[發明專利]一種基于內模控制法抑制鉆桿粘滑振動的系統及方法

有效

• 申請號: 201410178333.3
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103941634A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 侯媛媛;李江紅;伍志強;孫大鵬;劉琳;劉旭禮;姜慶巍;章莉敏
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司
• 主分類號: G05B19/05
• 分類號: G05B19/05;E21B44/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

1.一種基于內模控制法抑制鉆桿粘滑振動的系統，其特征在于，包括：

——被控對象，包括驅動電機連接的齒輪箱，以及由齒輪箱帶動的鉆桿和鉆具組合，用于實現石油鉆井；

——變頻器，包括PLC控制系統，PLC控制系統控制驅動電機的啟動、停止和調速的工作狀態，并設定電機主給定轉速，變頻器將驅動電機的當前狀態反饋至控制單元；

——控制單元，包括內模控制器，用于對驅動電機的當前狀態進行控制，抑制鉆桿和鉆具組合的扭矩振蕩和轉速振蕩；

——人機交互裝置，包括ARM芯片，完成控制單元的數據管理、人機操控；

——CAN總線，用于實現變頻器與控制單元的自由通信；

所述變頻器與驅動電機連接，驅動電機與由齒輪箱帶動的鉆桿和鉆具組合相連，變頻器通過CAN總線連接控制單元，控制單元通過串口連接人機交互裝置。

2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述內模控制器包括前饋內模控制器、乘法器和反饋濾波器，前饋內模控制器分別與變頻器和乘法器相連，變頻器分別連接被控對象、乘法器和反饋濾波器，反饋濾波器連接至前饋內模控制器。

3.基于權利要求1所述內模控制法抑制鉆桿粘滑振動的系統的控制方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：

1)變頻器通過PLC控制系統設定的電機主給定轉速傳輸至被控對象，驅動鉆桿起轉；

2)變頻器通過CAN總線將電機實際扭矩傳輸至控制單元；

3)同時，人機交互裝置將鉆桿和鉆具組合結構信息傳輸至控制單元；

4)控制單元對獲取的電機實際扭矩和鉆桿和鉆具組合結構信息進行優化運算，得到輔給定優化轉速；

5)控制單元通過CAN總線將輔給定優化轉速傳輸至變頻器，并用最大轉速來對輔給定優化轉速進行限幅，電機主給定轉速和限幅后的輔給定優化轉速的疊加轉速共同控制鉆桿和鉆具組合的旋轉鉆進，抑制鉆桿粘滑振動；

6)同時，人機交互裝置實時地保存和顯示電機實際轉速和電機實際扭矩數據。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制單元的優化運算是通過下述方法來實現的：

a)構建乘法器，由比例增益Kn實現；

b)構建前饋內模控制器，前饋內模控制器根據變頻器PLC控制系統設定的電機主給定轉速和比例增益Kn的逆結合低通濾波器得到電機期望轉速和輔給定優化轉速；

c)電機期望轉速輸出至乘法器，得到電機期望扭矩；

d)構建反饋濾波器，反饋濾波器將電機期望扭矩和變頻器得到的電機實際扭矩的差值反饋至前饋內模控制器進行循環；

e)前饋內模控制器對該差值進行優化運算，得到輔給定優化轉速。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述乘法器由比例增益Kn來實現，方法如下：

Kn＝m/n

式中，m代表電機期望扭矩，n代表電機期望轉速。