石油学报 ›› 2014, Vol. 35 ›› Issue (5): 952-957.DOI: 10.7623/syxb201405016

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导向钻井稳定控制平台的反馈线性化控制

汪跃龙1, 王海皎2, 康思民1, 汤楠1, 霍爱清1   

  1. 1. 西安石油大学陕西省钻机控制技术重点实验室 陕西西安 710065;
    2. 中国石油天然气管道局国际事业部 河北廊坊 065000
  • 收稿日期:2014-03-12 修回日期:2014-06-27 出版日期:2014-09-25 发布日期:2014-08-05
  • 通讯作者: 汪跃龙,男,1965年9月生,1985年获西安石油大学学士学位,2012年获西北工业大学博士学位,现为西安石油大学副教授、硕士生导师,主要从事智能控制、导向钻井井下控制技术等方面的研究。Email:ylwang@xsyu.edu.cn
  • 作者简介:汪跃龙,男,1965年9月生,1985年获西安石油大学学士学位,2012年获西北工业大学博士学位,现为西安石油大学副教授、硕士生导师,主要从事智能控制、导向钻井井下控制技术等方面的研究。Email:ylwang@xsyu.edu.cn
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(No.61174191)和陕西省工业攻关项目(2014k06-35)资助。

Output feedback linearization of servo platform for rotary steering drilling system

Wang Yuelong1, Wang Haijiao2, Kang Simin1, Tang Nan1, Huo Aiqing1   

  1. 1. Shaanxi Key Laboratory of Oil-drilling Rigs Controlling Technique, Xi'an Shiyou University, Shaanxi Xi'an 710065, China;
    2. China Petroleum Pipeline Burean International, Hebei Langfang 065000, China
  • Received:2014-03-12 Revised:2014-06-27 Online:2014-09-25 Published:2014-08-05

摘要:

旋转导向钻井的稳定控制平台单纯采用PID控制时,控制性能与工具面角度的给定值有关。在某些角度下,平台会产生振荡旋转现象,无法实现工具面角度的稳定,使导向工具失去导向控制功能。分析表明,导致这种现象的主要原因是系统存在非线性偏心作用力矩,该力矩与工具面角度成正弦函数关系。基于反馈线性化原理,提出了平台系统的输出反馈线性化控制方法,消除了非线性因素的影响,实现了线性的闭环系统。仿真表明该方法可实现平台系统在钻井过程强扰动作用条件下的任意角度位置稳定控制。针对非线性偏心作用力矩不可直接测量问题,提出了一种基于系统运动姿态测量的偏心作用力矩在线估计方法,可有效减小估计误差所导致的控制性能劣化,并给出了一个在线估计的应用实例。水力驱动条件下的控制测试验证了基于偏心作用力矩在线估计的反馈线性化控制方法的有效性。

关键词: 导向钻井, 角度位置, 反馈线性化控制, 偏心力矩, 水力驱动测试

Abstract:

When controlled by a simple PID strategy, the performance of servo platform for rotary steerable drilling systems is related to the given value of its tool-face angle. At certain angular positions, the platform would oscillate or rotate and fails to maintain the stability of tool-face angle, leading to the loss of steerable tool's control ability. Simulation results show that the primary cause of platform oscillation or rotation is nonlinear eccentric torque present in the platform system, which has a sine function relationship with tool-face angle. Based on the feedback linearization theory, an output feedback linearizing control method of the platform system is proposed to eliminate the effect of nonlinear eccentric torque and change the closed-loop system into a linear one. Simulation data indicate that the proposed method enables to control the platform system stably at any angular positions during the drilling process under strong disturbance. To address the problem of directly measuring nonlinear eccentric torque, an online estimating method based on motion attitude measurement is proposed. This estimation method can effectively attenuate the deterioration of control performance caused by estimation errors, and an application example of online estimation is given. The validity of output feedback linearization based on the proposed online estimation method of nonlinear eccentric torque is verified via a control test under hydraulic driven condition.

Key words: steerable drilling, angular position, feedback linearization, eccentric torque, test under hydraulic drive

中图分类号: