CN117514141A - 摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法和装置，其中方法包括控制永磁同步电机运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；在采样时间内，采集转子的摆动角度以及永磁同步电机的三相电流；计算得到转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及计算得到永磁同步电机的交轴电流；对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；根据一个载波周期内的数据，计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩。本发明水力转矩的计算比较准确，对改善泥浆脉冲发生器的结构和控制性能具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于摆动阀脉冲器技术领域，具体涉及一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法和装置。
背景技术
随钻测井是指测井仪器在钻进时，对井下的工程参数和地质参数进行测量并上传。在钻进过程中，井下测量传感器测得工程参数及地层参数，将这些测得的参数(通常为模拟信号)，通过数据编码器，转换为数字信号，数字信号经过控制电路调制，调制后的控制信号将传递给驱动电路，驱动电路驱动控制电动机运动，电动机按着控制电路给定的控制信号进行运动，带动摆动阀泥浆脉冲发生器(摆动阀脉冲器)的转子按照相应的轨迹旋转或摆动，摆动阀脉冲器的转子剪切流经的流体，产生泥浆压力波信号；这些泥浆压力波信号经过钻杆内泥浆传输到地面立管上，数据采集系统对地面立管上压力传感器进行压力信号采集，通过解调系统对采集的压力信号进行解析，最终将传输上来的泥浆压力波信号转换为井下工程参数和地层参数。
摆动阀脉冲器的结构示意图如图1所示，其核心部件是转子4和定子3，转子4通过扭杆2和永磁同步电机1的转子连接在一起，当上电控制永磁同步电机1摆动时，永磁同步电机1就通过扭杆2拖动转子4做往复式摆动，进而剪切泥浆流体，产生泥浆脉冲压力波。
对于摆动阀脉冲器而言，水力转矩是摆动阀脉冲器在井下工作时需要克服的主要负载转矩，深入研究转子的水力负载特性对改善摆动阀脉冲器的结构和控制性能、减少电机功率消耗、提高泥浆脉冲信号的数据传输速率和传输距离具有一定的指导意义。
目前国内外对于摆动阀脉冲器的转子的水力转矩的研究和计算主要从流体力学的角度出发，利用流体仿真软件计算摆动阀脉冲器的转子静止时的稳态水力转矩，进而对摆动阀脉冲器工作时的水力转矩做进一步分析。但目前通过仿真计算得到的水力转矩均存在以下两个问题：1)在建立流场仿真模型时，为了便于计算和分析，均需要对模型简化处理，因而影响了计算的准确性；2)摆动阀脉冲器在井下工作时转子保持运动状态，转子运动时动态水力转矩和静止时的稳态水力转矩存在明显差异。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法及装置、计算设备及计算机存储介质。
根据本发明的一个方面，提供了一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法，包括：
控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；
在采样时间内，采集所述转子的摆动角度，以及所述永磁同步电机的三相电流；所述采样时间等于所述目标载波周期的第一正整数倍，所述采样时间等于采样周期的第二正整数倍；
根据每一个所述摆动角度计算得到所述转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及根据所述三相电流计算得到所述永磁同步电机的交轴电流；
对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；
根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩。
进一步的，所述控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动具体为：
以位置闭环和最大转矩比电流的控制方式控制所述永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动。
进一步的，所述根据每一个所述摆动角度计算得到所述转子的摆动角速度及摆动角加速度进一步包括：
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，根据该采样点的摆动角度、该采样点前一采样点的摆动角度、该采样点后一采样点的摆动角度以及所述采样周期，计算得到该采样点的摆动角速度；补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角速度，得到每一个采样点的摆动角速度；
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，根据该采样点的摆动角速度、该采样点前一采样点的摆动角速度、该采样点后一采样点的摆动角速度以及所述采样周期，计算得到该采样点的摆动角加速度；补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角加速度，得到每一个采样点的摆动角加速度。
进一步的，所述根据所述三相电流计算得到所述永磁同步电机的交轴电流具体为：
对于任意一个采样点，根据该采样点的三相电流，通过坐标变换计算得到该采样点的交轴电流。
进一步的，所述对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流进一步包括：
对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据；
