[發明專利]一種抑制鉆桿粘滑振動的系統及方法

有效

• 申請號: 201410178516.5
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103941635A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 章莉敏;李江紅;崔麗娜;王關征;李科;付蒙;侯媛媛;張文龍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B19/05
• 分類號: G05B19/05
• 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，包括抑制鉆桿粘滑控制器，抑制鉆桿粘滑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，所述抑制鉆桿粘滑控制器包括主動阻尼控制器，主動阻尼控制器包括估計器和控制器，變頻器分別與估計器和控制器相連，將電機實際轉速和電機實際扭矩傳輸到估計器和控制器；估計器與控制器相連，將鉆頭轉速估計值和鉆桿扭矩估計值傳輸至控制器；控制器與變頻器相連，將限幅后的輔給定優化轉速傳輸至變頻器；變頻器與被控對象連接，將電機主給定轉速和限幅后的輔給定優化轉速的疊加轉速傳輸至被控對象。

3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述抑制鉆桿粘滑控制器包括內模控制器，內模控制器包括前饋內模控制器、乘法器和反饋濾波器，前饋內模控制器與變頻器統相連，內模控制器將得到電機期望轉速和輔給定優化轉速分別輸出至變頻器和乘法器，變頻器和乘法器的輸出量經反饋濾波器連接至前饋內模控制器；變頻器與被控對象連接，將電機主給定轉速和限幅后的輔給定優化轉速的疊加轉速傳輸至被控對象。

4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述抑制鉆桿粘滑控制器包括自抗擾控制器，自抗擾控制器包括非線性跟蹤微分器、擴張狀態觀測器、非線性組合單元、擾動補償單元和狀態反饋單元；非線性跟蹤微分器與變頻器PLC控制系統相連，非線性跟蹤微分器與非線性組合單元相連，非線性組合單元將得到的輔給定轉速u0傳輸至擾動補償單元，再經狀態反饋單元連接至擴張狀態觀測器得到鉆頭轉速估計量z1、鉆頭轉速微分估計量z2和擾動估計量z3，擴張狀態觀測器將z3連接至擾動補償單元得到輔給定優化轉速u，擴張狀態觀測器將z1、z2連接至非線性組合單元，經非線性組合單元連接擾動補償單元至變頻器，變頻器與被控對象連接，將電機主給定轉速和限幅后的輔給定優化轉速的疊加轉速傳輸至被控對象。

5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述抑制鉆桿粘滑控制器包括自適應控制器，自適應控制器包括參數估計器和控制器，參數估計器與被控對象相連獲取模型參數估計值，參數估計器與控制器相連，控制器根據被控對象模型參數估計值以及控制誤差得到電機控制轉速，控制器與變頻器相連，控制器將限幅后的輔給定優化轉速傳輸至變頻器，變頻器與被控對象連接，將電機主給定轉速和限幅后的輔給定優化轉速的疊加轉速傳輸至被控對象。

6.權利要求1所述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、電機實際轉速等信息傳輸至控制單元；

3)同時，人機交互裝置將鉆桿和鉆具組合結構等信息傳輸至控制單元；

4)控制單元根據控制算法進行優化運算，得到輔給定優化轉速，并用最大轉速進行限幅；

5)控制單元通過CAN總線將限幅后的輔給定優化轉速傳輸至變頻器，與電機主給定轉速相疊加，疊加轉速控制驅動電機，進而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。