CN112879359A - 煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统；煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，非对称缸的输入端与等效负载连接，控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；控制系统包括传感器组和控制器，传感器组为控制系统的输入端，控制器为控制系统的输出端。本发明具有动态响应快，稳定性强，精度高，鲁棒性强的优点，能有效跟踪控制活塞位移轨迹，使系统更加稳定，确保理想的输出质量。

Description

煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法

技术领域

本发明涉及煤层气水平井推进系统控制领域，具体涉及一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法。

背景技术

构造煤煤层气高效勘探开发技术与装备设计是制约中国煤层气产业快速规模化发展的重要技术瓶颈之一。煤层地质不稳定性因素直接影响煤层气开发技术发展，国内外众多专家学者针对我国特有的煤层气储存地质条件开展了大量研究。但煤层气的开采技术是影响煤层气主要原因。

煤层气水平井集钻井、完井和增产措施于一体，是开发煤层气的主要手段之一。水平井推进系统承载着煤层气水平井掘进的核心任务，由于煤层负载的特殊性，推进系统采用液压方式驱动，推进工作由阀控非对称液压缸的协调活塞动作来完成。推进系统活塞位移量的控制直接关系到煤层气水平井开采中的安全性、稳定性和防坍塌性等。

现有技术中多采用PID控制法，但该方法动态响应时间长，稳定性差，精度较低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统与方法，具有动态响应快，稳定性强，精度高，鲁棒性强的优点，能够有效跟踪控制活塞位移轨迹，使系统更加的稳定，从而确保理想的输出质量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统；其中，

所述煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，所述安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，所述伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，所述伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，所述非对称缸的输入端与等效负载连接，所述控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；

所述控制系统包括传感器组和控制器，所述传感器组为控制系统的输入端，用于检测非对称缸的参数变化信息并发送至控制器；所述控制器为控制系统的输出端，用于根据参数变化信息控制伺服阀运动。

进一步地，所述非对称缸内设置有活塞，所述活塞顶部截面半径与非对称缸内侧半径相同，所述活塞杆体底端与等效负载连接，所述非对称缸被活塞顶部分隔形成有杆腔和无杆腔。

更进一步地，所述传感器组包括位移传感器和压力传感器，所述位移传感器用于检测活塞杆体的位移变化，所述压力传感器用于检测活塞杆体底部受到来自等效负载的受力大小。

一种利用上述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统的方法，包括以下步骤：

基于液压伺服系统工作原理，构建煤层气水平井钻井液压推进系统模型，在煤层气水平井钻井液压推进系统模型的输入端分别设置等效负载和控制系统；

在非对称缸内无杆腔进油，有杆腔出油，活塞伸出时，计算负载压力p_L和流量比α，并根据输入非对称缸的流量和输出非对称缸的流量，计算负载流量q_L，得到滑阀线性化流量方程；

根据滑阀线性化流量方程，计算得到非对称缸的流量性方程和非对称缸的力平衡方程；

在零初始条件下进行拉式变化，得到非对称缸活塞杆体位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数；

设计滑模面；

根据滑模面的参数推导滑模控制器的等效控制率，根据滑模控制器的等效控制率生成控制信号，根据所述控制信号对煤层气水平井钻井推进系统活塞位移进行控制。

进一步地，所述负载压力p_L和流量比α的计算方法为：

式中，p₁为输入侧压力，p₂为输出侧压力；

根据输入非对称缸的流量q₁和输出非对称缸的流量q₂，计算负载流量q_L：

联立式(1)、(2)和(3)，并公式线性化后，得到滑阀线性化流量方程为：

q_L＝k_qx_V-k_Cp_L (4)

式中，k_q为滑阀的流量增益，k_C为滑阀的流量-压力系数，x_V为伺服阀阀芯位移。

更进一步地，所述非对称缸的流量性方程具体为：

式中，C_tp为总泄露系数，x_p为活塞位移，β_e为弹性模量，q_L1为负载输出流量，A_e为平均面积，h₁为比例系数，V₀为非对称缸有效容积；

所述非对称缸的力平衡方程具体为：

式中，A₁为无杆腔有效面积，B为杆体位移一次导参数，K为杆体位移参数，F为负载力。

更进一步地，所述非对称缸活塞位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数具体为：

式中，K_h为增益，ω_h为液压固有频率，ξ_h为液压阻尼比。

更进一步地，所述设计滑模面的公式为：

被控对象为三阶模型，

设定r为给定的期望位移，y为系统输出位移，所以误差为e＝y-r,即跟踪器满足：

误差向量为：

则滑模运动的微分方程为：

设计滑模面为：

s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃ (11)

e＝y-r (12)

其中，s为滑模面，e为位移误差，y为修正输出位移的值，r为参考位移，c为滑模控制器的比例参数且c＞0。

根据所述滑模面推导滑模控制器的等效控制率：

使

滑模等效控制率：

为了达到减少抖振的目的，采用指数趋近率作为切换控制率：

u_sw＝-εsgn(s)-ks (14)