对相应的所述第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据；
将相应的所述第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据；
分别对相应的所述第三数据进行相位偏移校正，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流。
进一步的，所述对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据具体为：
以采样周期除以第一正整数与数字1之和的商作为插值的步长，对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据。
进一步的，所述对相应的所述第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据具体为：
对于第一个数据点，其经过低通滤波处理之后的第二数据等于该点对应的第一数据；
对于除第一个数据点之外的任意一个数据点，该数据点经过低通滤波处理之后的输出值等于第一项目与第二项目之和，其中所述第一项目为滤波系数与该数据点对应的第一数据之积，所述第二项目为数字1与滤波系数的差值与该数据点前一数据点经过低通滤波处理之后的输出值之积。
进一步的，所述将相应的所述第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据具体为：
以每个载波周期内均包含第二正整数个数据点为依据，将相应的所述第二数据分别表示为第二数据矩阵，其中每个所述第二数据矩阵均为第一正整数行、第二正整数列的矩阵；
将每个所述第二数据矩阵的数据分别按列加权，得到一个载波周期内摆动角度的第三数据、摆动角速度的第三数据、摆动角加速度的第三数据和交轴电流的第三数据。
进一步的，所述根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩进一步包括：
根据一个载波周期内的摆动角度数据计算得到所述摆动角度对应的弹性阻力矩；
根据一个载波周期内的摆动角加速度数据计算得到所述摆动角度对应的惯性力矩；
根据一个载波周期内的摆动角速度数据计算得到所述摆动角度对应的粘滞摩擦阻力矩；
根据一个载波周期内的交轴电流数据计算得到所述摆动角度对应的电磁转矩；
根据所述弹性阻力矩、惯性力矩、粘滞摩擦阻力矩和电磁转矩计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩，其中，所述摆动阀脉冲器在井下工作时的水力转矩等于摆动阀转子摆动过程中的惯性力矩、扭轴产生的弹性阻力矩、摆动阀转子摆动过程中的粘滞摩擦阻力矩之和与永磁同步电机输出的电磁转矩的差值。
根据本发明的另一方面，提供了一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算装置，包括：
控制模块，用于控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；
数据采集模块，用于在采样时间内，采集所述转子的摆动角度，以及所述永磁同步电机的三相电流；所述采样时间等于所述目标载波周期的第一正整数倍，所述采样时间等于采样周期的第二正整数倍；
第一计算模块，用于根据每一个所述摆动角度计算得到所述转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及根据所述三相电流计算得到所述永磁同步电机的交轴电流；
处理模块，用于对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；
第二计算模块，用于根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩。
根据本发明的又一方面，提供了一种计算设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；
所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行上述摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法对应的操作。
根据本发明的再一方面，提供了一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行上述摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法对应的操作。
本发明的计算方法及装置克服了现有技术中计算水力转矩时由于需要模型简化处理进而影响了计算的准确性的缺陷；本发明动态水力转矩的计算比较准确，对改善泥浆脉冲发生器的结构和控制性能，减少电机功率消耗、提高泥浆脉冲信号的数据传输速率和传输距离具有一定的指导意义。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为摆动阀脉冲器的结构示意图；
图2示出了本发明一个具体实施例提供的一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法的流程示意图；
图3为永磁同步电机的控制方式的示意图；
图4为转子的摆动角度随时间的变化规律图；
图5为转子的摆动角速度随时间的变化规律图；
图6为转子的摆动角加速度随时间的变化情况图；
图7为交轴电流随时间的变化情况图；
图8为对图4中数据进行插值处理得到的摆动角度随时间变化的变化情况图；
图9为对图5中数据进行插值处理得到的摆动角速度随时间变化的变化情况图；
图10为对图6中数据进行插值处理得到的摆动角加速度随时间变化的变化情况图；
图11为对图7中数据进行插值处理得到的交轴电流随时间变化的变化情况图；
图12为对图8中数据进行低通滤波处理得到的摆动角度随时间变化的变化情况图；
