钻柱粘滑振动自适应控制系统研究

摘要

钻柱粘滑振动是一种“运动-静止-再运动-再静止”的振动模式，往往发生于钻井深度达几千米以上的钻井工况。粘滑振动一旦发生将容易导致钻进效率大幅降低、钻头损坏、钻杆断裂等故障。本文研究钻柱粘滑振动自适应控制系统的主要目的是抑制钻柱粘滑振动，减小钻井事故，提高钻进效率。　　文中主要从以下几个方面进行钻柱粘滑振动自适应控制系统的研究：　　（1）将顶部转盘和底部钻具组合分别等效为两个集中质量块，把钻柱的质量等效到钻具组合上，钻柱等效为无惯性有扭转刚度的弹簧，建立钻柱动力学弹簧-质量模型。对钻柱系统的弹簧-质量模型进行受力分析，建立了钻柱系统的运动模型，并对钻柱粘滑振动产生机理进行分析。　　（2）建立龙伯格（Luenberger）观测器，估计钻具组合的实际运动情况；以观测器数据为基础，用局部参数最优化设计方法设计了钻柱粘滑振动模型参考自适应控制算法，并对算法进行了稳定性分析。搭建了控制系统仿真模型，为钻柱粘滑振动自适应控制系统的实现提供理论支撑。　　（3）完成了钻柱粘滑振动自适应控制系统的实现，主要包括三方面：1）人机交互单元的软硬件设计；2）控制算法单元的软硬设计；3）接口转换单元的软硬件设计。为给用户提供友好的交互界面，人机交互单元采取Linux+ARM的嵌入式开发设计模式；自适应控制算法单元采用TMS320F2812DSP 芯片作为主控芯片进行系统设计，以满足系统对实时性的需求；对外接口单元采取STM32F407作为控制芯片进行系统设计，以满足系统与外部信息交互的需求。　　（4）在完成钻柱粘滑振动自适应控制系统实现的基础上，进行半实物仿真实验。该实验采取基于模型的设计模式，实验结果显示，钻柱粘滑振动自适应控制系统能使电机的转速和扭矩振幅快速收敛，粘滑振动消失。证明了控制系统的完备性，为上井实验提供了基础支撑。　　（5）将钻柱粘滑振动控制系统接入顶驱变频器中进行了实际工况下的上井实验。实验结果表明本次设计的钻柱粘滑振动自适应控制系统能够有效的抑制钻柱粘滑振动。由此也可反映出本文建立的Luenberger 观测器、模型参考自适应控制律、钻柱粘滑振动自适应控制系统的有效性和稳定性、以及仿真实验的正确性和控制系统实现的可行性。

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