其中，k为指数趋近项系数，ε为趋近速度，sgn(s)为开关函数，u_sw为切换控制率；

使

联立式(14)和(15)，得滑模控制器的控制率：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明具有动态响应快，稳定性强，精度高，鲁棒性强的优点，能够有效跟踪控制活塞位移轨迹，使系统更加的稳定，从而确保理想的输出质量。

附图说明

图1为本发明实施例中煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制方法的运行示意图；

图3为本发明实施例中非对称缸的结构示意图；

图4为本发明实施例中基于AMESim的水平井钻井液压推进系统液压结构图；

图5为本发明实施例中基于Simulink的水平井钻井液压推进系统控制结构图；

图6为本发明实施例中阶跃信号在滑模控制和PID控制下的位移波形图；

图7为本发明实施例中滑模控制和PID控制下的控制误差对比图；

图8为本发明实施例中部分主要参数的取值图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的技术方案为：一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，如图1所示，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统，煤层气水平井推进系统如图2所示，非对称缸如图3所示；其中，

所述煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，所述安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，所述伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，所述伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，所述非对称缸的输入端与等效负载连接，所述控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；

所述控制系统包括传感器组和控制器，所述传感器组为控制系统的输入端，用于检测非对称缸的参数变化信息并发送至控制器；所述控制器为控制系统的输出端，用于根据参数变化信息控制伺服阀运动。

进一步地，所述非对称缸内设置有活塞，所述活塞顶部截面半径与非对称缸内侧半径相同，所述活塞杆体底端与等效负载连接，所述非对称缸被活塞顶部分隔形成有杆腔和无杆腔。

更进一步地，所述传感器组包括位移传感器和压力传感器，所述位移传感器用于检测活塞杆体的位移变化，所述压力传感器用于检测活塞杆体底部受到来自等效负载的受力大小。

一种利用上述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统的方法，包括以下步骤：

基于液压伺服系统工作原理，构建煤层气水平井钻井液压推进系统模型，在煤层气水平井钻井液压推进系统模型的输入端分别设置等效负载和控制系统；

在非对称缸内无杆腔进油，有杆腔出油，活塞伸出时，计算负载压力p_L和流量比α，并根据输入非对称缸的流量和输出非对称缸的流量，计算负载流量q_L，得到滑阀线性化流量方程；

根据滑阀线性化流量方程，计算得到非对称缸的流量性方程和非对称缸的力平衡方程；

在零初始条件下进行拉式变化，得到非对称缸活塞杆体位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数，计算伺服阀阀芯位移X_v；

设计滑模面；

根据滑模面的参数推导滑模控制器的等效控制率，根据滑模控制器的等效控制率生成控制信号，根据所述控制信号对煤层气水平井钻井推进系统活塞位移进行控制。

进一步地，所述负载压力p_L和流量比α的计算方法为：

式中，p₁为输入侧压力，p₂为输出侧压力；

根据输入非对称缸的流量q₁和输出非对称缸的流量q₂，计算负载流量q_L：

联立式(1)、(2)和(3)，并公式线性化后，得到滑阀线性化流量方程为：

q_L＝k_qx_V-k_Cp_L (4)

式中，定义k_q为滑阀的流量增益，k_C为滑阀的流量-压力系数，x_V为伺服阀阀芯位移。

更进一步地，将(4)泰勒公式线性化可得，所述非对称缸的流量性方程具体为：

式中，C_tp为总泄露系数，x_p为活塞位移，β_e为弹性模量，q_L1为负载输出流量，A_e为平均面积，h₁为比例系数，V₀为非对称缸有效容积，p_s为传统压力；

所述非对称缸的传统力平衡方程具体为：

式中，A₁为无杆腔有效面积，B为杆体位移一次导参数，K为杆体位移参数，F为负载力。

更进一步地，所述非对称缸活塞位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数具体为：

式中，K_h为增益，ω_h为液压固有频率，ξ_h为液压阻尼比，系统模型主要参数如图8所示。

更进一步地，所述设计滑模面的公式为：

被控对象为三阶模型，

设定r为给定的期望位移，y为系统输出位移，所以误差为e＝y-r,即跟踪器满足：

误差向量为：

则滑模运动的微分方程为：

设计滑模面为：

s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃ (11)

e＝y-r (12)

其中，s为所述滑模面，e为所述位移误差，y为所述修正输出位移的值，r为所述参考位移，c为所述滑模控制器的比例参数且c＞0。

根据所述滑模面推导滑模控制器的等效控制率：

使

滑模等效控制率：

为了达到减少抖振的目的，采用指数趋近率作为切换控制率：

u_sw＝-εsgn(s)-ks (14)

其中，k为指数趋近项系数，ε为趋近速度，sgn(s)为开关函数；

使

联立式(14)和(15)，得滑模控制器的等效控制率：

本发明实施例在Simulink中建立滑模控制器的模型，并在AMESim中搭建系统液压模型，并将两者联合进行总模型的构建。基于AMESim的水平井推进系统液压模型图如图4所示。基于Simulink的水平井推进系统控制结构图如图5所示。