图13为对图9中数据进行低通滤波处理得到的摆动角速度随时间变化的变化情况图；
图14为对图10中数据进行低通滤波处理得到的摆动角加速度随时间变化的变化情况图；
图15为对图11中数据进行低通滤波处理得到的交轴电流随时间变化的变化情况图；
图16为将图12的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况图；
图17为将图13的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况图；
图18为将图14的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况图；
图19为将图15的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况图；
图20为将图16的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图21为将图17的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图22为将图18的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图23为将图19的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图24为理想情况下摆动阀脉冲器摆动过程中的转子摆动位置曲线图；
图25为相位偏移校正流程图；
图26为将图20的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图27为将图21的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图28为将图22的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图29为将图23的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况图；
图30为水力转矩随摆动阀转子摆动角度的变化曲线图；
图31示出了本发明一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算装置实施例的结构示意图；
图32示出了本发明实施例提供的一种计算设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图2示出了实施例的本发明一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法的流程图，该方法应用于计算设备中。计算设备包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，处理器、存储器和通信接口通过通信总线完成相互间的通信；存储器用于存放至少一可执行指令，可执行指令使处理器执行摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法对应的操作。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S100：控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；
步骤S110：在采样时间内，采集转子的摆动角度，以及永磁同步电机的三相电流；采样时间等于目标载波周期的第一正整数倍，采样时间等于采样周期的第二正整数倍；
步骤S120：根据每一个摆动角度计算得到转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及根据三相电流计算得到永磁同步电机的交轴电流；
步骤S130：对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；
步骤S140：根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩。
在一种可选的方式中，步骤S100控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动具体为：以位置闭环和最大转矩比电流的控制方式控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动。
图3为永磁同步电机的控制方式的示意图，如图3所示，以位置闭环和最大转矩比电流的控制方式控制永磁同步电机在井下以目标载波频率fc运动，进而通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动。
步骤S110为采集摆动阀脉冲器的转子运动过程中的数据。采样时间设为Ta，则采样时间Ta需要满足：采样时间Ta等于采样周期Ts的第二正整数倍，也即Ta＝NTs(表示在采样时间内采集N个采样点的数据)，N表示第二正整数；同时采样时间Ta还需要满足：采样时间Ta等于载波周期的第一正整数倍，也即/>M表示第一正整数。
在采样时间内采集数据具体为：采样时间内有N个采样点，采集每一个采样点转子的摆动角度[θ1，θ2，…，θN]，以及每一个采样点永磁同步电机的三相电流[Ia1，Ia2，…，IaN]，[Ib1，Ib2，…，IbN]，[Ic1，Ic2，…，IcN]。其中，在目标排量为2000L/min，目标载波频率为36Hz，采样周期为0.002s，采集时间为0.25s情况下，转子的摆动角度(单位：°)随时间的变化情况如图4所示。
在一种可选方式中，步骤S120根据每一个摆动角度计算得到转子的摆动角速度及摆动角加速度进一步包括：
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，根据该采样点的摆动角度、该采样点前一采样点的摆动角度、该采样点后一采样点的摆动角度以及采样周期，计算得到该采样点的摆动角速度；补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角速度，得到每一个采样点的摆动角速度；
