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专利号: 2021100946009
申请人: 武汉工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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pL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qL,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Xp对伺服阀阀芯位移Xv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pL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qL: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:qL=kqxV‑kCpL                (4)式中,kq为滑阀的流量增益,kC为滑阀的流量‑压力系数,xV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,Ctp为总泄露系数,xp为活塞位移,βe为弹性模量,qL1为负载输出流量,Ae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Xp对伺服阀阀芯位移Xv的传递函数具体为:

式中,Kh为增益系数,ωh为液压固有频率,ξh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,ueq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usw:

usw=‑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: