[发明专利]一种具有多自由度-变参数的钻柱系统回转运动建模方法

摘要

本发明公开了一种具有多自由度‑变参数的钻柱系统回转运动建模方法，包括以下步骤：钻柱系统抽象与简化，构建振动方程，模型状态空间实现，构建线性变参数模型，LPV模型的线性分式表示，构建钻柱系统回转运动模型。本发明的方法采用多自由度系统及状态空间方程描述实际钻柱系统，符合钻柱多单元组合特性，提高了钻柱建模精度；同时，引入时变的钻柱长度和LFT技术，利于对整个钻进过程钻柱系统的回转运动进行分析，提高了模型的适用范围。此外,引入的Karnopp模型适合描述钻头‑岩石作用，对于模拟实际钻柱系统回转运动具有较好的模拟作用。

主权项

1.一种具有多自由度‑变参数的钻柱系统回转运动建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：钻柱系统的建立：针对实际的钻柱系统，根据钻柱系统组成单元，建立对应的多自由度弹簧‑阻尼系统；步骤2：构建振动方程：基于振动力学，将所述多自由度弹簧‑阻尼系统以2阶微分方程形式描述，并得到对应的质量、阻尼、刚度矩阵表达式；步骤3：振动方程状态空间实现，并构建LPV模型：选取弹簧‑阻尼系统各单元旋转角速度及各单元间旋转角度差为状态变量，推导出振动方程的状态空间方程实现；根据钻柱长度时变性质，计算钻柱各单元的转动惯量、刚度及所受阻尼与钻柱长度的关系式，并基于状态空间方程，得出具有钻柱长度依赖的LPV模型；步骤4：LPV模型的线性分式表示：将钻柱长度进行归一化表达，并通过线性分式变换方法，将LPV模型分离为线性时不变部分与不确定块部分，以上线性分式变换形式描述；步骤5：引入钻头‑岩石作用模型，完成钻柱系统回转运动模型：引入Karnopp摩擦模型描述钻头‑岩石作用，结合钻柱LFT模型，完成钻柱系统回转运动的动力学建模。