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，根据该采样点的摆动角速度、该采样点前一采样点的摆动角速度、该采样点后一采样点的摆动角速度以及采样周期，计算得到该采样点的摆动角加速度；补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角加速度，得到每一个采样点的摆动角加速度。
具体的，对于第i个采样点，1＜i＜N，该采样点转子的摆动角速度ωi可以通过公式一计算得到：
然后补齐第一个采样点的摆动角速度和最后一个采样点的摆动角速度，即可得到每一个采样点对应的摆动角速度[ω1，ω2，…，ωN]。其中，在目标排量为2000L/min，目标载波频率为36Hz，采样周期为0.002s，采集时间为0.25s情况下，转子的摆动角速度(单位：rad/s)随时间的变化情况如图5所示。
同样，对于第i个采样点，1＜i＜N，该采样点转子的摆动角加速度αi可以通过公式二计算得到：
然后通过插值法计算出第一个采样点的摆动角加速度和最后一个采样点的摆动角加速度，即可得到每一个采样点对应的摆动角加速度[α1，α2，…，αN]。其中，在目标排量为2000L/min，目标载波频率为36Hz，采样周期为0.002s，采集时间为0.25s情况下，转子的摆动角加速度(单位：rad/s2)随时间的变化情况如图6所示。
在一种可选方式中，根据三相电流计算得到永磁同步电机的交轴电流具体为：对于任意一个采样点，根据该采样点的三相电流，通过坐标变换计算得到该采样点的交轴电流。
具体的，根据任意一个采样点的三相电流通过坐标变换(Park变换和Clark变换)，可以计算出该采样点的交轴电流Iq，计算公式如公式三和公式四所示：
公式三和公式四中，Iα和Iβ为中间转换量。其中，在目标排量为2000L/min，目标载波频率为36Hz，采样周期为0.002s，采集时间为0.25s情况下，交轴电流(q轴电流，单位：A)随时间的变化情况如图7所示。
在一种可选方式中，步骤S130对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流进一步包括：
对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据；
对相应的第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据；
将相应的第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据；
分别对相应的第三数据进行相位偏移校正，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流。
首先，因为受实际采集电路的采样能力及采样分辨率的影响，当脉冲器的目标载波频率fc较高时，会导致每个载波周期内的采样点数较为稀疏，不能保证数据的完整还原，因此本实施例中分别对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流进行了三次样条插值处理，以实现对数据量的扩充。三次样条插值处理后得到摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流对应的第一数据。
具体的，在一种可选方式中，对摆动角度、所摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据具体为：以采样周期除以第一正整数与数字1之和的商作为插值的步长，对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据。
本实施例中，三次样条插值处理的步长为得到插值处理后的摆动角度数据为/>得到插值处理后的摆动角速度数据为/>得到插值处理后的摆动角加速度数据为/>得到插值处理后的交轴电流数据为再次对图4中数据进行插值处理，得到的摆动角度随时间变化的变化情况如图8所示；对图5中数据进行插值处理，得到的摆动角速度随时间变化的变化情况如图9所示；对图6中数据进行插值处理，得到的摆动角加速度随时间变化的变化情况如图10所示；对图7中数据进行插值处理，得到的交轴电流随时间变化的变化情况如图11所示。
再次，受实际的采样电路采样精度和舍入误差的影响，实际的采样数据以及计算后得到的角速度、角加速度和交轴电流数据还存在明显的高频干扰，对数据的准确还原存在较大的影响，因此本实施例对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流对应的第一数据分别进行了低通滤波处理，以实现准确的还原数据，消除干扰。低通滤波处理后得到摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流对应的第二数据。
具体的，在一种可选方式中，对相应的第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据具体为：对于第一个数据点，其经过低通滤波处理之后的第二数据等于该点对应的第一数据；对于除第一个数据点之外的任意一个数据点，该数据点经过低通滤波处理之后的输出值等于第一项目与第二项目之和，其中第一项目为滤波系数与该数据点对应的第一数据之积，第二项目为数字1与滤波系数的差值与该数据点前一数据点经过低通滤波处理之后的输出值之积。
本实施例中，以表示第n个数据点经过低通滤波处理之后的输出值，/>为第n个数据点经过插值处理后第一数据，δ表示滤波系数，则：对于n等于1的情况，也即对于第一个数据点，/>也即第1个数据点经过低通滤波处理之后的输出值等于该数据点对应的第一数据。
