动态指向式旋转导向钻井工具的控制方法研究

摘要

动态指向式旋转导向钻井技术代表了当今世界钻井技术发展的最高水平，其能够在钻柱旋转钻进的情况下，实时完成随钻导向钻井。其中，钻进过程中的井眼质量和钻进方向的准确度均与其控制系统的控制效果有关。因此，本文以自主研发的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机为对象，从仿真和原理样机的实验测试两方面深入研究了PI控制算法、积分滑模控制算法和自抗扰控制算法。通过分析不同控制算法对动态指向式旋转导向钻井工具系统的控制效果，为研发具有自主知识产权的旋转导向钻井工具提供了理论与实验基础。基于旋转导向钻井工具的国内外研究现状，在分析其工作原理之后，本文主要完成以下工作。 首先，针对自主研发的动态指向式旋转导向钻井工具系统设计了两套不同的控制方案。 其次，针对导向钻井工具中永磁同步电机进行参数测量及建模；对电机电流环和转速环的PID控制器参数进行了设计；建立了动态指向式旋转导向钻井工具系统的仿真模型，并对其各个模块进行了仿真与实验测试，确保了仿真模型的准确性。 再次，针对旋转导向钻井系统在正常工作时受系统本身参数摄动及外部扰动的影响较大问题，除了使用经典PI控制算法外，提出了使用鲁棒性强的滑模变结构控制算法和自抗扰控制算法来对控制系统进行控制。在依次介绍了PID控制算法、滑模变结构控制算法和自抗扰控制算法的基本原理之后，对PID控制器、一阶积分滑模控制器、一阶线性自抗扰控制器、二阶积分滑模控制器和二阶线性自抗扰控制器进行了设计。 最后，在保证动态指向式旋转导向钻井工具的仿真模型与原理样机的各个模块均一致的基础上，分别针对仿真模型与原理样机的电机电流环、电机转速环、稳定平台对地转速环和位置环，进行了不同控制算法的仿真与实验测试，并对不同控制算法得到的仿真与实验结果进行对比分析，最终得出二阶积分滑模控制算法具有较好的控制效果。因此，本课题基于自主研发的动态指向式旋转导向钻井工具系统的电机转速环、稳定平台对地转速环和位置环最终均采用二阶积分滑模控制算法。

目录

声明

第1章 引言

1.1 课题背景及研究意义

1.2 旋转导向钻井技术研究现状

1.2.1 旋转导向钻井工具的分类

1.2.2 国内外研究现状

1.3 本课题研究内容

1.4 论文基本结构

第2章 旋转导向钻井工具基本原理

2.1 旋转导向钻井工具的工作原理

2.2 动态指向式旋转导向钻井工具的工作原理

2.3 动态指向式旋转导向钻井工具的控制方案

2.4 本章小结

第3章 动态指向式旋转导向钻井工具的建模、仿真与实验测试

3.1 永磁同步电机的建模

3.1.1 永磁同步电机的基本方程

3.1.2 永磁同步电机的坐标变换

3.1.3 永磁同步电机的数学模型

3.2 旋转导向钻井工具控制系统参数的确定

3.2.1 永磁同步电机参数的测量

3.2.2 MATLAB仿真参数设置

3.3 空间矢量脉宽调制技术

3.3.1 空间矢量脉宽调制技术的原理

3.3.2 空间矢量脉宽调制技术的仿真测试

3.4 永磁同步电机控制系统的仿真与实验测试

3.4.1 PI控制器模块的仿真与实验测试

3.4.2 park逆变换和svpwm模块的仿真与实验测试

3.4.3 电机开环控制的仿真与实验测试

3.5 本章小结

第4章 旋转导向钻井工具的控制

4.1 旋转导向钻井工具控制算法的原理与设计

4.1.1 PID控制算法的基本原理与设计

4.1.2 滑模变结构控制算法的基本原理与设计

4.1.3 自抗扰控制算法的基本原理与设计

4.2 旋转导向钻井工具的控制算法仿真与实验测试

4.2.1 基于PID的永磁同步电机电流控制策略的研究

4.2.2 永磁同步电机转速控制策略研究

4.2.3 稳定平台对地转速控制策略研究

4.2.4 工具面角控制策略研究

4.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