Содержание к диссертации
Введение
1. Перспективы применения прогнозирования в системах с распределенными параметрами 11
1.1 Предпосылки использования прогнозирования , 11
1.2 Классификация и особенности систем с распределенными параметрами 13
1.3 Перспективность применения прогнозирования в системах с распределенными параметрами 16
1.4 Методы и варианты применения прогнозирования, применимые в системах с распределенными параметрами 19
1.5 Перспективность применения прогнозирования в системе управления электропривода регулятора подачи долота , 21
2. Математическое моделирование электропривода регулятора подачи долота 29
2.1 Принцип действия наземного регулятора подачи долота 29
2.2 Математическое описание талевой системы буровой лебедки 32
2.3 Математическое описание колонны бурильных труб 35
2.4 Передаточная функция колонны бурильных труб, характеризующая динамические процессы в колонне бурильных труб 36
2.5 Совместное решение уравнений системы электропривод — колонна бурильных труб 40
2.6 Система управления электроприводом подачи долота 44
2.7 Исследование динамических характеристик электропривода подачи долота с П И-регулятором нагрузки на долото 49
Выводы по главе 55
3. Исследование динамических процессов в электроприводе с распределенными параметрами с прогнозирующим устройством 56
3.1 Включение прогнозирующего устройства на вход системы 56
3.2 Исследование динамических характеристик электропривода подачи долота
с прогнозирующим устройством на входе регулятора осевой нагрузки 64
Выводы по главе 73
4. Исследование динамических процессов в электроприводе с распределенными параметрами с прогнозирующим регулятором выходной координаты 74
4.1 Исходные принципы, положенные в основу работы прогнозирующего регулятора 76
4.2 Построение прогнозирующего регулятора 81
4.2.1 Тестирование системы 81
4.2.2 Определение формы управляющего воздействия и формирование эталонного переходного процесса 84
4.2.3 Алгоритм работы прогнозирующего регулятора 93
4.2.4 Исследование переходных процессов в системе с полученным регулятором 96
4.3 Сравнение динамических характеристик в системах с прогнозирующим регулятором нагрузки на долото и с П И-регулятором при различных начальных условиях 104
4.4 Влияние параметров электромеханической системы на качество регулирования нагрузки на долото при использовании пронозирующего регулятора осевой нагрузки 109
4.4.1 Влияние изменения длины колонны бурильных труб на качество регулирования осевой нагрузки при неизменных коэффициентах прогнозирующего регулятора 110
4.4.2 Влияние изменения коэффициента жидкостного трения на качество регулирования осевой нагрузки при неизменных коэффициентах прогнозирующего регулятора 112
Выводы по главе.. 115
5. Аппаратная реализация электропривода подачи долота с прогнозирующим регулятором нагрузки на долото 116
Заключение 131
Литература 133
Приложение 136
- Классификация и особенности систем с распределенными параметрами
- Математическое описание талевой системы буровой лебедки
- Включение прогнозирующего устройства на вход системы
- Исходные принципы, положенные в основу работы прогнозирующего регулятора
Введение к работе
Задачи об оптимальном управлении электроприводами являются весьма актуальными, имеют большое экономическое значение, поскольку повышение производительности механизмов в современных условиях во многом зависит от повышения производительности электропривода. В тоже время, производительность и эксплуатационные параметры электропривода часто зависят от закона управления и при переходе на оптимальное управление могут быть существенно увеличены.
Особое значение это обстоятельство приобретает в наше время — время активного использования микропроцессорной технологии при проектировании систем управления электроприводами. Ведущие фирмы-поставщики электротехнического оборудования широко используют микропроцессорные автоматизированные системы управления электроприводов, обеспечивающие высокую точность, быстродействие, надежность и гибкость электропривода, что позволяет программно изменять его характеристики и выполняемые функции, не изменяя при этом элементной и схемной базы системы управления.
Задачи оптимального управления приводами при сосредоточенных параметрах объекта достаточно подробно освещены в работах [1,2,3,4 и др.]. Причем приведенный в [1] анализ работы существующих систем показывает их ограниченную реакцией на факт наличия ошибки или воздействия способность получения оптимальных процессов функционирования. Существенно расширяются возможности систем, если судить о тенденциях развития процесса с учетом предыдущих состояний электропривода в каждый фиксированный момент времени за счет информации, полученной на стадии наладки, эксплуатации, или, если это невозможно, при моделировании. Поэтому в [1] предлагается алгоритм контроля или регулирования координат в системах управления электропривода механизмов с сосредоточенными параметрами, основанный на прогнозировании изменения ошибки регулирования путем предварительного тестирования системы.