对于n不等于1的情况，也即除第一个数据点之外的任意一个数据点，该数据点经过低通滤波处理之后的输出值等于第一项目与第二项目之和，其中第一项目为滤波系数与该数据点对应的第一数据之积，第二项目为数字1与滤波系数的差值与该数据点前一数据点经过低通滤波处理之后的输出值之积，也即该数据点经过低通滤波处理之后的输出值通过公式五计算得到：
通过上述计算，得到了每个第一数据对应的第二数据。也即得到了低通滤波处理后的摆动角度数据得到了低通滤波处理后的摆动角速度数据得到了低通滤波处理后的摆动角加速度数据/>得到了低通滤波处理后的交轴电流数据/>再次对图8中数据进行低通滤波处理，得到的摆动角度随时间变化的变化情况如图12所示；对图9中数据进行低通滤波处理，得到的摆动角速度随时间变化的变化情况如图13所示；对图10中数据进行低通滤波处理，得到的摆动角加速度随时间变化的变化情况如图14所示；对图11中数据进行低通滤波处理，得到的交轴电流随时间变化的变化情况如图15所示。
低通滤波处理之后的数据包含多个载波周期，为获得一个载波周期内动态水力转矩随摆动角度的变化关系，需要将摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流。
具体的，将相应的第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据具体为：以每个载波周期内均包含第二正整数个数据点为依据，将相应的第二数据分别表示为第二数据矩阵，其中每个第二数据矩阵均为第一正整数行、第二正整数列的矩阵；将每个第二数据矩阵的数据分别按列加权，得到一个载波周期内摆动角度的第三数据、摆动角速度的第三数据、摆动角加速度的第三数据和交轴电流的第三数据。
由前述可知，插值滤波处理后每个载波周期包含N个数据点，因此摆动角度数据摆动角速度数据/>摆动角加速度数据和交轴电流数据/>可以分别变形为如下矩阵数据：
摆动角度数据矩阵
摆动角速度数据矩阵
摆动角加速度数据矩阵
交轴电流数据矩阵
上述矩阵具有M行，表示具有M个载波周期，每一行具有N个数据，表示每一个载波周期具有N个数据点。再次将图12的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况如图16所示，将图13的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况如图17所示，将图14的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况如图18所示，将图15的数据表示为数据矩阵后，每个载波周期内的摆动角度随数据点的变化情况如图19所示。
得到第二数据矩阵后，对将每个第二数据矩阵的数据分别按列加权，即可分别得到一个载波周期内的摆动角度的加权数据摆动角速度的加权数据摆动角加速度的加权数据/>和交轴电流的加权数据按列加权的计算公式如公式六：
其中为一个载波周期内的加权处理后的数据，/>表示第二数据矩阵的j行n列元素。再次将图16的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况如图20所示，将图17的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况如图21所示，将图18的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况如图22所示，将图19的数据加权处理在一个载波周期后的摆动角度随数据点的变化情况如图23所示。
为了分别计算摆动阀转子沿着开阀方向和关阀方向动态水力转矩，需要将脉冲器转子摆动的一个载波周期分解成开阀过程和关阀过程。因此理想情况下摆动阀脉冲器摆动过程中的转子摆动位置曲线如图24所示。
由于采样初始时刻选取的随机性，因此加权至一个载波周期后的图19-图23与计算水力转矩所需的理想波形图图24之间存在一个明显的相位延时，因此需要对上述加权后的数据进行相位偏移校正。相位偏移校正流程如图25所示，相位校正后的转子摆动角度数据为转子摆动角速度数据为/>转子摆动角加速度数据为/>交轴电流数据为/>
再次将图20的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况如图26所示，将图21的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况如图27所示，将图22的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况如图28所示，将图23的数据进行相位偏移校正处理后的摆动角度随数据点的变化情况如图29所示。
在一种可选方式中，步骤S140根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩进一步包括：
根据一个载波周期内的摆动角度数据计算得到摆动角度对应的弹性阻力矩；用Ts表示扭杆对摆动阀转子产生的弹性阻力矩，摆动阀阀口打开方向为正，关闭方向为负，则弹性阻力矩可以通过公式七计算得到：
Ts＝ks(θ-θ0) 公式七
公式七中，ks为扭杆的弹性系数，可以通过查询脉冲器零部件手册或者试验的方法测量得到，θ0为扭杆未发生扭动时摆动阀转子所处的初始位置，θ为摆动阀转子的摆动角度，则将相位偏移校正处理后的每一个摆动角度数据带入公式七可以得到每一个摆动角度对应的弹性阻力矩；
根据一个载波周期内的摆动角加速度数据计算得到摆动角度对应的惯性力矩；用Tn表示惯性力矩，摆动阀阀口关闭方向为正，阀口打开方向为负，则惯性力矩可以通过公式八计算得到：
公式八中，J为摆动阀转子轴系的转动惯量，可以通过查询脉冲器零部件手册或者试验的方法测量得到，α为摆动阀转子的摆动角加速度，则将相位偏移校正处理后的每一个摆动角加速度数据带入公式八可以得到每一个摆动角度对应的惯性力矩；
根据一个载波周期内的摆动角速度数据计算得到摆动角度对应的粘滞摩擦阻力矩；用Tf表示粘滞摩擦阻力矩，摆动阀阀口打开方向为正，阀口关闭方向为负，则粘滞摩擦阻力矩可以通过公式九计算得到：
