基于单片机井下纠斜控制系统的研究

论文摘要

本论文所开展的研究工作是国家自然科学基金项目“液控导向的自动垂直钻井工具的理论与技术(No.50574070)”和湖北省自然科学基金项目“垂直钻井的井下机电液系统闭环控制理论与技术研究(2004ABA002)”的一部分,主要是研究深井自动垂直钻进中对自动垂直钻具中的液压导向纠斜机构控制与实现问题。论文较详细地论述了目前国内外在自动垂直钻井技术及其工具研制方面的现状和进展,针对本校钻井控制研究室所研制的垂直钻井工具样机的结构特点,以及实钻工况、垂直钻井的工艺要求,提出了基于实时控制的微小井斜的井斜测量原理,通过计算证明了用重力加速计的X、Y轴作为测量轴来代替Z轴作为测量轴进行微小井斜测量具有明显的优势。对以单片机为核心的井下纠斜闭环控制系统的设计进行了详细探讨,提出了基于单片机的实时控制策略和控制算法,分析了井下实时控制中所存在的诸如振动、高温、噪声、空间结构狭小、控制能源受限、人工无法干预等特有问题,并针对这些问题,在单片机控制系统的硬软件设计中进行了有意义的探索。本文对单片机系统硬件设计中的总体设计以及采样、串口通信、显示及输出控制等电路给出了较为详细的介绍,对有关的软件实现也给出了必要的说明。所设计的单片机控制系统最后在室内对模拟钻具进行了实时控制实验,实验结果表明所设计的控制器在无振动工况对模拟井斜角的控制精度为0.1°,在有振动时能够对最小为0.25°的模拟井斜进行有效控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 VTK 和POWER V 自动垂直钻井工具的介绍及比较
• 1.3.1 VTK 自动垂直钻井工具
• 1.3.2 Power V 自动垂直钻井工具
• 1.3.3 自动垂直钻井工具的比较
• 1.4 自动垂直钻井工具核心─微控制器控制算法的研究现状
• 第二章 自动垂直钻井工具的基本结构及控制方法
• 2.1 自动垂直钻井工具的结构组成
• 2.2 基于重力加速度计的井斜测量理论
• 2.2.1 利用重力加速度计的井斜测量原理
• 2.2.2 重力加速度计安装在不同轴上测量方法的比较
• 2.3 基于单片机的井斜控制策略
• 2.3.1 垂直钻井工具纠斜机构的控制原理
• 2.3.2 垂直钻具井斜分段控制方法
• 2.3.3 垂直钻井实时控制方法
• 第三章 基于单片机的控制器系统硬件设计
• 3.1 实钻核心微控制器功能介绍
• 3.2 PIC 系列单片机简介
• 3.2.1 PIC 单片机特点
• 3.2.2 PIC161F87X 单片机的性能简介
• 3.2.3 PIC16F876 系列单片机的内部结构简介
• 3.3 开发工具PICRICE
• 3.4 控制器硬件设计
• 3.4.1 采样电路硬件设计
• 3.4.2 串行通信电路硬件设计
• 3.4.3 电源及显示电路硬件设计
• 3.4.4 输出控制电路硬件设计
• 3.5 控制器整体硬件原理图
• 第四章 控制系统软件设计
• 4.1 控制系统主程序流程图
• 4.2 各子程序功能简介
• 4.3 A/D 采样子程序
• 4.3.1 实现A/D 转换遵循的步骤
• 4.3.2 A/D 转换采样时间要求
• 4.3.3 A/D 转换设置
• 4.3.4 A/D 采样程序设计
• 4.3.5 AD 采样数字滤波程序设计
• 4.4 串行通讯子程序
• 4.4.1 串行通信协议介绍
• 4.4.2 PIC 单片机的串行接口
• 4.4.3 通信接口电路与软件编程
• 4.5 数码管显示子程序
• 4.5.1 PIC16F87X 的SPI 接口引脚
• 4.5.2 SPI 接口主要寄存器
• 4.5.3 程序编写
• 4.6 单片机系统的抗扰措施
• 第五章 实验及结论
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要