CN107795317A - 一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，属于钻井设备控制技术领域，用于随钻测量的钻井液连续压力波信号发生器在旋转阀负载力矩的影响下保持旋转阀转速的稳定及转速的快速调节；基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正，再基于PID参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力和转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；使旋转阀产生较高品质的钻井液连续压力波信号，满足随钻测量/随钻测井数据传输的需求；其控制原理科学，控制工艺简单，控制路线可靠，控制设备易得，应用环境友好。
Description
技术领域：
本发明属于钻井设备控制技术领域，涉及一种油气钻井过程中随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，特别涉及一种用于随钻测量工具中的钻井液连续压力波信号发生器的旋转阀转速控制方法。
背景技术：
井下随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。钻井液压力信息遥测通常采用连续压力波来传输井下信息，钻井液连续压力波信号由旋转阀式井下连续压力波信号发生器产生，旋转阀式连续压力波信号发生器由定子和相对于定子运动的转子组成。旋转阀位于安装有井下测量工具的钻铤上部，钻铤是钻柱的一部分，钻铤下部连接钻头；旋转阀的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定在钻铤内壁，转子安装在定子下部，钻井液从定子上部流入，从转子下部流出；为便于转子相对于定子转动，转子直径稍小于定子直径，且定子下表面与转子上表面之间留有一定间隙；转子由电机通过减速器进行驱动，定子和转子上有相同数量的多个孔口和叶片，定子和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔，在转子相对于定子转动过程中，转子上的孔口相对于定子孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使定子上部的钻井液压力发生变化，该压力以波动方式向井口传输，利用该压力波可以进行井下测量数据的上传。钻井液连续压力波信号通常为钻井液压力相移键控(PSK)信号，实现方法为首先让旋转阀转子在某一固定转速下产生呈正弦变化的钻井液压力波作为通信载波，然后通过随钻测量/随钻测井数据形成的基带电压脉冲控制旋转阀转速，使旋转阀转速在一个载波周期的时间内降低，造成钻井液压力载波的相位延迟来表示编码信息，这一过程称之为钻井液压力相移键控(PSK)调制，是一种机械调制方式，调制产生的钻井液压力相移键控信号即携带有井下测量信息，通过钻井液信道传输到井口后，经过井口压力传感器的检测、处理、解码等可以恢复信号携带的随钻测量/随钻测井数据，实现井下测量数据的上传。研究表明，旋转阀旋转过程中钻井液作用在旋转阀转子上的力矩随旋转角呈非单调的复杂非线性变化，见附图2，如果把该力矩看做旋转阀的负载力矩，旋转阀的负载力矩通过减速器传递到电机端，会对电机的转速控制造成极大影响，并直接影响旋转阀的转速。如果旋转阀的转速不能遵循随钻测量/随钻测井数据形成的基带脉冲变化，会造成旋转阀无法产生钻井液连续压力波信号，或产生的钻井液连续压力波信号品质严重变劣，无法满足随钻测量/随钻测井数据传输的要求。关于旋转阀的转速控制，美国专利U.S.Pat.No.5237540介绍了一种采用磁力辅助来加快电机转速响应速度进行相移键控调制的方法，电机的转速控制采用自适应PD(比例——微分)调节算法，通过自动调节PD参数来克服钻井液流量和密度变化对转速的影响，但没有考虑旋转阀负载力矩随转角的复杂非线性变化对转速的影响；且在调相控制脉冲作用下，一个载波周期(60ms)内旋转阀转速的上升或下降时间(达到稳定转速90％所用时间)为20ms，达到载波周期的1/3，说明转速跟随调相控制脉冲的能力很差，会造成调制后的钻井液连续压力波信号品质的严重下降。