公式九中，kf为摆动阀转子摆动过程中的轴系粘滞摩擦系数，可以通过查询脉冲器零部件手册或者试验的方法测量得到，ω为摆动阀转子的摆动角速度，则将相位偏移校正处理后的每一个摆动角速度数据带入公式九可以得到每一个摆动角度对应的粘滞摩擦阻力矩；
根据一个载波周期内的交轴电流数据计算得到摆动角度对应的电磁转矩；用Te为电动机输出电磁转矩，摆动阀阀口打开方向为正，阀口关闭方向为负，在选用的永磁同步电机采用MTPA(最大转矩比电流)的方式控制时，电磁转矩可以通过公式十计算得到：
Te＝km.Iq 公式十
公式十中，km为电动机的转矩常数，可以通过查询脉冲器零部件手册或者试验的方法测量得到，Iq为电机输出的交轴电流，则将相位偏移校正处理后的每一个交轴电流数据带入公式十可以得到每一个摆动角度对应的电磁转矩；
根据弹性阻力矩、惯性力矩、粘滞摩擦阻力矩和电磁转矩计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩，其中，摆动阀脉冲器在井下工作时的水力转矩等于摆动阀转子摆动过程中的惯性力矩、扭轴产生的弹性阻力矩、摆动阀转子摆动过程中的粘滞摩擦阻力矩之和与永磁同步电机输出的电磁转矩的差值。
具体的，摆动阀脉冲器在井下工作时满足力矩平衡方程，即电机输出的电磁转矩等于摆动阀摆动过程中的惯性转矩、粘滞摩擦转矩、扭轴的弹性转矩和负水力转矩的代数和，因此通过电磁转矩、惯性转矩、粘滞摩擦转矩、弹性转矩即可计算得到水力转矩，用Thd表示水力转矩，则：
Thd＝Tn+Ts+Tf-Te 公式十一
因此当采用不同的排量、不同的载波频率时，通过利用所求排量、所求载波频率下的数据进行处理，最后即可根据公式十一得到所求载波频率和所求排量下转子的摆动角度对应的水力转矩。以目标排量为2000L/min，目标载波频率fc＝36Hz为例，计算得到的动态水力转矩随摆动阀转子摆动角度的变化曲线如图30所示。
本发明实施例提出了摆动阀脉冲器在井下工作时水力转矩的测量方法，克服了以往通过流体仿真测量水力转矩时由于需要模型简化处理，进而影响了计算的准确性的缺陷，具有一定的实用性和可操作性；提出了通过测量手段得到不同工况动态水力转矩的方法，克服了以往测量水力转矩时只能得到静态水力转矩的缺陷；提出了一种不同工况下摆动阀氏脉冲器的井下运动状态的测量方法，可以有效的分析脉冲器在不同工况下的工作状态。
图31示出了本发明一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算装置实施例的结构示意图。如图31所示，该装置包括：控制模块200、数据采集模块210、第一计算模块220、处理模块230和第二计算模块240，其中：
控制模块200用于控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；
数据采集模块210用于在采样时间内，采集转子的摆动角度，以及永磁同步电机的三相电流；采样时间等于目标载波周期的第一正整数倍，采样时间等于采样周期的第二正整数倍；
第一计算模块220用于根据每一个摆动角度计算得到转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及根据三相电流计算得到永磁同步电机的交轴电流；
处理模块230用于对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；
第二计算模块240用于根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩。
在一种可选的方式中，控制模块200控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动具体为：控制模块200以位置闭环和最大转矩比电流的控制方式控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动。
在一种可选方式中，第一计算模块220根据每一个摆动角度计算得到转子的摆动角速度及摆动角加速度进一步包括：
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，第一计算模块220根据该采样点的摆动角度、该采样点前一采样点的摆动角度、该采样点后一采样点的摆动角度以及采样周期，计算得到该采样点的摆动角速度；第一计算模块220补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角速度，得到每一个采样点的摆动角速度；
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，第一计算模块220根据该采样点的摆动角速度、该采样点前一采样点的摆动角速度、该采样点后一采样点的摆动角速度以及采样周期，计算得到该采样点的摆动角加速度；第一计算模块220补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角加速度，得到每一个采样点的摆动角加速度。
在一种可选方式中，第一计算模块220根据三相电流计算得到永磁同步电机的交轴电流具体为：对于任意一个采样点，第一计算模块220根据该采样点的三相电流，通过坐标变换计算得到该采样点的交轴电流。
在一种可选方式中，处理模块230对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流进一步包括：
处理模块230对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据；
处理模块230对相应的第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据；
处理模块230将相应的第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据；
处理模块230分别对相应的第三数据进行相位偏移校正，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流。
