[發明專利]一種旋轉導向執行機構的虛機實電仿真系統及仿真方法

無效

• 申請號: 201310193482.2
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN103310038A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 牛文鐵;李遠志;李洪濤;李帥
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 張金亭

技術領域

本發明涉及仿真系統及仿真方法，特別是一種旋轉導向執行機構的虛機實電仿真系統及仿真方法。

背景技術

目前，旋轉導向鉆井系統由于其突出的優點受到人們越來越多的關注，并廣泛應用于復雜井、超深井和三維多目標井等高難度井的開采。然而集機、電、液于一體的高科技的旋轉導向鉆井技術目前仍被國外幾大石油公司所壟斷，出于對技術的保護，幾大石油公司只是提供設備及技術的租賃服務，并不出售相關的設備及技術。國外石油公司對旋轉導向鉆井技術收取的高額租金及國內對旋轉導向系統的迫切需求，不斷促進國內自主創新的旋轉導向系統的研究與開發。

旋轉導向鉆井系統的研究是一項投入資金大、對軟硬件要求高、研究周期長并集機、電、液于一體的高難度系統工程，其中旋轉導向執行機構研究開發是整個系統研究開發的關鍵與核心。傳統的旋轉導向執行機構研究思路是在確定導向原理和初步的運動學、動力學分析的基礎上，立即進行樣機的試制，然后通過實驗驗證原理以及設計分析的正確性，其主要缺陷有：設計及分析階段的交互性與可視化能力差；設計及分析階段的工作不能為實驗階段提供指導，不同階段之間的延展性差；重復設計、分析、樣機試制的工作，研究開發周期長，投入大，工程應用能力差。

發明內容

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種通過對旋轉導向執行機構進行分析、模擬仿真和調試來縮短研發周期和降低研發成本的旋轉導向執行機構的虛機實電仿真系統及仿真方法。

本發明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：一種旋轉導向執行機構的虛機實電仿真系統，包括工控機、電控裝置、測量裝置和旋轉導向執行機構；所述工控機包括導向仿真器、數據采集模塊和接口通信模塊，所述電控裝置包括運動控制卡和數據采集卡，所述測量裝置包括傳感器組，所述旋轉導向執行機構包括電機模塊和執行機構模塊，其中：

所述接口通信模塊，用于完成所述工控機與所述電控裝置之間的數據通信；

所述傳感器組，用于實時采集所述旋轉導向執行機構的狀態信號,并將采集到的信號發送至所述數據采集卡；

所述數據采集卡，用于將所述傳感器組上傳的模擬量信號轉換成數字量信號，并通過所述接口通信模塊發送信號至所述數據采集模塊；

所述數據采集模塊，用于接收并處理來自所述數據采集卡的信號，并發送數字信號至所述導向仿真器；

所述導向仿真器，用于完成所述旋轉導向執行機構導向鉆進的仿真，其接收來自所述數據采集模塊的信號，按照預定的算法計算處理后顯示井眼軌跡信息，同時通過所述接口通信模塊向所述運動控制卡發送控制信號；

所述運動控制卡，用于驅動所述電機模塊工作；

所述電機模塊，包括兩個伺服電機，用于驅動所述執行機構模塊工作；

所述執行機構模塊，用于使旋轉導向執行機構內的心軸發生偏置，實現導向鉆進。

進一步地，所述旋轉導向執行機構為靜態偏置指向式旋轉導向執行機構。

進一步地，所述運動控制卡為多軸可編程運動控制卡，并與LabVIEW實現數據交互。

進一步地，所述執行機構模塊包括一套少齒差行星輪系，所述少齒差行星輪系在所述的兩個伺服電機的驅動下實現行星輪的自轉和公轉，從而帶動心軸運動，使心軸發生偏置。

本發明還提供了一種旋轉導向執行機構的虛機實電仿真方法，包括如下步驟：

1)分析旋轉導向執行機構的工作原理，確定參數之間的關系，采用MATLAB軟件建立相應的數學模型；

2)采用SolidWorks軟件建立旋轉導向執行機構的三維模型；

3)采用LabVIEW軟件，將步驟1)所得的數學模型和步驟2)所得的三維模型進行關聯，建立所述導向仿真器的虛擬動態仿真模型；

4)對所述導向仿真器進行虛機實電仿真調試并修正。

其中步驟1)具體包括如下步驟:

11）采用MATLAB軟件建立數學模型，包括旋轉導向執行機構心軸偏心位移矢量與實鉆井眼軌跡的井斜角和方位角之間關系的數學模型，旋轉導向執行機構心軸偏心位移矢量與所述兩個伺服電機的轉角之間關系的數學模型，理想井眼軌跡與實鉆井眼軌跡之間的偏差和旋轉導向執行機構心軸偏心位移矢量之間關系的數學模型；

12）將井眼軌跡的坐標值、井斜角和方位角輸入導向鉆井數據庫，計算出軌跡參數對應的旋轉導向執行機構的造斜率和工具面角；

13）根據導向原理和結構參數計算出旋轉導向執行機構內心軸的偏置幅值和偏置相位；