一种基于内模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于内模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法，包括：1)变频器通过PLC控制系统给出电机主给定转速，传输至被控对象，得到电机实际转速和电机实际扭矩；2)变频器将电机实际扭矩传输至控制单元；3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；4)控制单元将获取的电机实际扭矩和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运算，得到辅给定优化转速；5)控制单元通过CAN总线将辅给定优化转速传输至变频器，与电机主给定转速相叠加，叠加转速控制驱动电机的转速，该方法能够控制系统的实际输出恒等于期望输出，实时显示电机实际转速和实际扭矩，从而达到抑制钻杆粘滑振动的目的。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井、地质勘探等技术领域，涉及一种基于内模控制法、 总线通信技术和人机交互技术来抑制钻杆粘滑振动的系统及方法。

背景技术

石油钻井过程中由于地层复杂、钻杆运动不确定，容易发生钻杆振动，包 括钻杆的横向振动、轴向振动和粘滑振动。其中，粘滑振动是由于钻头与地层 的摩擦力矩引起的扭矩振荡，钻头速度或停或转，瞬间转速非常大，易造成钻 杆和钻头的性能恶化；该现象不仅影响钻井效率也威胁到钻井的安全，因此需 要采取合理的方法来抑制粘滑振动。

针对粘滑振动，减振途径和措施主要有：(1)增大顶部转速；(2)增大系 统等效扭转刚度；(3)增大系统等效阻尼；(4)顶部扭矩负反馈。

目前国外已经开发了一些抑制粘滑振动的方法和系统。

2004年Navarro-Lo′pez和Suarez-Cortez提出在钻杆底部安装减振器； 2000年，Richardson和Küttel提出了在钻具组合上安装液压扭矩驱动系统。 但是这些方法都增加了钻杆系统的复杂性和成本，且使用时不具有通用性。

1988年Halsey，Kyllingstad和Kylling提出了钻杆扭矩负反馈的方法； 2005年Canudas-de-Wit et al提出了钻井振动克星Drilling Oscillation Killer (D-OSKIL)，它利用钻头上的重量作为附加的控制参数。这些方法有的并不成熟， 使用效果也并不十分理想。国内目前在领域的研究还比较欠缺，所以这方面的 研究开发具有很好的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对石油钻井中常发生的粘滑振动现象，提供一种基于内 模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法，采用本发明的系统，能够准确地获 取实际钻杆参数，实时显示电机实际转速和电机实际扭矩曲线及数值，能够发 出转速命令来控制驱动电机，从而抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡。 该系统解决了现有技术中硬件连接复杂、系统工作不稳定、实现效果不理想的 问题。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

一种基于内模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统，包括：

——被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和 钻具组合，用于实现石油钻井；

——变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱动电机的启动、停 止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器将驱动电机的当前状态 反馈至控制单元；

——控制单元，包括内模控制器，内模控制器用于将驱动电机的当前状态 进行控制调整，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速振荡；

——人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控；

——CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信；

所述变频器与驱动电机相连，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合 相连，变频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装 置。

进一步地，所述内模控制器包括前馈内模控制器、乘法器和反馈滤波器，前 馈内模控制器分别与变频器和乘法器相连，变频器分别连接被控对象、乘法器 和反馈滤波器，反馈滤波器连接至前馈内模控制器。

前馈内模控制器根据变频器PLC控制系统设定的电机主给定转速得到电机 期望转速和辅给定优化转速，辅给定优化转速输出至变频器，电机期望转速输 出至乘法器，变频器的输出量电机实际扭矩和乘法器的输出量电机期望扭矩二 者的差值经反馈滤波器传输至前馈内模控制器进行循环；同时，将辅给定优化 转速传输至变频器，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅，电机主给定 转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同控制钻杆和钻具组合的旋转钻 进，抑制钻杆粘滑振动。

相应地，本发明进而给出了内模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统的控制方 法，该方法包括下述步骤：

1)变频器通过PLC控制系统给出设定的电机主给定转速，传输至被控对 象，驱动钻杆起转；

2)变频器通过CAN总线将电机实际扭矩传输至控制单元；

3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；

4)控制单元将获取电机实际扭矩和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运算， 得到辅给定优化转速，，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅；

5)控制单元通过CAN总线将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，电 机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同控制钻杆和钻具组合 的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动；