国内的相关研究也没有考虑旋转阀负载力矩随转角的变化特性对转速的影响，且主要的研究集中在旋转阀转速控制系统的硬件设计上，在旋转阀转速控制的实质性研究方面仍很匮乏。由于旋转阀的转速控制涉及钻井液连续压力波信号的产生，但旋转阀负载力矩随转角的复杂非线性变化规律会对转速产生严重影响；如何在旋转阀负载力矩的影响下保持转速的稳定，使旋转阀的转速遵循基带电压脉冲的快速变化进行随动控制，使旋转阀产生的钻井液连续压力波信号满足随钻测量/随钻测井数据传输需求的品质要求，是随钻测量/随钻测井领域需要解决的关键技术问题，但有关这方面的有效解决方法和解决途径目前尚未见报道。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，以实现旋转阀转速的有效控制，使旋转阀产生的钻井液连续压力波信号满足随钻测量和随钻测井数据传输的需求。
为了实现上述目的，本发明涉及的一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法按以下技术方案实现：
(1)基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，根据机电动力学分析发现，恒电压下电机的转速受负载力矩的影响发生变化，使电机电压跟随负载力矩的规律变化，则电机转速稳定；先根据旋转阀转速控制的数学模型，将旋转阀转速控制数学模型转换为线性微分方程；再将负载力矩的数学模型表示为多项式形式，使电机控制电压随旋转阀负载力矩数学模型的规律和角加速度给定值变化，补偿负载力矩随旋转角的非线性变化特性对转速的影响，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正；
(2)再基于PID(比例—积分—微分)参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力；将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成闭环控制；根据阶跃信号作用下旋转阀转速响应的数学分析，建立基于转速响应暂态分量衰减控制的PID参数取值规则，通过PID参数取值规则确定PID值，使旋转阀转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；其中，所述的PID参数为比例—积分—微分环节的比例常数、积分常数、微分常数。
本发明涉及的旋转阀转速控制方法用于钻井装置中随钻测量工具内钻井液连续压力波信号发生器中旋转阀转子的转速控制，在经过安装有旋转阀的钻井装置中实现控制过程，其钻井装置的主体结构包括钻井液、地面、钻柱、钻井液泵、钻头、环形空间、地层、钻井参数及地层参数测量装置、钻井液连续压力波信号发生器、压力传感器、信号处理装置、钻铤和钻井液罐；其中钻井液连续压力波信号发生器包含的旋转阀定子、旋转阀转子、转子轴、减速器、电机、电机控制电路和旋转阀；先将存储在钻井液罐中的钻井液通过地面的钻井液泵注入已钻进地层的钻柱中，并使钻井液到达钻柱底端的钻头，再从钻头的水眼流出后通过钻柱与地层之间的环形空间返回至地面，构成钻井液的流动路径；钻柱中靠近钻头的钻铤中固定放置有测量单元，钻铤上部的连接钻杆对钻头施加钻压用于钻进地层，钻铤中的测量单元包括钻井参数及地层参数测量装置用于监控钻井操作及评估地层的物理特性；在钻井液中产生压力波动并通过钻井液传输井下数据；嵌入式置有旋转阀的钻井液连续压力波信号发生安装在钻铤的上部，钻井液压力信号通过钻柱上传至地面，经过压力传感器检测并送入信号处理装置进行信号处理；钻井液连续压力波信号发生器为旋转阀式钻井液压力信号发生器结构，由旋转阀、电机、减速器和电机控制电路机电连通组成，电机通过减速器带动旋转阀的转子旋转，由钻井参数及地层参数测量装置的测量数据形成的编码控制脉冲改变电机的转速，进而改变旋转阀的转子的转速来调制钻井液压力载波的频率或相位产生钻井液连续压力波信号，实现井下测量数据的上传。