Однако многочисленной и весьма ответственной группой являются электроприводы, включающие звенья с распределенными параметрами. Реальными аналогами таких систем являются буровые электроприводы, в частности, приводы лебедки с повторно-кратковременным режимом работы и большой частотой включения.
— 5 — В ряде практических задач, в частности, при бурении нефтяных скважин, при исследовании динамики горных машин [5] исследуемая система одновременно включает в себя разные однородные звенья с распределенными параметрами. В этом случае объектом управления является распределенная неоднородная, колебательная система, состоящая из разных однородных сред [6,7]. Указанные однородные звенья между собой связываются либо по последовательной, либо по разветвленной схеме. Процессы в таких системах носят ярко выраженный волновой характер и весьма инерционны, причем часто эта инерционность превышает время электромагнитных процессов в самом электроприводе. В этих условиях управление с прогнозированием поведения регулируемых координат позволяет скомпенсировать эту неизбежную физическую инерционность в работе электропривода. Последнее приобретает особое значение, если исполнительная часть и средство управления связаны между собой через элемент с такого рода свойствами, как это имеет место, например, в процессе бурения скважины с помощью регулятора подачи долота, где воздействие на породоразрушающий инструмент — долото — передается через колонну бурильных труб. Поскольку обратная связь по регулируемому параметру в связи с тяжелыми условиями на забое обеспечивается, как правило, косвенно — с помощью наземных датчиков, — то этом случае привод не только с запаздыванием воспринимает информацию об изменении нагрузки на буровой инструмент (вследствие изменения твердости разбуриваемой породы), но и воздействует на него через конечное время прохождения сигнала по колонне труб. Причем этот эффект наиболее явно выражен при бурении глубоких скважин, которое ведется с использованием регуляторов подачи долота активного действия, с помощью которых не только опускают, но и поднимают колонну бурильных труб. Применение принципа прогнозирования координат в таких системах видится особенно актуальным. Именно на примере такого регулятора, который оснащается, как правило, электроприводом постоянного тока, ставится и исследуется более общая задача: на основе сигнала ошибки в предшествующие управлению моменты времени прогнозировать развитие процесса и соответственно осуществлять управление по результатам этого прогноза в сложных электромеханических системах, особенно в системах с распределенными параметрами, где полноценный анализ и синтез динамических характеристик электропривода невозможен без учета волновых свойств механической части и дополнительная инерционность вносится из-за
— 6 —
конечного времени прохождения сигнала по распределенной системе, сравнимого со временем переходных процессов в самом электроприводе.
Решение этой задачи предполагает определение возможности прогнозирования ошибки регулирования, момента возмущения и, в случае необходимости, других переменных (как внешних, так и внутренних) в исследуемых системах, разработку математического аппарата такого прогнозирования и возможности его реализации, а также выявление критериев практической целесообразности его использования в тех или иных системах. Ввиду сложности, ответственности и высокой стоимости таких электроприводов проведение этих исследований в промышленных условиях сопряжено с большими трудностями и потому потребовало создания цифровой модели, позволяющей анализировать характеристики исследуемых систем во временной области.
Применение результатов этих исследований при управлении регулятором подачи долота позволило бы предложить способ улучшения качества управления за счет формирования динамических характеристик привода, обеспечивающих оптимальные условия отработки породоразрушающего инструмента в смысле снижения динамической ошибки регулирования и увеличения быстродействия системы. В условиях высокой интенсивности износа долота в процессе бурения, особенно на больших глубинах, вследствие испытываемых механических нагрузок, это неминуемо приведет к увеличению срока службы долота, снизит количество необходимых для его замены спускоподъемных операций, увеличит время работы долота с заданной (оптимальной) нагрузкой и, в конечном счете, повысит производительность буровых работ.