6)同时，人机交互装置实时地保存和显示电机实际转速和电机实际扭矩数 据。

进一步地，所述控制单元的优化运算是通过下述方法来实现的：

a)构建乘法器，通过比例增益Kn实现；

b)构建前馈内模控制器，前馈内模控制器根据变频器PLC控制系统设定的 电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波器得到电机期望转速和辅给 定优化转速，经变频器得到电机实际扭矩；

c)电机期望转速输出至乘法器，得到电机期望扭矩；

d)构建反馈滤波器，反馈滤波器将电机期望扭矩和电机实际扭矩的差值反 馈至前馈内模控制器进行循环；

e)前馈内模控制器将该差值进行优化运算，得到辅给定优化转速。

进一步地，所述乘法器由比例增益Kn来实现，方法如下：

Kn＝m/n

式中，m代表电机期望扭矩，n代表电机期望转速。

所述前馈内模控制器通过电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波 器得到电机期望转速和辅给定优化转速的方法如下：

①构建低通滤波器f(z)：

$f\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\beta z}}^{-1}}---\left(1\right)$

式中，β为低通滤波器滤波因子，z为辅助复变量，边界条件为Kn*f(1)＝1, 由此可得到β的值；

②构建前馈内模控制器G_c(z)：

$G_c\left(z\right)=\frac{y_c}{y_r}={\mathrm{Kn}}^{-1}f\left(z\right)---\left(2\right)$

式中，f(z)为低通滤波器,y_c为电机期望转速，y_r为电机主给定转速；

③得到电机期望转速y_c：

y_c＝G_c(z)*y_r  (3)；

④得到辅给定优化转速y：

y＝y_c-y_r  (4)。

进一步地，所述反馈滤波器构建方法如下：

$G_f\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Kn}}\frac{1-{\alpha }_f}{1-{\alpha }_f{z}^{-1}}---\left(5\right)$

式中，G_f(s)为反馈滤波器，α_f为反馈滤波器滤波因子，z^-1为辅助复变量z 的逆。

相对于现有技术，本发明的特点在于：

(1)本发明系统是基于顶部驱动钻井技术的地面控制技术，硬件结构简单， 无需添加任何井底设备就能够实现抑制钻杆粘滑振动；

(2)本发明采用了内模控制控制器，与现有变频器顶驱PLC控制系统无缝 集成，其运算处理速度快，具有良好的实时性能；

(3)本发明采用了内模控制控制器进行优化运算，得到的辅给定优化转速与 电机主给定转速叠加控制驱动电机，能够有效地抑制钻杆粘滑振动；

(4)控制器的传递函数为乘法器传递函数的逆，控制系统的实际输出恒等于 期望输出，而与乘法器和外部干扰无关，有良好的鲁棒性和抗干扰性能力；

(5)控制器内模控制算法能够得到辅给定优化转速，并且用电机最大转速来 对辅给定优化转速进行限幅，在能够保证系统安全的基础上达到控制的目的；

(6)具有人机交互界面，操作便捷，灵活性高；

(7)系统通信稳定，具有良好的抗干扰性。

附图说明

图1是硬件结构和系统总体设计图；

图2是粘滑控制系统结构图；

图3是钻杆粘滑控制系统钻杆扭矩的控制曲线；

图4是钻杆粘滑控制系统钻头转速的控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的基于内模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统，包括：

被控对象，包括驱动电机连接的齿轮箱，以及由齿轮箱带动的钻杆和钻具 组合，用于实现石油钻井；变频器，包括PLC控制系统，PLC控制系统控制驱 动电机的启动、停止和调速的工作状态，并设定电机主给定转速，变频器能将 驱动电机的当前状态反馈至控制单元；控制单元，包括内模控制控制器，用于 对驱动电机的当前状态进行控制调整，抑制钻杆和钻具组合的扭矩振荡和转速 振荡；人机交互装置，包括ARM芯片，完成控制单元的数据管理、人机操控， 能够由此获取钻杆和钻具组合的结构信息，还能够实时保存和显示电机实际转 速和电机实际扭矩等数据；CAN总线，用于实现变频器与控制单元的自由通信。 变频器与驱动电机连接，驱动电机与由齿轮箱带动的钻杆和钻具组合相连，变 频器通过CAN总线连接控制单元，控制单元通过串口连接人机交互装置。

其中，控制单元是控制系统的核心装置，主要由内模控制器采用内模控制算 法实现。内模控制器包括被控对象模型、乘法器、前馈内模控制器、反馈滤波 器。控制器输出的电机期望转速引入到被控对象，控制器输出的辅给定优化转 速引入到乘法器，二者的输出量，即钻杆实际扭矩和钻杆期望扭矩作差，差值 引入到控制器与变频器PLC控制系统设定的电机主给定转速进行比较运算，得 到辅给定优化转速，并用最大转速来对辅给定优化转速进行限幅，将限幅后的 辅给定优化转速传输至变频器，电机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的 叠加转速共同控制钻杆和钻具组合的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动。见图2所 示。