本发明采用具有4个阀孔的旋转阀式钻井液连续压力信号发生器结构，旋转阀式钻井液连续压力信号发生器包括旋转阀、减速器、电机、电机控制电路；其中旋转阀由旋转阀定子、旋转阀转子和转子轴配合组成，旋转阀定子和旋转阀转子上均有个孔口和个叶片，旋转阀定子和旋转阀转子孔口的重合部分形成流通的阀孔；旋转阀定子和旋转阀转子的平面为圆形，旋转阀定子固定在钻铤的内壁，旋转阀定子与旋转阀转子同轴安装，旋转阀转子安装在旋转阀定子的下部，转子轴与减速器同轴连接，减速器由电机驱动，电机控制电路产生电机控制电压使电机运转，经过减速器减速后驱动旋转阀的旋转阀转子转动，旋转阀的旋转阀转子的转速采用转速控制方法控制；钻井液从旋转阀的旋转阀定子的上部流入，再从旋转阀转子的下部流出；旋转阀转子在电机的驱动下相对于旋转阀定子转动，旋转阀转子转动过程中，旋转阀转子上的孔口相对于旋转阀定子的孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使旋转阀定子上部的钻井液压力随时间发生周期性变化，形成波形呈正弦变化的压力载波，通过钻井参数及地层参数测量装置得到的随钻测量/随钻测井数据形成的基带电压脉冲控制旋转阀的转速，使旋转阀的转速在一个载波周期的时间内降低，造成钻井液压力载波的相位延迟，从而产生钻井液压力相移键控(PSK)信号，该压力信号以波动方式向井口传输；由于负载力矩与流量的平方有关，流量对负载力矩的影响很大；旋转阀的转速值被反相后加入到控制系统的前级，起到负反馈作用并形成转速闭环控制；经过减速后驱动旋转阀的旋转阀转子转动，实现旋转阀的转速控制。
本发明与现有技术相比，能有效克服旋转阀负载力矩随旋转角的非线性变化对旋转阀转速控制的影响，使旋转阀转速可控；通过优化选取PID参数，提高转速跟随调相控制脉冲变化的能力，并能有效抵抗旋转阀负载力矩变化对转速的影响，实现钻井液压力相移键控(PSK)的可靠调制；能产生较高质量的钻井液压力相移键控(PSK)信号，使旋转阀产生较高品质的钻井液压力频移键控(FSK)及钻井液压力幅移键控(ASK)信号等其它钻井液连续压力波信号，从而满足随钻测量/随钻测井数据传输的需求；其控制原理科学，控制工艺简单，控制路线可靠，控制设备易得，应用环境友好。
附图说明：
图1为现有技术中包含有随钻测量/随钻测井工具及钻井液连续压力波信号发生器的钻井装置结构原理示意图。
图2为本发明涉及的具有4个阀孔的旋转阀构成的钻井液压力信号发生器的结构原理示意图。
图3为本发明涉及的旋转阀负载力矩随转角的变化曲线示意图。
图4为本发明涉及的旋转阀转速PID闭环控制系统的组成结构原理示意框图。
图5为本发明涉及的阶跃信号作用下的旋转阀转速仿真曲线示意图。
图6为本发明涉及的钻井液流量误差影响下的旋转阀转速仿真曲线示意图。
图7为本发明涉及的旋转阀负载力矩的变化规律与计算模型存在偏差情况下的旋转阀转速仿真曲线示意图。
具体实施方式：
下面结合附图并通过实施例来进一步描述本发明的具体实施方案。
实施例1：
本实施例涉及的旋转阀转速控制方法用于钻井装置中随钻测量工具内钻井液连续压力波信号发生器中旋转阀转子的转速控制，在经过安装有旋转阀的钻井装置中实现控制过程，其钻井装置的主体结构包括钻井液1、地面2、钻柱3、钻井液泵4、钻头5、环形空间6、地层7、钻井参数及地层参数测量装置8、钻井液连续压力波信号发生器9、压力传感器10、信号处理装置11、钻铤12和钻井液罐13；其中钻井液连续压力波信号发生器9包含的旋转阀定子14、旋转阀转子15、转子轴16、减速器17、电机18、电机控制电路19和旋转阀20；先将存储在钻井液罐13中的钻井液1通过地面2的钻井液泵4注入已钻进地层7的钻柱3中，并使钻井液1到达钻柱3底端的钻头5，再从钻头5的水眼流出后通过钻柱3与地层7之间的环形空间6返回至地面2，构成钻井液1的流动路径；钻柱3中靠近钻头5的钻铤12中固定放置有测量单元，钻铤12上部的连接钻杆对钻头5施加钻压用于钻进地层7，钻铤12中的测量单元包括钻井参数及地层参数测量装置8用于监控钻井操作及评估地层的物理特性；在钻井液1中产生压力波动并通过钻井液1传输井下数据；嵌入式置有旋转阀20的钻井液连续压力波信号发生器9安装在钻铤12的上部，钻井液压力信号通过钻柱3上传至地面，经过压力传感器10检测并送入信号处理装置11进行信号处理；钻井液连续压力波信号发生器9为旋转阀式钻井液压力信号发生器结构，由旋转阀20、电机18、减速器17和电机控制电路19机电连通组成，电机18通过减速器17带动旋转阀20的转子15旋转，由钻井参数及地层参数测量装置8的测量数据形成的编码控制脉冲改变电机18的转速，进而改变旋转阀20的转子15的转速来调制钻井液压力载波的频率或相位产生钻井液连续压力波信号，实现井下测量数据的上传。
