石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)研究

1、    石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)研究    陳勇剛席志鵬李昊王虹【摘 要】石油鉆機(jī)在自動(dòng)送鉆過(guò)程中，被控量（鉆壓）難以測(cè)量，有的對(duì)象參數(shù)未知或參數(shù)變化緩慢，有的對(duì)象帶有延遲或隨機(jī)干擾。傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器不能有效的克服受控象不確定性、非線性、復(fù)雜性的控制系統(tǒng)。建立恒鉆壓自動(dòng)送鉆數(shù)學(xué)模型，采用參數(shù)自整定pid方法，對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行時(shí)實(shí)整定，結(jié)合matlab可視化仿真軟件，在matlab/simulink中進(jìn)行仿真。該控制策略及算法與傳統(tǒng)pid相比更為優(yōu)越，且各方面動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)都達(dá)到理想要求?！娟P(guān)鍵詞】自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)；自整定pid；研究1 現(xiàn)有自動(dòng)送鉆裝置控

2、制系統(tǒng)存在的不足建立合理的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前自動(dòng)送鉆裝置所采用的控制方法都是線性閉環(huán)控制。眾所周知，巖石性能、泥漿性質(zhì)、井壁阻力和剎車機(jī)構(gòu)性能等因素均會(huì)對(duì)鉆壓的大小產(chǎn)生影響。井下諸多己知的或未知的因素給建立合理的數(shù)學(xué)模型帶來(lái)困難。石油鉆機(jī)自身在工作時(shí)也存在大量的不確定性。也就是說(shuō)，在線性閉環(huán)控制數(shù)學(xué)模型中被認(rèn)為恒定的參數(shù)是時(shí)變的、非線性的，即使閉環(huán)控制具有一定的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、快速性，但這種控制方法己制約著控制效果的進(jìn)一步提高。2 石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)2.1 石油自動(dòng)送鉆設(shè)備組成一部完整的陸地鉆機(jī)由八大系統(tǒng)及其相應(yīng)設(shè)備組成1：轉(zhuǎn)盤(pán)；水龍頭；鉆桿柱；鉆頭；鉆挺與井底動(dòng)力

3、鉆具；鉆井泵；地面管匯；液池；鉆井液槽；振動(dòng)篩；絞車；貓頭；滾筒與輔助剎車；天車；游車；大鉤；游車系統(tǒng)鋼絲繩；井架；動(dòng)力機(jī)；鉆臺(tái)底座；井口裝置防噴器。2.2 石油鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)工作原理在鉆井過(guò)程中，鉆壓應(yīng)相對(duì)保持恒定。在某一地層，某一深度，合適的鉆壓值對(duì)鉆井是十分有利的，且利用恒鉆壓鉆井，可以提高鉆井效率，減小鉆頭的磨損。相反，過(guò)高的鉆壓可能造成事故，如折斷鉆桿、鉆頭，鉆頭損壞等；過(guò)低的鉆壓又使鉆井效率十分低。從經(jīng)濟(jì)效益上說(shuō)是不合理的。因此，在鉆井過(guò)程維持相對(duì)恒定的鉆壓是至關(guān)重要的，恒鉆壓打井是最理想的。鉆壓，實(shí)際就是鉆桿對(duì)鉆采面的壓力。鉆具在井筒中的受力分析mg=f1+f2+f3。mg

4、 、f1、f2、f3分別表示鉆具凈重，鉆具在泥漿中的浮力，受到鋼絲繩的拉力，受到鉆采面向上的支持力。因?yàn)殂@具對(duì)鉆采面的壓力n3與鉆具對(duì)鉆采面向上的支持力f3是一對(duì)反作用力。則有：n3=f3=mg-（f1+f2） fl+f2可視為鉆具在井筒中的懸重，因此為保持鉆壓n3=f3恒定，可知鉆壓只與懸重有關(guān)。在穩(wěn)定時(shí)，鉆壓與懸重成反比關(guān)系。因此可得出下面的結(jié)論：在鉆井過(guò)程中，當(dāng)鉆壓升高且超過(guò)原來(lái)預(yù)設(shè)的鉆壓時(shí)，應(yīng)使懸重提高，使鉆壓降下來(lái)；反之，當(dāng)鉆壓減小且小于原來(lái)預(yù)設(shè)的鉆壓時(shí)，應(yīng)使懸重降低，使鉆壓升上去，從而維持鉆壓的恒定，實(shí)現(xiàn)恒鉆壓鉆井的效果。由此可知，對(duì)懸重的正確控制是自動(dòng)送鉆系統(tǒng)對(duì)鉆壓實(shí)行恒值控制的

5、關(guān)鍵，恒鉆壓控制也就是恒懸重控制。自動(dòng)送鉆電機(jī)在工作時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)輸出速度的變化很容易導(dǎo)致鉆壓的變化，所以要求對(duì)自動(dòng)送鉆電機(jī)的調(diào)速性能相當(dāng)高，在打鉆時(shí)我們?cè)谧冾l器中選用帶編碼器的矢量控制方式，編碼器用于檢測(cè)交流電機(jī)實(shí)際的速度輸出27。一般轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)中電流環(huán)按照典型型系統(tǒng)近似，轉(zhuǎn)速環(huán)按型系統(tǒng)近似。對(duì)于矢量控制變頻器來(lái)說(shuō)，我們?nèi)n=0.0174，tn是三相橋式電路的平均失控時(shí)間。式中h為中頻寬，取h為5。從而可求取其閉環(huán)傳遞函數(shù)。我們?cè)谇笕°@壓控制的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要以下的相關(guān)知識(shí)，就是鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速度以及各種鉆井參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)油田作鉆進(jìn)試驗(yàn)的典型擬合曲線，鉆進(jìn)參數(shù)保持不變的情況下，鉆