本发明下面具体给出了内模控制法抑制钻杆粘滑振动的系统的控制方法， 包括下述步骤：

1)变频器通过PLC控制系统给出设定的电机主给定转速，传输至被控对 象，得到电机实际转速和电机实际扭矩；

2)变频器将电机实际扭矩传输至控制单元；

3)同时，人机交互装置将钻杆和钻具组合结构信息传输至控制单元；

4)控制单元将获取的电机实际扭矩和钻杆和钻具组合结构信息进行优化运 算，得到辅给定优化转速；

控制单元的优化运算是通过下述方法来实现的：

a)构建乘法器，通过比例增益Kn实现，计算方法如下：

Kn＝m/n

式中，m代表电机期望扭矩，n代表电机期望转速；

b)构建前馈内模控制器，前馈内模控制器根据变频器PLC控制系统设定的 电机主给定转速和比例增益Kn的逆结合低通滤波器得到电机期望转速和辅给 定优化转速，方法如下：

①构建低通滤波器f(z)：

$f\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{\beta z}}^{-1}}---\left(1\right)$

式中，β为低通滤波器滤波因子，z为辅助复变量，边界条件为Kn*f(1)＝1, 由此可得到β的值；

②构建前馈内模控制器G_c(z)：

$G_c\left(z\right)=\frac{y_c}{y_r}={\mathrm{Kn}}^{-1}f\left(z\right)---\left(2\right)$

式中，f(z)为低通滤波器,y_c为电机期望转速，y_r为电机主给定转速；

③得到电机期望转速y_c：

y_c＝G_c(z)*y_r  (3)；

④得到辅给定优化转速y：

y＝y_c-y_r  (4)。

c)电机期望转速输出至乘法器，得到电机期望扭矩；

d)构建反馈滤波器，反馈滤波器将电机期望扭矩和电机实际扭矩的差值反 馈至前馈内模控制器进行循环，所述反馈滤波器构建方法如下：

$G_f\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{Kn}}\frac{1-{\alpha }_f}{1-{\alpha }_f{z}^{-1}}---\left(5\right)$

式中，G_f(s)为反馈滤波器，α_f为反馈滤波器滤波因子，z^-1为辅助复变量z 的逆；

e)前馈内模控制器进行优化运算，得到辅给定优化转速，并用最大转速对 辅给定优化转速进行限幅；

5)控制单元通过CAN总线将限幅后的辅给定优化转速传输至变频器，电 机主给定转速和限幅后的辅给定优化转速的叠加转速共同控制钻杆和钻具组合 的旋转钻进，抑制钻杆粘滑振动；

6)同时，人机交互装置实时地保存和显示电机转速和电机扭矩等数据。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真条件

基于以上分析，搭建了被控对象模型，并建立了钻杆粘滑控制的仿真模型。 变频器在100s前输入电机主给定转速，模拟粘滑振动形式，在100s后输入为 电机主给定转速和辅给定优化转速的叠加转速。其中，电机主给定转速为 n＝2000rpm，辅给定优化转速的最大转速为n_max＝400rpm。

2.仿真结果

利用以上仿真条件建立控制系统模型，电机主给定转速输入到前馈内模控 制器后，前馈内模控制器输出的电机期望转速引入到乘法器，二者的输出量， 即钻杆实际扭矩和钻杆期望扭矩作差，差值引入到控制器执行内模控制算法， 得到辅给定优化转速，辅给定优化转速与电机主给定转速求和得到的叠加转速 送入到变频器，进而控制驱动电机。钻杆扭矩控制曲线见图3所示，钻头转速 控制曲线见图4所示。

从图中结果可以看出，钻杆扭矩和钻头速度在50s后就进入稳定状态，可 见该控制器能够快速准确地抑制粘滑振动，动态性能和稳态性能良好。

以上所述，仅是本发明针对本发明应用的实施例，可以使本领域的技术人 员更全面的理解本发明，但并非对本发明做任何限制。按照本发明技术方案， 上述实施例可举出很多例子。凡是根据本发明技术方案所给出的范围和对以上 实施例所做的任何简单的修改和变更，均属于本发明技术方案的保护范围。大 量的实验结果表明，在本发明权利要求书所提出的范围，均可达到本发明的目 的。