本实施例采用图2所示的具有4个阀孔的旋转阀式钻井液连续压力信号发生器结构，旋转阀式钻井液连续压力信号发生器9包括旋转阀20、减速器17、电机18、电机控制电路19；其中旋转阀20由旋转阀定子14、旋转阀转子15和转子轴16配合组成，旋转阀定子14和旋转阀转子15上均有4个孔口和4个叶片，旋转阀定子14和旋转阀转子15孔口的重合部分形成流通的阀孔；旋转阀定子14和旋转阀转子15的平面为圆形，旋转阀定子14固定在钻铤12的内壁，旋转阀定子14与旋转阀转子15同轴安装，旋转阀转子15安装在旋转阀定子14的下部，转子轴16与减速器17同轴连接，减速器17由电机18驱动，电机控制电路19产生电机控制电压使电机18运转，经过减速器17减速后驱动旋转阀20的旋转阀转子15转动，旋转阀20的旋转阀转子15的转速采用转速控制方法控制；钻井液1从旋转阀20的旋转阀定子14的上部流入，再从旋转阀转子15的下部流出；旋转阀转子15在电机18的驱动下相对于旋转阀定子14转动，旋转阀转子15转动过程中，旋转阀转子15上的孔口相对于旋转阀定子14的孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使旋转阀定子14上部的钻井液压力随时间发生周期性变化，形成波形呈正弦变化的压力载波，通过钻井参数及地层参数测量装置8得到的随钻测量/随钻测井数据形成的基带电压脉冲控制旋转阀20的转速，使旋转阀20的转速在一个载波周期的时间内降低，造成钻井液压力载波的相位延迟，从而产生钻井液压力相移键控(PSK)信号，该压力信号以波动方式向井口传输；由于负载力矩与流量的平方有关，流量对负载力矩的影响很大；旋转阀20的转速值被反相后加入到控制系统的前级，起到负反馈作用并形成转速闭环控制；图4中，转速期望值与旋转阀20的转速值同时送入减法器，通过减法器形成转速差值送入PID环节，PID环节中的PID参数采用实施例2中式(20)所示的的计算方法确定，转速差值经过PID环节的调节输出给非线性校正环节，在非线性校正环节中采用实施例2中式(7)所示的计算方法产生电机控制电压，式(7)中的负载力矩数学模型由实施例2中式(1)表示，式(1)中的钻井液流量由钻井液流量测量装置提供；电机控制电压驱动电机18转动产生所需转速，经过减速后驱动旋转阀20的旋转阀转子15转动，实现旋转阀20的转速控制。
本实施例涉及的钻井液流量测量装置采用井下涡轮发电机(附图中未画出)的电压频率来反映钻井液流量，井下涡轮发电机与旋转阀式钻井液压力信号发生器9安装在同一根钻铤12中，并位于旋转阀式钻井液压力信号发生器9的下部，从旋转阀式钻井液压力信号发生器9流出的钻井液1通过井下涡轮发电机时驱动涡轮旋转并带动发电机产生电力；由于涡轮转速与钻井液1的流量有关，井下涡轮发电机产生的电压频率与钻井液1的流量有关，根据钻井液1的流量与涡轮发电机产生的电压频率关系来提供钻井液的流量值。
实施例2：
本实施例基于下列计算与分析实现对旋转阀转速的控制：
(1)基于前馈补偿实现旋转阀转速控制系统的线性化校正根据转速与转角的导数关系，有旋转阀转速旋转阀的旋转角可控则其转速可控；
负载力矩ML(θ)随旋转角呈非单调的严重非线性变化，见附图3，如果将ML(θ)的数学模型表示为多项式形式
Mmod(θ)＝a+ρQ2(b0+b1θ+b3θ2+Λ+bmθm) (1)
其中，θ为旋转角；Q为钻井液流量；ρ为钻井液密度；a为常数；b0—bm为多项式系数；m为多项式中各项的方次；
根据电机的转矩平衡方程，得到旋转阀的转角控制数学模型
