,并据此建立了系统重构方案。水力驱动测试实验表明,工具姿态测量准确,控制平台角度位置稳定。

基于预置欧拉旋转的垂直姿态测量

传统的正交坐标系在垂直姿态附近存在信号幅值和信噪比极低等不足,导致姿态解算精度低。分析了传统正交坐标系垂直姿态测量精度不足的内在原因,基于提高原始测量信号幅度及其信噪比的目的,提出一种预置旋转的正交坐标系,研究了其理论模型和测量误差,进行了原理验证。测试及其解算数据表明,预旋转坐标系在垂直姿态时可增强原始信号幅度10倍以上,较大地提高了垂直姿态测量的总体精度。

基于信号相似性的导向钻井下传信号处理方法

为了准确、高效识别导向钻井中以钻井液排量负脉冲间隔方式下传的指令信号,解决井下接收装置中指令识别和解释方法运算较复杂和误码率较高等问题,提出了一种基于信号相似性原理的信号识别处理技术。该技术通过比较各段采样信号幅值的自相关程度求取由钻井液排量脉宽所表示的导向钻井下传指令,并对井下采样信号按一定规律逐段比较,通过判断信号下传的开始点、解算信号各位的值和求取指令字等3个步骤,完成指令识别。给出了适合井下处理的递推式实用算法,设计了钻井液排量信号采集试验装置。研究和试验结果表明,利用该方法可简化运算程序、提高钻井液排量信号识别的可靠性和抗扰能力,特别有利于克服尖峰和周期干扰对计时求取的影响以及传输通道惯性及低频噪音对信号跳变沿判断的影响。

旋转导向钻井稳定平台控制对象动态特性研究

调制式旋转导向钻井系统中的稳定平台具有与一般过程控制对象完全不同的特殊结构和工作方式。钻铤内无固定支撑点的圆周旋转运动状态角的控制方法具有许多特点。通过试验对稳定平台对象的动态特性进行了深入研究,应用稳定平台试验中所采集到的动态数据及工程中常用的最小二乘法对稳定平台对象参数模型进行了辨识,并对辨识结果进行了对比分析。其动态数学模型可以用二阶Ⅰ型带一定纯滞后表示。不同数据组的辨识结果表明,所用参数估计方法具有良好的一致性。研究了对象特性中的一些非线性问题,并提出了相应的解决措施。

抗差自适应滤波的导向钻具动态姿态测量方法

针对钻井工程中,导向钻井工具在近钻头振动条件下,由于底部钻具振动对导向工具姿态测量造成严重干扰,使得姿态参数失真,导致姿态测量不准确的问题。为了消除或削弱振动对空间姿态测量的不利影响,快速解算出准确的钻具姿态参数,提出一种抗差自适应滤波的动态姿态测量方法,利用等价权函数和自适应因子合理的分配信息,有效地滤除钻具振动对动态姿态测量的影响。仿真实验和实钻井数据试验证明,采用该算法能滤除近钻头振动干扰信号,井斜角控制在5.5°左右,工具面角测量误差小于6°,有效地提高了导向钻井工具姿态参数的动态测量精度,解决动态测量时姿态参数测不准的问题。

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。

旋转体圆周角位置控制方法

针对旋转导向钻井工具稳定平台的角位置姿态控制系统,分析了角位置系统控制中圆周旋转运动各动态参数之间的关系和旋转角度控制的特点.介绍了满足这类特殊控制要求的控制算法.提出一种在极坐标系中描述动态响应曲线的方法,非常适用于旋转角位置控制系统.设计了一个钻井工具稳定平台模糊控制系统,它以角位置和角速度为输入、以控制电流的增量为输出,不仅可以解决角位置与旋转方向间的关系问题,而且具有比常规控制方法更好的鲁棒性及抗干扰能力,因此也更适合于钻井工程中的井下工作环境.

增广非最小状态空间法的稳定平台预测控制研究

针对传统的模型预测控制器鲁棒性较差及模糊PID控制系统比较复杂的问题,提出了利用增广非最小状态空间模型与模型预测控制相结合的稳定平台预测控制。建立了稳定平台广义被控对象的数学模型,以增广形式的非最小状态空间模型为基础,结合滚动时域控制原则和线性二次型最优控制,通过对稳定平台离散模型的非最小状态空间形式进行增广变换,给出了基于Laguerre函数的状态反馈增益矩阵算法,设计了增广非最小状态模型下的预测控制器,实现了对导向钻井稳定平台控制系统的仿真研究。仿真结果表明稳定平台预测控制系统可以很好地满足钻井工程对控制精度和动态特性的要求,而且对有时变性的盘阀摩擦干扰力矩及模型参数摄动具有较强的鲁棒性。

局部式反传网络的改进BP算法及应用

针对标准BP算法收敛速度慢的缺点,分析了其产生的主要原因,提出了一种改进BP算法。在传统BP算法基础上通过对其激励函数增加陡度因子并在误差反传权值修正时增加协调器,通过对网络灵敏度的分析将全反传式网络变成局部式反传网络,从而达到提高网络学习速率及精度的目的。改进的BP算法应用于导向钻井稳定平台系统的辨识,仿真结果表明该算法收敛速度快,精度高。

旋转导向钻井工具随钻测量系统存储功能研究

井下随钻测量系统的存储单元是调制式旋转导向钻井系统的关键技术之一.设计实现了基于串行EEPROM存储近钻头随钻测量井下工况数据的单片机系统,该系统采用大容量存储方式将采样的数据定时存储起来,起钻后读出数据,实现即时数据的回放.给出了硬件设计电路及软件设计思想,并采用C51语言实现井下大容量、长时间的数据采集存储.地面试验及井下试验证明该存储功能的有效性和可靠性,能够解决目前随钻测量参数的存储问题.