选取的参数为：k_p＝50，k_i＝1.5，k_d＝2，c₁＝29582，c₂＝68.8，水平井推进系统的阶跃位移信号结果分析图如图6所示，误差对比图如图7所示，图中实线为根据本发明实施例方法实现的测量，虚线表示根据现有技术中PID控制法实现的测量，从图6，图7可以看出，本发明设计的水平井推进系统是稳定的，滑模控制的实际位移信号曲线的调节时间t_s≈0.8s，在PID控制下的实际位移信号调节时间t_s＞0.8s，稳定后，还是存在振荡情况，效果较差。由图可知，滑模控制比传统的PID控制具有动态响应更小，鲁棒性更强的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，其特征在于，包括煤层气水平井钻井液压推进系统、等效负载和控制系统；其中，

所述煤层气水平井钻井液压推进系统包括安全溢流阀、液压泵、伺服阀和非对称缸，所述安全溢流阀和液压泵分别与伺服阀的输出端连接，所述伺服阀的第一输入端与非对称缸的输出端连接，所述伺服阀的第二输入端与控制系统的输出端连接，所述非对称缸的输入端与等效负载连接，所述控制系统的输入端设置在非对称缸的输入端与等效负载之间；

所述控制系统包括传感器组和控制器，所述传感器组为控制系统的输入端，用于检测非对称缸的参数变化信息并发送至控制器；所述控制器为控制系统的输出端，用于根据参数变化信息控制伺服阀运动。

2.根据权利要求1所述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，其特征在于，所述非对称缸内设置有活塞，所述活塞顶部截面半径与非对称缸内侧半径相同，所述活塞杆体底端与等效负载连接，所述非对称缸被活塞顶部分隔形成有杆腔和无杆腔。

3.根据权利要求2所述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统，其特征在于，所述传感器组包括位移传感器和压力传感器，所述位移传感器用于检测活塞杆体的位移变化，所述压力传感器用于检测活塞杆体底部受到来自等效负载的受力大小。

4.一种利用如权利要求1所述的煤层气水平井钻井液压推进系统位移跟踪控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于液压伺服系统工作原理，构建煤层气水平井钻井液压推进系统模型，在煤层气水平井钻井液压推进系统模型的输入端分别设置等效负载和控制系统；

在非对称缸内无杆腔进油，有杆腔出油，活塞伸出时，计算负载压力p_L和流量比α，并根据输入非对称缸的流量和输出非对称缸的流量，计算负载流量q_L，得到滑阀线性化流量方程；

根据滑阀线性化流量方程，计算得到非对称缸的流量性方程和非对称缸的力平衡方程；

在零初始条件下进行拉式变化，得到非对称缸活塞杆体位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数；

设计滑模面；

根据滑模面的参数推导滑模控制器的等效控制率，根据滑模控制器的等效控制率生成控制信号，根据所述控制信号对煤层气水平井钻井推进系统活塞位移进行控制。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述负载压力p_L和流量比α的计算方法为：

式中，p₁为输入侧压力，p₂为输出侧压力；

根据输入非对称缸的流量q₁和输出非对称缸的流量q₂，计算负载流量q_L：

联立式(1)、(2)和(3)，并公式线性化后，得到滑阀线性化流量方程为：

q_L＝k_qx_V-k_Cp_L (4)

式中，k_q为滑阀的流量增益，k_C为滑阀的流量-压力系数，x_V为伺服阀阀芯位移。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非对称缸的流量性方程具体为：

式中，C_tp为总泄露系数，x_p为活塞位移，β_e为弹性模量，q_L1为负载输出流量，A_e为平均面积，h₁为比例系数，V₀为非对称缸有效容积；

所述非对称缸的力平衡方程具体为：

式中，A₁为无杆腔有效面积，B为杆体位移一次导参数，K为杆体位移参数，F为负载力。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述非对称缸活塞位移X_p对伺服阀阀芯位移X_v的传递函数具体为：

式中，K_h为增益系数，ω_h为液压固有频率，ξ_h为液压阻尼比。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设计滑模面的公式为：

被控对象为三阶模型，

设定r为给定的期望位移，y为系统输出位移，所以误差为e＝y-r,即跟踪器满足：

误差向量为：

则滑模运动的微分方程为：

设计滑模面为：

s＝c₁e₁+c₂e₂+e₃ (11)

e＝y-r (12)

其中，s为滑模面，e为位移误差，y为修正输出位移的值，r为参考位移，c为滑模控制器的比例参数且c＞0。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述滑模控制器的等效控制率具体推导过程为：在公式

使

得到滑模控制器的等效控制率为：

式中，u_eq为滑模控制器的等效控制率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，采用指数趋近率作为滑模控制器的切换控制率u_sw：

u_sw＝-εsgn(s)-ks (14)

式中，k为指数趋近项系数，ε为趋近速度，sgn(s)为开关函数；

使

联立式(13)、(14)和(15)，得滑模控制器的控制率u：

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