其中，U为电机控制电压；Ke为电机常数；ra为电机内阻；J为转动惯量；kn为减速器减速比；t为时间；
式(2)中，为电机电压控制项；为旋转阀负载力矩的影响项；这两项组成了旋转阀转角的控制项；由于负载力矩ML(θ)为旋转角的非线性函数，如果电机采用恒电压控制，则转角控制项呈非线性变化，此时旋转阀转角控制系统为非线性系统，经过进行线性化校正，对旋转阀的转角或转速进行控制；
线性化校正是使旋转阀转角控制项为常数，如果定义该常数为线性控制的角加速度给定值，令常数为并且令则式(2)转换为二阶线性微分方程
由于旋转阀转速则代入式(2)得到线性化的旋转阀转速开环控制数学模型
通过式(4)得到旋转阀转速
其中，为稳定转速，其受角加速度给定值V的控制；为转速时间常数。
式(5)说明旋转阀转角的控制项为常数，旋转阀的转速能够得到控制；由于
V＝c3U-c1ML(θ)，则电机控制电压为
式(6)说明要使旋转阀的转角控制模型为线性方程，应使电机的控制电压随旋转阀负载力矩的规律而变化；
为实现式(4)表示的旋转阀转速的线性控制，采用前馈补偿方法进行旋转阀转速开环控制系统的非线性校正，使电机的控制电压随旋转阀负载力矩数学模型的规律变化，补偿负载力矩随旋转角的非线性变化特性对转速的影响；
设控制电机电压中的负载力矩数学模型Mmod(θ)与ML(θ)具有相同变化规律，将Mmod(θ)转换为时间函数Mmod(t)，根据式(6)，电机控制电压为
将ML(θ)转换为时间函数ML(t)，V＝c3U-c1ML(t)，则式(4)变为
对式(7)和式(8)取拉普拉斯变换得到控制方程
式(9)经过整理后可得到转速的拉普拉斯变换
考虑到负载力矩与流量的平方有关，旋转阀转速对流量的变化非常敏感；在非线性校正过程中，将流量测量值引入到负载力矩的数学模型对电机控制电压进行实时调整，用于补偿实际负载力矩受流量影响引起的转速变化，但流量的测量误差会对转速控制产生影响；旋转阀的实际负载力矩随旋转角的变化规律不能完全遵循负载力矩的数学模型，负载力矩数学模型与实际负载力矩的偏差会对转速控制产生影响；
如果令R(s)＝c1[Mmod(s)-ML(s)]为转速控制的干扰项，R(s)主要来源于钻井液流量的测量误差和负载力矩的数学模型偏差，则式(10)表示为
通过式(11)得到线性化校正后的转速开环控制系统传递函数
对式(11)进行分析可知，当Mmod(s)＝ML(s)时，干扰项R(s)＝0，系统的非线性得到完全校正；如果Mmod(s)≠ML(s)，干扰项R(s)≠0，系统的非线性没有得到完全校正，R(s)会对转速的开环控制产生影响，在线性化校正的基础上通过转速的闭环控制在一定程度上减小或抑制R(s)的影响；将经过线性化校正的转速开环控制系统通过转速负反馈形成PID(比例—积分—微分)闭环控制，通过合理确定PID参数，实现旋转阀转速的快速随动控制；
(2)基于闭环控制的PID参数优选实现转速的快速随动控制
为保证旋转阀转速对调相控制脉冲的快速跟随及较高的抗干扰能力，需要对转速进行PID闭环控制，将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成闭环，见附图4；
设PID环节的传递函数为
式(13)中，Kp、Ki、Kd统称为PID参数；其中，Kp为比例常数；Ki为积分常数；Kd为微分常数；s为复频率；
在V(s)的前向通道串入PID环节后引入转速负反馈，则有
其中，为转速设定值；
式(14)经整理后得到转速的拉普拉斯变换为
其中，转速闭环控制系统的传递函数；
对式(15)采用留数法计算或通过拉普拉斯逆变换运算得到旋转阀转速的时域响应
闭环控制时的PID参数对控制效果的影响很大，但PID参数的选取通常采用经验和试验方法，盲目性较大；由于旋转阀转速控制的首要任务是保证大负荷下转速的快速跟踪，为使旋转阀转速达到快速跟随调相控制脉冲的目的，通过无干扰时阶跃信号作用下旋转阀的转速响应分析，建立基于暂态分量衰减控制的PID参数取值规则；
根据式(15)，在给定幅度为的阶跃信号作用下，无干扰时的转速为
其中，应用留数法计算可得到转速的时域表达式
其中，为时间常数。
转速的暂态分量为
