[发明专利]一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法与系统

权利要求书

1.一种构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据构造煤煤层气开采控制系统中的气水煤混合物举升过程，推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式；

所述步骤1中，根据构造煤煤层气开采控制系统中的气水煤混合物举升过程，推导由泵阀控制系统控制下的数学模型，建立所述泵阀控制系统的状态空间表达式，其具体方法为：

构造煤煤层气开采控制系统包括六大部分：煤系地层结构重构与相似材料子系统，水平井双向往复式钻井与洞穴完井子系统，水平井洞穴激励卸压与流体运移子系统，直井气水煤粉混合物举升与产出子系统，地面气水煤分离、收集与水循环使用子系统，仪器系统信息与自动化控制子系统；

构造煤煤层气开采控制系统用于构造煤煤层气开发，探索构造煤原位煤层气高效勘探开发理论和技术装备；该方法针对其中的直井气水煤粉混合物举升与产出子系统进行研究与控制；直井气水煤粉混合物举升与产出子系统通过泵阀控制系统控制举升设备和煤粉破碎与扰动装置，实现底层煤粉的及时破碎与水力输送，达到煤粉不堵塞管道与产出液平稳收集的目的；泵阀控制系统由动力液罐，离心泵，气动控制阀，设备管道，举升装备，产出液罐构成；

对泵阀控制系统从动力液罐到产出液罐由伯努利方程化简得到：

式中，Q为管道中的流量，A为管道的横截面积，ρ为流体密度，L为管线总长度；ΔP_e为泵提供的压力，ΔP_v为阀门造成的压力损失，ΔP_c为混合物举升设备造成的压力损失；

以流量Q，控制阀开度γ和离心泵转速n为状态变量，以阀开度设定γ_set和离心泵转速设定n_set为输入变量，以流量Q和控制阀压差ΔP_v为输出变量，推导出泵阀控制系统的状态空间方程为：

式中：

其中，T_γ和T_n分别为控制阀和离心泵的时间常数；

步骤2：基于所述的状态空间表达式，采用状态反馈线性化对泵阀构成的举升系统进行直接解耦控制；

步骤3：基于所述的状态反馈线性化的直接解耦控制，采用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性；

步骤4：基于所述的改进型Smith预估器的状态反馈线性化的直接解耦控制，运用滑模控制进一步提高泵阀控制系统的鲁棒性；

步骤5：基于所述的状态反馈线性化的滑模控制，利用改进切换函数以抑制泵阀控制系统的抖振，确定构造煤煤层气井下混合物举升的控制率；

步骤6：基于所述控制率对气水煤混合物举升系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，基于所述的状态空间表达式，采用状态反馈线性化对泵阀构成的举升系统进行直接解耦控制，其具体方法为：

对状态方程中输出y求导，直到控制率u明确出现；

式中：

其中，b为阀门压力损失拟合系数，K(γ)为阀门流量拟合曲线；

当控制率选择为

时，将控制率代入线性化模型，则原模型描述为：

即可实现精确线性化的直接解耦。

3.根据权利要求2所述的构造煤煤层气井下混合物举升的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，基于所述的状态反馈线性化的直接解耦控制，采用改进型Smith预估器去除时滞造成的系统不稳定性，其具体方法为：

对时滞系统进行时滞平衡后，在原Smith预估器的设计基础上，在主反馈回路增加了一个一阶滤波环节G_f(s)，用以降低模型误差与干扰带来的影响。