Конечно, эффективная реализация разработанных алгоритмов возможна лишь при построении системы управления бурового электропривода на базе микропроцессорных средств. В настоящее время в мире накоплен значительный опыт разработки и создания систем автоматизации комплексов буровых электроприводов различного назначения. Так, мировой лидер в этой области, американская компания General Electric, поставляющая устройства, управляющие буровыми электроприводами по системе тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока, использует микропроцессорную технику для улучшения управления электроприводами буровых установок. Микропроцессоры используются в качестве регуляторов скорости и тока с одновременным выполнением функций импульсно-фазового управления тиристорами, а также контроля и диагностики электропри-
— 7 — вода. В современных моделях приводов типа Power Drill 2000 цифровые микропроцессорные системы управления позволяют также существенно сократить продолжительность наладочных работ. Уникальные устройства для самонастройки Quick Start и Otto Tune обеспечивают автоматическую настройку системы управления на оптимальный режим при каждом последующем пуске, для чего все необходимые наладочные параметры хранятся в памяти системы. В системах такого уровня модернизация системы управления сводится лишь к изменениям в программном обеспечении.
В отечественной практике все попытки внедрения микропроцессорных систем управления на буровых установках Уралмашзавода и Волгоградского завода буровой техники в приводах буровых лебедок и насосов, предпринимаемые НИИЭлектропривод и другими организациями, несмотря на разработанное математическое обеспечение и алгоритмы управления [8] по ряду технических и экономических причин не вышли за пределы экспериментальных исследований и до сих пор не нашли широкого промышленного применения. Еще меньше можно привести примеров локальной автоматизации буровых электроприводов. Однако работы в этом направлении ведутся непрерывно. По мнению ведущих специалистов в области бурения сейчас создаются благоприятные условия для более интенсивного внедрения средств автоматизации, которые наряду со снижением эксплуатационных затрат при бурении обеспечат также высокий престиж фирме [ ]. Безусловно, автоматизация является одним из приоритетных направлений в развитии буровой техники. Причем при формировании более оптимального по технологическим соображениям сигнала задания для регулируемого параметра более жесткие требования предъявляются и к его отработке электроприводом.
Надо сказать, что колонна бурильных труб как элемент с распределенными параметрами отличается значительной сложностью и может испытывать различные виды упругих деформаций. Однако в зависимости от режима, в котором ведется бурение, те или иные виды колебаний превалируют. Так, в режиме турбобурения, для которого проводились исследования в данной работе, в первую очередь интерес представляют продольные колебания колонны бурильных труб. Однако сходство математического описания позволяет распространить основные их результаты и на случай преобладания крутильных колебаний, как, например, при роторном бурении. Кроме того, полученные в работе результаты могут быть использованы проектными организациями при разработке и модернизации не только буро-
— 8 — вых электроприводов, но и приводов глубоконасосных установок, приводов насосов для перекачки нефти и воды на большие расстояния, а также электроприводов, содержащих такие элементы с распределенными параметрами, как канаты лифтовых подъемников и буксируемых систем, длинные кинематические передачи, выносные штанги промышленных роботов и манипуляторов, валы, трубы и т.д.
Научная новизна результатов, полученных в результате теоретических исследований, заключается в следующем:
показано, что динамическая ошибка регулирования нагрузки на долото может быть снижена при введении на вход используемого регулятора веса программно-реализованного устройства, действующего по принципу прогнозирования ошибки нагрузки на долото;
исследовано влияние управляющих и возмущающих тестовых импульсов определенной амплитуды на ошибку системы регулирования;
определена форма импульса, компенсирующего влияние возмущений при удовлетворительном качестве переходного процесса по регулируемой координате и соблюдении технологических ограничений,
-разработан прогнозирующий регулятор нагрузки на долото, включенный на входе скоростной подсистемы регулирования электропривода с целью снижения динамической ошибки и увеличения быстродействия;
показана эффективность работы прогнозирующего регулятора веса при действующих ограничениях координат электропривода;
исследовано влияние изменения параметров как самого регулятора, так и механической системы на качество регулирования выходной координаты в электроприводе с прогнозирующим регулятором; при этом отмечено, что при довольно значительном изменении параметров системы электропривод с прогнозирующим регулятором позволяет достичь лучших динамических показателей, чем при традиционным путем оптимизированной системе управления;
доказано, что прогнозирование координат в системах с распределенными параметрами позволяет частично скомпенсировать неизбежную инерционность электропривода при конечном времени прохождения сигнала к рабочему органу, сравнимом со временем переходных процессов в самом электроприводе и связанном с волновым характером процессов в механической системе, и тем самым повысить влияние привода на процессы в механической части при удовлетворительном качестве переходных процессов в самом электроприводе.
— 9 —
Результаты диссертации рекомендуются к использованию организациями, разрабатывающими электроприводы механизмов, механическая часть которых представляет собой систему с распределенными параметрами, например, НМИЭлек-тропривод, НИИНефтемаш, а также предприятиям, занимающимся модернизацией электроприводов такого типа.