转速的暂态分量会随着时间逐渐衰减到零，当其为零时转速达到稳态，稳态转速为阶跃信号的给定幅度
为保证转速能迅速达到稳态，应使暂态分量快速衰减；通过对式(19)分析，如果τ1Bτ2，并且τ1变小，转速的暂态分量ntemp(t)将快速趋于零，满足转速快速趋稳的要求；设通过数学分析与运算，得到用τ1和Δ表示的Ki、Kp、Kd取值规则
在c2已知情况下，通过τ1和Δ来优化选取PID参数Ki、Kp、Kd，使转速上升时间缩短；从而在原理上实现旋转阀转速控制的可行性。
实施例3：
本实施例在实施例1的含有旋转阀的钻井装置中并基于实施例2的原理，其实现旋转阀转速控制的工艺过程为：
首先采用前馈补偿方法进行旋转阀转速开环控制系统的非线性校正，然后将经过线性化校正的转速开环控制系统通过转速负反馈形成PID闭环控制，再通过合理地确定PID参数，实现旋转阀转速的快速随动控制；在非线性校正过程中，将旋转阀的转角控制数学模型(2)中的转角控制项设定为常数，得到式(6)表示的理想情况下电机控制电压表达式，将式(6)中的负载力矩项用式(1)表示的旋转阀负载力矩数学模型替代，得到式(7)表示的实际电机控制电压，再将该控制电压作用在电机上，补偿旋转阀负载力矩随旋转角的非线性变化特性对旋转阀转速的影响；将钻井液流量的测量值引入到旋转阀负载力矩的数学模型对电机控制电压进行实时调整，以补偿旋转阀负载力矩受钻井液流量影响引起的转速变化；再将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统的前向通道，加入转速负反馈形成旋转阀转速的闭环控制，PID参数的选取采用式(20)表示的PID参数取值规则确定。
本实施例涉及的旋转阀转速PID闭环控制系统在阶跃信号作用下的转速仿真曲线如图5，转速控制系统的PID参数采用式(20)的取值规则确定，PID单元的比例系数Kp＝10898，积分常数Ki＝7×106，微分常数Kd＝0.79，转速控制函数为5r/s的阶跃信号；转速跟踪阶跃信号的上升时间(转速达到90％稳定转速值所用时间)小于2ms，转速超调小于稳定转速的2％，说明转速平稳地跟随阶跃信号变化并能较迅速地达到稳定；对于4个阀孔的旋转阀20，旋转一周产生4个周期的正弦压力载波，5r/s转速产生的钻井液压力载波频率为20Hz，载波周期为50ms，上述仿真得到的转速上升时间小于载波周期的4％；在调相控制脉冲作用下，旋转阀20的转速在一个载波周期时间内迅速降低到稳定转速，实现钻井液压力的相移键控(PSK)调制。
本实施例涉及的钻井液流量误差影响下的旋转阀转速仿真曲线如图6，其仿真条件为：钻井液流量Q＝20L/s，流量测量的相对误差及PID参数Kp＝10898，Ki＝7×106，Kd＝0.79，转速控制函数为5r/s的阶跃信号。当流量测量相对误差达20％时引起的稳态转速变化仅为3％，说明旋转阀转速PID闭环控制系统对流量测量误差产生的转速影响具有较好的抑制能力。
本实施例涉及的是旋转阀负载力矩的变化规律与计算模型存在偏差情况下的旋转阀转速仿真曲线如图7，其仿真条件为：钻井液流量Q＝20L/s，PID参数Kp＝10898，Ki＝7×106，Kd＝0.79，转速控制函数为5r/s的阶跃信号，负载力矩计算模型的多项式系数偏差为Δa＝2.7，Δbi≠0；当负载力矩计算模型与旋转阀负载力矩存在一定偏差时，偏差对转速控制产生的影响很小，说明旋转阀转速PID闭环控制系统对负载力矩计算模型偏差引起的转速干扰具有较强的抑制能力。
Claims (2)
1.一种随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，其特征在于按以下工艺步骤实现：
(1)基于前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，根据机电动力学分析发现，恒电压下电机的转速受负载力矩的影响发生变化，使电机电压跟随负载力矩的规律变化，则电机转速稳定；先根据旋转阀转速控制的数学模型，将旋转阀转速控制数学模型转换为线性微分方程；再将负载力矩的数学模型表示为多项式形式，使电机控制电压随旋转阀负载力矩数学模型的规律和角加速度给定值变化，补偿负载力矩随旋转角的非线性变化特性对转速的影响，实现旋转阀转速开环控制系统的线性化校正；