6、壓與鉆速存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。由擬合曲線可見(jiàn)，最初鉆壓很小，巖屑量小，井底凈化充分，鉆速沿oa段與鉆壓平方成正比。繼續(xù)增加鉆壓，巖屑量相應(yīng)增多，但因?yàn)樗?shù)不變，井底凈化條件逐漸變差，鉆速增長(zhǎng)率逐步下降而沿ab段幾乎與鉆壓成線性關(guān)系。此后再增加鉆壓，井底凈化條件將嚴(yán)重惡化，鉆速增長(zhǎng)更慢，而且可能不再增加。當(dāng)在鉆壓和其它鉆進(jìn)參數(shù)都不改變的條件下，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)速度的關(guān)系曲線。我們發(fā)現(xiàn)，在軟地層也就是井底凈化充分的情況下，鉆速與轉(zhuǎn)速成正比；當(dāng)?shù)貙幼冇?，鉆速與轉(zhuǎn)速不再成正比，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速快，單位時(shí)間內(nèi)鉆齒對(duì)巖石的沖擊次數(shù)多，鉆速加快，但卻縮短了鉆齒與地層的接觸時(shí)間t，當(dāng)t低于巖石破碎所需時(shí)間時(shí)，鉆齒不能吃

7、入，破巖效率便會(huì)顯著下降。各國(guó)的專家、學(xué)者在各種鉆井實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了多個(gè)關(guān)于上述各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，但最具有影響力也最權(quán)威的數(shù)學(xué)表達(dá)式是1969年的younges.提出的鉆速模式，稱為楊格模式，后來(lái)有人對(duì)此進(jìn)行了修正，便得到目前廣泛采用的修正楊格模式。即：v=kicpch（w-m）n（1/（1+c2h）式中v鉆進(jìn)速度；ki巖石可鉆性系數(shù)，與巖石硬度及鉆頭類型等有關(guān)；cp壓差影響系數(shù)，與泥漿密度等有關(guān)；ch水力參數(shù)影響系數(shù)，與比水功率有關(guān)；w井底鉆壓；m門(mén)限鉆壓，與巖層性質(zhì)有關(guān)；n轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速指數(shù)，與巖層性質(zhì)有關(guān)；c2鉆頭牙齒磨損系數(shù)，與牙齒特性及巖層性質(zhì)有關(guān)；h鉆頭牙齒磨損量，隨時(shí)間而

8、變化。由式可以看出，在轉(zhuǎn)速n以及其他參數(shù)不變的情況下，在克服門(mén)限鉆壓m后，鉆進(jìn)速度v與鉆壓w成正比。在此基礎(chǔ)上建立以速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，鉆壓環(huán)為外環(huán)。可以得到自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。3 自動(dòng)送鉆模糊自整定pid控制器模型建立帶參數(shù)模糊自整定pid，在matlab/simulink建立數(shù)學(xué)仿真模型。該模型中對(duì)模糊pid控制器進(jìn)行了封裝，其fuzzy pid子模塊subsystem中封裝。模型中e、ec 作為模糊控制器fuzzy的輸入信號(hào)，kap、kai、kad分別為控制器的經(jīng)模糊推理后的輸出信號(hào)，在將e、ec、kap、kai、kad分別作為pid控制器的輸入信號(hào)，即完成對(duì)模糊自整定pid控制器模型的

9、初步建立4。本模型中，同時(shí)對(duì)模糊控制器，pid控制器分別進(jìn)行了再次封裝。模型結(jié)構(gòu)圖中pid控制器中，kp=0.1、ki=0.3、kd=0.03分別為pid控制器的初值設(shè)定值。由公式建立以上pid控制器的數(shù)字仿真模型5。設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間為10秒，起動(dòng)仿真按鈕：其仿真如，超調(diào)量為3.12%，上升時(shí)間tr為：2.57秒。即調(diào)節(jié)時(shí)間ts（5%）小于3秒，滿足系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)要求。4 結(jié)論采用參數(shù)自整定pid方法，對(duì)pid參數(shù)進(jìn)行時(shí)實(shí)整定，結(jié)合matlab可視化仿真軟件，在matlab/simulink中進(jìn)行仿真。該控制策略及算法與傳統(tǒng)pid相比更為優(yōu)越，且各方面動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)都達(dá)到理想要求。【參考文獻(xiàn)】1王平，趙清杰，楊汝清.技術(shù)研究j.石油機(jī)械，2006，34（12）：54-58.2劉金琨.先進(jìn)pid控制matlab仿真（第二版）m.北京：電子工業(yè)出版社，2007.3張國(guó)良.模糊控制及其matlab應(yīng)用m.西安交通大學(xué)出