[发明专利]一种基于主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统及方法

权利要求书

1.一种基于主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统，其特征在于，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，包括主动阻尼控制器，用于对驱动电机的当前状态进行控制，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。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主动阻尼控制器包括估计器和控制器，估计器与控制器相连，控制器连接至变频器，变频器分别连接被控对象、估计器和控制器。

3.基于权利要求1所述主动阻尼法抑制钻杆粘滑振动的系统的控制方法，其特征在于，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总线将电机实际转速和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)控制单元对获取的电机实际转速和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。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制单元的优化运算是通过下述方法来实现的：

a)构建估计器，估计器根据电机实际转速和电机实际扭矩实时地获取钻头转速估计值和钻杆扭矩估计值，估计器通过二阶扰动模型来得到钻杆扭矩估计值和钻头转速估计值；

b)控制器对电机实际扭矩和所述钻杆扭矩估计值与变频器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。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过二阶扰动模型得到钻杆扭矩估计值和钻头转速估计值的方法如下：

①构建二阶扰动模型：

式中，J₁为电机的转动惯量，为折算到电机轴侧的钻杆扭矩估计值，为折算到电机轴侧的钻杆扭矩微分的估计值，w₁为电机实际转速，为电机转速估计值，Ka、Kb、Kc分别为比例系数；

②对上式进行拉氏变换，与等式：

m₂＝m₁-J₁sw₁(s)

联立，式中，m₁是电机实际扭矩，m₂为折算到电机轴侧的钻杆扭矩，s为微分因子；

得到对m₂的传递函数H(s)：

③将上述(2)式传递函数H(s)的特征多项式：

A(s)＝(J₁/Kc)s³+(J₁Ka/Kc)s²+(Kb/Kc)s+1   (3)

各项系数选取最优特征比为0.5，得到比例系数Ka、Kb、Kc的值；

④钻杆扭矩估计值利用上述(2)式得到；

⑤将钻杆扭矩估计值带入式(1)，并与下式联立：

式中，i为齿轮箱的减速比，c为钻杆刚度系数，为钻头转速估计值；由此得到钻头转速估计值利用此估计值判断钻杆是否发生粘滑振动。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过控制器得到辅给定优化转速由如下方式实现：

①通过估计器得到的钻杆扭矩估计值得到辅给定优化转速w：

式中，k₁、k₂分别为比例项，m₁为电机实际扭矩；

②计算比例项k₁、k₂的值：

构建系统特征方程为：

Ts5+(1+kpk1)s4+(w02T+kpJ1+kpk1τ)s3+(w02+kpJ1τ+kpk2w012+kpk1w02)s2+(kpk2w012τ+kpw022J1+kpk1w02τ)s+kpw022J1τ=0---(6)]]>

式中，T为采样时间，kp、τ分别是变频器转速环的比例增益和时间常数，J₁为电机的转动惯量，w₀₁、w₀₂、w₀分别为电机、钻具组合以及整个系统的振动自然频率；

期望系统特征方程为：

Ts5+(1+Tdcw02)s4+(w02T+kpJ1+Tτdcw02)s3+(w02+kpJ1τ+kpdcw022J1)s2+(kpw022J1+kpdcw022τJ1)s+kpw022J1τ=0---(7)]]>

式中，i为齿轮箱的减速比，c为钻杆刚度系数，d为钻杆阻尼系数；

由上述方程(6)与方程(7)，得到两个比例项的值：

k1=Tdcw02/kp]]>

k2=(dcw022/J1-K1w02)/w012]]>

③将比例项k₁、k₂的值代入上述(5)式，得到辅给定优化转速w。