(2)再基于PID(比例—积分—微分)参数优选实现旋转阀转速的快速随动控制，使旋转阀转速对调相控制脉冲实现快速跟随并具有较高的抗干扰能力；将PID环节串入线性校正后的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成闭环控制；根据阶跃信号作用下旋转阀转速响应的数学分析，建立基于转速响应暂态分量衰减控制的PID参数取值规则，通过PID参数取值规则确定PID值，使旋转阀转速快速跟随调相控制脉冲的变化，实现旋转阀转速的快速随动控制；其中，所述的PID参数为比例—积分—微分环节的比例常数、积分常数、微分常数。
2.根据权利要求1所述的随钻测量工具的旋转阀转速控制方法，其特征在于在经过安装有旋转阀的钻井装置中实现旋转阀转速的控制过程，其钻井装置的主体结构包括钻井液、地面、钻柱、钻井液泵、钻头、环形空间、地层、钻井参数及地层参数测量装置、钻井液连续压力波信号发生器、压力传感器、信号处理装置、钻铤和钻井液罐；其中钻井液连续压力波信号发生器包含旋转阀定子、旋转阀转子、转子轴、减速器、电机、电机控制电路和旋转阀；先将存储在钻井液罐中的钻井液通过地面的钻井液泵注入已钻进地层的钻柱中，并使钻井液到达钻柱底端的钻头，再从钻头的水眼流出后通过钻柱与地层之间的环形空间返回至地面，构成钻井液的流动路径；钻柱中靠近钻头的钻铤中固定放置有测量单元，钻铤上部的连接钻杆对钻头施加钻压用于钻进地层，钻铤中的测量单元包括钻井参数及地层参数测量装置用于监控钻井操作及评估地层的物理特性；在钻井液中产生压力波动并通过钻井液传输井下数据；嵌入式置有旋转阀的钻井液连续压力波信号发生安装在钻铤的上部，钻井液压力信号通过钻柱上传至地面，经过压力传感器检测并送入信号处理装置进行信号处理；钻井液连续压力波信号发生器为旋转阀式钻井液压力信号发生器结构，由旋转阀、电机、减速器和电机控制电路机电连通组成，电机通过减速器带动旋转阀的转子旋转，由钻井参数及地层参数测量装置的测量数据形成的编码控制脉冲改变电机的转速，进而改变旋转阀的转子的转速来调制钻井液压力载波的频率或相位产生钻井液连续压力波信号，实现井下测量数据的上传；采用旋转阀式钻井液连续压力信号发生器结构，旋转阀式钻井液连续压力信号发生器包括旋转阀、减速器、电机和电机控制电路；其中旋转阀由旋转阀定子、旋转阀转子和转子轴配合组成，旋转阀定子和旋转阀转子上均有个孔口和个叶片，旋转阀定子和旋转阀转子孔口的重合部分形成流通的阀孔；旋转阀定子和旋转阀转子的平面为圆形，旋转阀定子固定在钻铤的内壁，旋转阀定子与旋转阀转子同轴安装，旋转阀转子安装在旋转阀定子的下部，转子轴与减速器同轴连接，减速器由电机驱动，电机控制电路产生电机控制电压使电机运转，经过减速器减速后驱动旋转阀的旋转阀转子转动，旋转阀的旋转阀转子的转速采用转速控制方法控制；钻井液从旋转阀的旋转阀定子的上部流入，再从旋转阀转子的下部流出；旋转阀转子在电机的驱动下相对于旋转阀定子转动，旋转阀转子转动过程中，旋转阀转子上的孔口相对于旋转阀定子的孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使旋转阀定子上部的钻井液压力随时间发生周期性变化，形成波形呈正弦变化的压力载波，通过钻井参数及地层参数测量装置得到的随钻测量/随钻测井数据形成的基带电压脉冲控制旋转阀的转速，使旋转阀的转速在一个载波周期的时间内降低，造成钻井液压力载波的相位延迟，从而产生钻井液压力相移键控信号，该压力信号以波动方式向井口传输；由于负载力矩与流量的平方有关，流量对负载力矩的影响很大；旋转阀的转速值被反相后加入到控制系统的前级，起到负反馈作用并形成转速闭环控制；转速期望值与旋转阀的转速值同时送入减法器，通过减法器形成转速差值送入PID环节，经过PID环节的调节输出给非线性校正环节，计算产生电机控制电压，电机控制电压驱动电机转动产生所需转速，经过减速后驱动旋转阀的旋转阀转子转动，实现旋转阀的转速控制。
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