Boost型转矩控制器的稳定控制技术研究

调制式旋转导向钻井工具通过调节涡轮电机的输出转矩来实现导向控制,斩波式转矩控制器有较大的电流谐波,会产生较大的脉动转矩和较强的电磁干扰,功率因数和转换效率低。针对斩波控制器的不足,提出一种Boost型转矩控制电路。介绍了这种控制器的工作原理,从而建立了控制电路的数学模型。通过分析控制系统的稳定性以及不稳定状态的混沌分岔行为特征,给出混沌控制策略,并详细研究了分别采用参数正弦微扰共振和参数线性斜坡微扰共振方法时电路的控制特征及效果。台架模拟试验表明,选用参数线性斜坡微扰法可保证电路稳定可靠地工作,达到抑制脉动转矩、提高功率因数和转换效率的目的。

电动钻机动力系统功率均衡控制器的设计

针对电动钻机动力系统——柴油发电机组多台并联运行时功率分配不均衡问题,基于现有的钻机电气控制系统,设计了一种功率均衡控制器.该控制器以可编程控制器为控制中心,采用多输入多输出模糊控制算法,实现各机组有功功率和无功功率的均衡分配.实验结果表明:控制器简单、实用,提高了电动钻机动力系统的稳定性和可靠性.

钻机多自由度旋转系统的滑模控制策略

针对钻机旋转系统中钻头黏滑振动导致钻头失速而引起系统故障,建立钻机具有扭转特性的多自由度旋转系统模型,提出基于幂次趋近律的双面滑模PID控制策略,将滑模面设计为2个间断面,一是滑模面抑制钻头黏滑运动,二是滑模面使钻头速度跟随顶驱速度,实现钻头恒速运行;滑模控制策略结合PID控制,改善旋转系统的动态及静态响应特性.仿真结果表明:基于幂次趋近律的双面滑模PID控制,使系统对参数和地层结构的变化具有较强的鲁棒特性,可有效抑制钻头的黏滑振动,减小稳态误差,保证系统的稳定性和可靠性.

基于GPRS的石油钻机远程安全监控系统

针对石油钻机施工作业环境恶劣、钻进过程实时监控困难的现状,开发了基于GPRS的石油钻机远程安全监控系统。该系统由现场监控主机、终端监控机、GPRSDTU、GPRS网络构成。工控机、PLC和现场总线构成基于IPC+PLC+PROFIBUS的现场监控。终端监控机、监控主机、GPRSDTU和GPRS网络构成基于GPRS的远程监控。该系统具有钻井过程实时远程监控与故障诊断功能,实现了石油钻机远程安全监控,在海上平台钻机和沙漠腹地钻机远程监控中具有典型的应用示范作用。

直接转矩控制技术在游梁式抽油机中的应用

目前游梁式抽油机在运行过程中存在效率低、能耗高、调节冲次费时费力等缺陷,现有节能技术节电效果不佳。针对这一问题,提出了一种基于直接转矩控制技术的游梁式抽油机节能控制系统。该系统采用直接转矩控制技术,将定子磁链和转矩作为控制变量,无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制,根据电机负载变化情况迅速调整电机的输出转矩。其具有控制手段直接、转矩响应速度快、动态特性优异等特点,适用于电压变化或负载突变等场合。系统测试表明节电效果显著,具有一定的经济效益和推广应用价值。

石油电动钻机井场电网有源电力滤波器的改进研究

针对电压波形畸变严重的石油电动钻机井场电网,提出了一种并联型有源电力滤波器(PAPF)的改进方法,采用直接功率控制(DPC)中的滞环控制方法和带基波提取及周期平均值滤波器(CMF)的改进α-β检测方法提高井场电网性能。仿真实验结果表明,改进的PAPF可以有效抑制井场电网的无功和谐波,具有更好的动态性能。

ZJ40型电动钻机备用柴油机组控制系统的设计

针对ZJ40型电动钻机的工艺要求,采用ESD5500E柴油机速度控制器和LSM672有功功率均衡模块,设计了ZJ40型电动钻机备用柴油机组控制系统。控制系统能够实现柴油发电机组的稳定运行,提高柴油机的使用寿命;能够在两个发电机组之间比例共享负荷,具有正向功率和逆功率监控保护功能;能够降低动力系统的损耗、提高柴油发电机组的有效容量和供电质量,达到节能降耗的目的。