在一种可选方式中，处理模块230对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据具体为：以采样周期除以第一正整数与数字1之和的商作为插值的步长，对摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据。
在一种可选方式中，处理模块230对相应的第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据具体为：对于第一个数据点，处理模块230确定其经过低通滤波处理之后的第二数据等于该点对应的第一数据；对于除第一个数据点之外的任意一个数据点，处理模块230确定该数据点经过低通滤波处理之后的输出值等于第一项目与第二项目之和，其中第一项目为滤波系数与该数据点对应的第一数据之积，第二项目为数字1与滤波系数的差值与该数据点前一数据点经过低通滤波处理之后的输出值之积。
具体的，处理模块230将相应的第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据具体为：以每个载波周期内均包含第二正整数个数据点为依据，将相应的第二数据分别表示为第二数据矩阵，其中每个第二数据矩阵均为第一正整数行、第二正整数列的矩阵；将每个第二数据矩阵的数据分别按列加权，得到一个载波周期内摆动角度的第三数据、摆动角速度的第三数据、摆动角加速度的第三数据和交轴电流的第三数据。
在一种可选方式中，第二计算模块240根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩进一步包括：
第二计算模块240根据一个载波周期内的摆动角度数据计算得到摆动角度对应的弹性阻力矩；
第二计算模块240根据一个载波周期内的摆动角加速度数据计算得到摆动角度对应的惯性力矩；
第二计算模块240根据一个载波周期内的摆动角速度数据计算得到摆动角度对应的粘滞摩擦阻力矩；
第二计算模块240根据一个载波周期内的交轴电流数据计算得到摆动角度对应的电磁转矩；
据弹性阻力矩、惯性力矩、粘滞摩擦阻力矩和电磁转矩计算得到在目标载波频率和目标排量下转子的摆动角度对应的水力转矩，其中，摆动阀脉冲器在井下工作时的水力转矩等于摆动阀转子摆动过程中的惯性力矩、扭轴产生的弹性阻力矩、摆动阀转子摆动过程中的粘滞摩擦阻力矩之和与永磁同步电机输出的电磁转矩的差值。
本发明实施例提出了摆动阀脉冲器在井下工作时水力转矩的计算方法，克服了以往通过流体仿真测量水力转矩时由于需要模型简化处理，进而影响了计算的准确性的缺陷，具有一定的实用性和可操作性；提出了通过测量手段得到不同工况动态水力转矩的方法，克服了以往测量水力转矩时只能得到静态水力转矩的缺陷；提出了一种不同工况下摆动阀氏脉冲器的井下运动状态的测量方法，可以有效的分析脉冲器在不同工况下的工作状态。
本发明实施例提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有至少一可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法。
图32示出了本发明一种计算设备实施例的结构示意图，本发明具体实施例并不对计算设备的具体实现做限定。
如图32所示，该计算设备可以包括：处理器(processor)402、通信接口(Communications Interface)404、存储器(memory)406、以及通信总线408。
其中：处理器402、通信接口404、以及存储器406通过通信总线408完成相互间的通信。通信接口404，用于与其它设备比如客户端或其它服务器等的网元通信。处理器402，用于执行程序410，具体可以执行上述用于计算设备的摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法实施例中的相关步骤。
具体地，程序410可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。
处理器402可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。摆动阀脉冲器的水力转矩的计算装置包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个ASIC。
存储器406，用于存放程序410。存储器406可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
程序410具体可以用于使得处理器402执行上述任意方法实施例中的摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
Claims (12)
1.一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法，其特征在于，包括：
控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；
在采样时间内，采集所述转子的摆动角度，以及所述永磁同步电机的三相电流；所述采样时间等于所述目标载波周期的第一正整数倍，所述采样时间等于采样周期的第二正整数倍；
根据每一个所述摆动角度计算得到所述转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及根据所述三相电流计算得到所述永磁同步电机的交轴电流；
对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；
根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动具体为：
以位置闭环和最大转矩比电流的控制方式控制所述永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据每一个所述摆动角度计算得到所述转子的摆动角速度及摆动角加速度进一步包括：
