[发明专利]基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法及系统

摘要

本发明提出了一种基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法及系统，针对分布参数模型描述的钻柱系统进行简化，得到中立时滞模型，在此基础上构造了基于等价输入干扰方法的粘滑振动抑制控制系统，建立控制系统的标准化状态空间方程模型，紧接着构造合适的李雅普诺夫泛函，给出线性矩阵不等式形式的系统稳定性判据；通过求解解线性矩阵不等式的可行性问题，得到振动抑制控制系统设计参数，最后来抑制粘滑振动。本发明不需要考虑具体的扰动模型，只需对扰动进行估计，从而快速消除扰动带来的影响，特别对于深部钻探下的复杂地层环境，存在着钻头‑岩石作用率不明确甚至不可知的实际情况，仍能起到很好的扰动抑制效果。

主权项

1.一种基于中立模型的钻柱系统的粘滑振动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于钻柱系统的微单元的动力学模型，使用偏微分方程对钻柱系统进行建模，得到钻柱系统的分布参数模型以及分布参数模型的边界条件；S2、结合所述边界条件，使用达朗贝尔法求解所述分布参数模型，得到中立时滞微分方程；S3、利用所述中立时滞微分方程并基于等价输入干扰方法，通过构造钻柱系统模型、状态观测器、干扰估计器、状态反馈以及内模，以形成粘滑振动抑制控制系统；其中，在构造过程中，通过构建状态观测器观测钻柱系统模型状态，结合低通滤波器来进行干扰估计器的扰动估计，并将估计的信号作用在输入端，同时结合状态反馈和内模实现对给定输入的跟踪；S4、使用状态空间方程对该粘滑振动抑制控制系统进行描述，得到标准的时滞系统，接着构造李雅普诺夫泛函，给出线性矩阵不等式形式的系统稳定性判据，求解线性矩阵不等式的可行性问题，得到振动抑制控制系统的设计参数，根据具有所述设计参数的粘滑振动抑制控制系统来控制钻柱系统的运行；钻柱系统的分布参数模型通过下述方法得到：将钻柱考虑成由无限多的具有转动惯量和扭转刚度的微小单元组成的系统，考虑钻柱上任意质点在任意时刻的位移，使用偏微分方程描述钻柱系统，得到钻柱系统分布参数模型；所述边界条件包括顶部边界条件以及底部边界条件；顶部边界条件通过下述方法确定：对于钻柱顶部，转盘驱动电机的输出转速往往与顶部钻柱的转速难以完全相同，这种速度差异会导致钻柱顶部的产生扭转力，由此确定顶部边界条件；底部边界条件通过下述方法确定：对于底部，顶部的扭转波传递到底部，驱动钻头的运动，同时克服非线性的钻头‑岩石作用率，由此确定底部边界条件；步骤S2具体包括以下过程：S21、去掉分布参数模型中伴随着钻柱的阻尼，从而得到标准的波动方程：S22、将标准的波动方程进行变量的变换，通过达朗贝尔法求解变换后的标准波动方程的通解，再结合边界条件，得到含有输入时滞的中立时滞模型；S23、去掉其输入时滞，得到只含有状态时滞的中立时滞模型作为所述中立时滞微分方程；步骤S3具体包括以下过程：S31、基于所述中立时滞微分方程，构造以状态空间方程描述的钻柱系统模型与状态观测器模型；S32、使用状态观测器来观测钻柱系统模型状态，结合低通滤波器来进行扰动估计，并将估计的信号作用在输入端，以完成等价干扰的输入；S33、结合状态反馈和内模实现对给定输入的跟踪；步骤S4具体包括以下过程：S41、根据选取的状态变量，使用状态空间方程重构所述中立时滞微分方程，得到时滞系统的标准化模型；S42、基于所述标准化模型，构造合适的李雅普诺夫泛函，通过对泛函求导以及变换得到以线性矩阵不等式形式描述的系统稳定性判据，同时推导出状态反馈系数与观测器增益；S43、求解线性矩阵不等式的可行性问题，得到振动抑制控制系统设计参数。