基于滑模PI控制交流变频钻机旋转系统

钻井过程中钻头粘滑振动会导致钻头失速,钻杆组合故障,增加钻井成本。为此,提出了滑模PI控制策略用于电动钻机交流变频旋转系统。在建立钻机旋转系统模型基础上,将滑模控制与PI控制相结合,用于提高系统的鲁棒性,抑制钻头的粘滑振动。仿真结果表明:基于滑模PI控制的钻机交流变频旋转系统,可有效地控制钻头失速,减少钻柱疲劳损坏,改善旋转系统的动态和静态响应特性。

钻机恒钻压自动送钻系统模糊控制器的设计

针对钻机工作过程中钻压的时变和非线性的基本特性,提出一种基于模糊控制技术的钻机自动送钻技术。根据模糊控制理论和钻井现场司钻的操作经验,建立相应的模糊控制规则,同时结合送钻电机矢量控制技术,设计了恒钻压送钻系统模糊控制器。仿真实验表明控制效果良好,系统的响应速度提高,对实际的设计与应用具有一定的指导意义。

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。

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。

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。

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。

旋转导向钻井工具稳定平台模糊滑模控制研究

关于稳定平台是旋转导向钻井工具的重要环节。针对稳定平台存在的摩擦问题带来的不确定性,为提高平台系统的控制精度和稳定性,提出利用模糊控制理论与滑模变结构控制相结合的稳定平台控制系统。通过建立带摩擦的稳定平台模型,设计出变结构控制器和自适应模糊系统逐步逼近等效控制,并对切换项进行模糊逼近,以平滑不连续控制。仿真结果表明方法既保证了控制系统对外界扰动和参数不确定性具有较好的鲁棒性,也实现了较高的稳定平台姿态控制精度,使闭环系统具有良好的动态性能。

基于模糊神经网络的钻机安全监控系统研究

由于地层的多样性,钻机系统状态、功能和结构的复杂性、非线性及不确定性,借助单一信息源提供的信息,采用常规或传统的故障诊断理论和方法,根据几个主要的故障特征量做出判断,难以实现钻机故障诊断。为此,提出基于信息融合的模糊推理和神经网络相结合的故障综合诊断方法,采用多个异类传感器与现场总线构成安全监控系统,建立故障诊断结构模型,进行模糊神经网络算法的信息融合和学习算法与网络参数确定。试验表明,该系统应用于钻机故障的实时检测和神经网络智能诊断具有良好的效果,对提高钻井过程安全和自动化水平具有重要意义。

旋转导向钻井工具发电机电磁转矩控制及其优化

全旋转导向钻井工具的导向功能是通过调节其下涡轮发电机输出电磁转矩实现的。根据PWM斩波型控制电路模型,推导出旋转导向钻井工具涡轮发电机电磁转矩的数学表达式,通过数值计算确定了电磁转矩与控制量之间的关系,并进行了台架试验验证。从电机磁场储能角度讨论了发电机输出脉动转矩产生的内在原因及其计算方法,并在斩波型控制电路中引入有源功率因数校正技术,设计了一种可提高功率因数和电路稳定性的优化控制电路。试验测试结果表明,斩波优化控制电路消除了谐波脉动转矩,在增强电路稳定性的同时也增加了电磁转矩的调节范围。

电动钻机动力系统的功率检测及均衡

针对电动钻机动力系统即柴油发电机组的有功功率和无功功率的均衡问题,设计了一种简单实用的功率实时检测及均衡电路。利用功率检测电路的信号,发电机各控制单元可对其输出的电压和频率进行调节,从而保证发电机输出电压和频率的稳定。同时发电机多机组并网运行时,通过功率均衡电路实现各机组有功功率和无功功率的均衡分配。试验结果证明,设计的电路正确,用于钻机动力系统可降低系统故障率,提高机组的利用率,完全满足钻井作业的工况。

基于DSP的柴油发电机组控制系统自动并网模块设计

针对现有自动准同期并网装置与发电机组控制系统分离,采用单独的控制芯片而导致资源浪费的问题,设计了以发电机组控制系统的主控芯片TMS320F2812为核心实现的自动准同期并网模块。该模块节省了硬件资源,通过实验可以方便的实现安全、可靠的并网。详细叙述了该模块的原理和软硬件设计。