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，根据该采样点的摆动角度、该采样点前一采样点的摆动角度、该采样点后一采样点的摆动角度以及所述采样周期，计算得到该采样点的摆动角速度；补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角速度，得到每一个采样点的摆动角速度；
对于大于1小于第二正整数的任意一个采样点，根据该采样点的摆动角速度、该采样点前一采样点的摆动角速度、该采样点后一采样点的摆动角速度以及所述采样周期，计算得到该采样点的摆动角加速度；补齐第一个采样点和第二正整数个采样点的摆动角加速度，得到每一个采样点的摆动角加速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三相电流计算得到所述永磁同步电机的交轴电流具体为：
对于任意一个采样点，根据该采样点的三相电流，通过坐标变换计算得到该采样点的交轴电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流进一步包括：
对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据；
对相应的所述第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据；
将相应的所述第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据；
分别对相应的所述第三数据进行相位偏移校正，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据具体为：
以采样周期除以第一正整数与数字1之和的商作为插值的步长，对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行三次样条插值处理，得到相应的第一数据。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对相应的所述第一数据分别进行低通滤波处理，得到相应的第二数据具体为：
对于第一个数据点，其经过低通滤波处理之后的第二数据等于该点对应的第一数据；
对于除第一个数据点之外的任意一个数据点，该数据点经过低通滤波处理之后的输出值等于第一项目与第二项目之和，其中所述第一项目为滤波系数与该数据点对应的第一数据之积，所述第二项目为数字1与滤波系数的差值与该数据点前一数据点经过低通滤波处理之后的输出值之积。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将相应的所述第二数据分别加权至一个载波周期，得到一个载波周期内的第三数据具体为：
以每个载波周期内均包含第二正整数个数据点为依据，将相应的所述第二数据分别表示为第二数据矩阵，其中每个所述第二数据矩阵均为第一正整数行、第二正整数列的矩阵；
将每个所述第二数据矩阵的数据分别按列加权，得到一个载波周期内摆动角度的第三数据、摆动角速度的第三数据、摆动角加速度的第三数据和交轴电流的第三数据。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩进一步包括：
根据一个载波周期内的摆动角度数据计算得到所述摆动角度对应的弹性阻力矩；
根据一个载波周期内的摆动角加速度数据计算得到所述摆动角度对应的惯性力矩；
根据一个载波周期内的摆动角速度数据计算得到所述摆动角度对应的粘滞摩擦阻力矩；
根据一个载波周期内的交轴电流数据计算得到所述摆动角度对应的电磁转矩；
根据所述弹性阻力矩、惯性力矩、粘滞摩擦阻力矩和电磁转矩计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩，其中，所述摆动阀脉冲器在井下工作时的水力转矩等于摆动阀转子摆动过程中的惯性力矩、扭轴产生的弹性阻力矩、摆动阀转子摆动过程中的粘滞摩擦阻力矩之和与永磁同步电机输出的电磁转矩的差值。
10.一种摆动阀脉冲器的水力转矩的计算装置，其特征在于，包括：
控制模块，用于控制永磁同步电机在井下以目标载波频率目标排量运动，以通过所述永磁同步电机带动摆动阀脉冲器的转子运动；
数据采集模块，用于在采样时间内，采集所述转子的摆动角度，以及所述永磁同步电机的三相电流；所述采样时间等于所述目标载波周期的第一正整数倍，所述采样时间等于采样周期的第二正整数倍；
第一计算模块，用于根据每一个所述摆动角度计算得到所述转子的摆动角速度及摆动角加速度；以及根据所述三相电流计算得到所述永磁同步电机的交轴电流；
处理模块，用于对所述摆动角度、所述摆动角速度、所述摆动角加速度和所述交轴电流分别进行处理，得到一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流；
第二计算模块，用于根据一个载波周期内的摆动角度、摆动角速度、摆动角加速度和交轴电流，计算得到在所述目标载波频率和所述目标排量下所述转子的摆动角度对应的水力转矩。
11.一种计算设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；
所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如权利要求1-9中任一项所述的摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法对应的操作。
12.一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如权利要求1-9中任一项所述的摆动阀脉冲器的水力转矩的计算方法对应的操作。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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