基于滑模控制的钻机旋转系统及其监控

论文摘要

针对钻机钻井复杂多变的过程,要提高钻机对钻进的控制能力,降低能量损耗,延长钻具寿命,提高钻进效率,就需要对其进行实时监测和控制,实现钻机的高效化、自动化和智能化。为了实现安全、高效、优质钻井,抑制钻机有害振动,针对钻机旋转系统控制与监控技术进行了深入研究。主要的研究工作和创新点为：1.针对钻机旋转非线性系统建立了双自由度和多自由度动力学模型及负载特性模型,分析了钻头扭矩与转速的变化状况及旋转系统扭矩振动特性。2.为消除常规滑模控制中被跟踪信号的一阶及高阶导数均存在的假设,提高系统控制精度和阻尼性,提出了钻机旋转系统的微积分滑模控制策略并进行了仿真验证。同时,针对常规滑模控制对系统过渡过程抗干扰能力弱的缺点,提出了具有在线辨识和跟踪特性的钻机旋转系统时变滑模自适应控制策略,仿真结果表明：时变滑模自适应控制具有很好的鲁棒性和动态及静态响应,可以使钻机旋转系统达到全局稳定性。3.针对多自由度钻机旋转系统,提出了多自由度钻机旋转系统的双面滑模PID控制方法,可使系统快速进入滑模运动状态,具有较强的鲁棒性。4.研究了以实时监控、仿真、3D动画和诊断为一体的钻机监控系统,并对系统的硬件结构、软件结构、钻机重要参数的采集及常用传感器、钻机监控系统主要模块和功能进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 电动钻机控制系统研究现状
• 1.2.1 国外电动钻机控制系统研究现状
• 1.2.2 国内电动钻机控制系统研究现状
• 1.3 钻机旋转系统控制技术研究现状
• 1.4 论文主要内容及章节安排
• 第二章 钻机旋转系统
• 2.1 钻机旋转系统的组成及工作特性
• 2.2 钻机旋转系统的动力学模型
• 2.3 钻机旋转系统的数学模型
• 2.4 本章小节
• 第三章 钻机旋转系统的滑模控制
• 3.1 滑模控制的基本原理
• 3.2 输入-状态线性化控制
• 3.3 钻机旋转系统的输入-状态线性化控制器设计
• 3.4 基于不同趋近律的滑模PID控制器设计
• 3.5 本章小节
• 第四章 钻机旋转系统的微积分滑模控制
• 4.1 微积分滑模控制
• 4.2 钻机旋转系统微积分滑模控制器设计
• 4.3 钻机旋转控制系统稳定性分析
• 4.3.1 李雅普诺夫定理
• 4.3.2 稳定性分析
• 4.3.3 仿真结果及分析
• 4.4 微积分控制系统的鲁棒性分析
• 4.5 本章小节
• 第五章 钻机旋转系统的时变滑模自适应控制
• 5.1 时变滑模控制
• 5.2 基于稳定性方法的自适应控制系统
• 5.3 钻机旋转系统时变滑模控制器设计
• 5.3.1 两级时变滑模控制
• 5.3.2 时变滑模控制系统稳定性分析
• 5.4 钻机旋转系统时变滑模自适应控制器设计
• 5.5 仿真结果及分析
• 5.6 本章小节
• 第六章 多自由度钻机旋转系统的滑模控制策略
• 6.1 多自由度钻机旋转系统动力学模型
• 6.2 多自由度钻机旋转系统的滑模控制
• 6.2.1 双面滑模控制
• 6.2.2 基于幂次趋近律的双面滑模PID控制
• 6.2.3 鲁棒性分析
• 6.2.4 仿真结果及分析
• 6.3 本章小节
• 第七章 钻机监控系统
• 7.1 钻机监控系统的硬件结构
• 7.2 钻机监控系统重要参数的检测
• 7.3 钻机监控系统的软件结构
• 7.4 钻机监控系统的主要模块及功能
• 7.5 本章小节
• 第八章 结论与展望
• 8.1 所做的工作
• 8.2 结论
• 8.3 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研
• 详细摘要