Практическая ценность и реализация полученных результатов состоит в следующих положениях.
Прогнозирующее устройство, работающее по предложенному алгоритму, обеспечивает существенное улучшение динамических характеристик работающих систем с распределенными параметрами за счет введения в них прогнозирования без перенастройки уже функционирующей системы в целом.
Разработана методика оптимальной последовательной настройки прогнозирующего устройства.
Разработанный регулятор нагрузки на долото с прогнозированием может использоваться при проектировании электроприводов подачи долота, в первую очередь, активного типа.
Используемый алгоритм прогнозирования позволяет использовать для его реализации практически любую элементную базу-Материал диссертационной работы изложен следующим образом.
В первой главе на основе анализа исследований последних лет дан сравнительный анализ систем управления, используемых в современных автоматизированных электроприводах, рассмотрены основные тенденции их построения. Показана перспективность прогнозирования поведения регулируемых координат в электроприводах механизмов с распределенными параметрами, особенно в том случае, когда через элемент с распределенными параметрами передается само воздействие электропривода на рабочий орган, как это имеет место, например, в электроприводе подачи долота, с помощью которого непосредственно ведется процесс бурения. Там же сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы, проблемы создания систем управления с прогнозированием для электроприводов механизмов с распределенными параметрами.
Вторая глава посвящена созданию цифровой модели электропривода, содержащего элементы с распределенными параметрами на примере модели электропривода подачи долота и исследованию на ПЭВМ динамических характеристик этой системы.
— 10 —
В третьей главе показаны возможности прогнозирующего устройства, включенного на входе регулятора нагрузки на долото для улучшения динамических показателей электропривода подачи долота — снижения перерегулирования по осевой нагрузке и увеличения быстродействия. Разработана методика последовательной оптимизации коэффициентов ПУ и приведены примеры ее применения.
В четвертой главе описываются принципы построения регулятора нагрузки на долото с прогнозированием, где используются тестовые возмущающие воздействия по каналам управления и возмущения с целью определения их параметров, и где оценивается величина возможной ошибки осевой нагрузки в последующие после вычислений моменты времени. Там же представлены алгоритмы функционирования регулятора с прогнозом ошибки при наличии ограничений, действующих на систему. Работоспособность данных алгоритмов анализируется с учетом возможных изменений параметров электромеханической системы.
В пятой главе рассмотрены вопросы аппаратной реализации прогнозирующего регулятора нагрузки на долото. Приводится функциональная схема микропроцессорного устройства для реализации предлагаемого принципа управления и алгоритмы программы управления электроприводом.
В заключении формируются основные выводы по диссертационной работе.
Апробация работы:
Работа прошла апробацию на заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института, на I Международной (XII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу в г.Санкт-Петербурге 26-28 сентября 1995 г. и на конференции "Leistungselektroniscke Aktoren und intelligente Bewegunssteuerungen" в "Otto-von-Guericke-Universitat", Магдебург, 1996 г.
_п _
Классификация и особенности систем с распределенными параметрами
Острая конкуренция и высокие темпы развития производства в мире приводят к росту требований и к системам автоматизированного электропривода, являющимся ныне неотъемлемой и органичной составной частью большинства технологических комплексов. Общепринятым стандартом стала поставка систем электропривода "под ключ", т.е. с высокой степенью заводской готовности и минимальной подналадкои на месте установки. Особое внимание уделяется эргономичности систем привода, обеспечению простоты настройки, управления и обслуживания, высокой надежности. Большинство электроприводов функционирует в условиях жестких ограничений на массогабаритные показатели, а при непрерывном росте цен на энергоресурсы — и на потребление электроэнергии. Большое значение имеет создание гибких систем, наделяющих систему электропривода принципиально новыми качественными возможностями при минимальных требуемых конструктивных изменениях в аппаратной части привода. Во многом именно поэтому обычной практикой стала ориентация при построении систем управления электроприводов на использование микропроцессорной техники. Микропроцессоры используются для обеспечения диагностики, отслеживания логических последовательностей, выполнения функций защит и блокировок. Заменяя тем самым в большинстве случаев элементы на жесткой логике и релейные элементы, они позволяют резко сократить габариты управляющих модулей и обеспечить высокую степень их унификации, сводя зачастую различия в системах управления приводами к различию в заложенных в них программных модулях. Достижение высокой точности, быстродействия, надежности и гибкости электропривода, возможность программно изменять его характеристики и выполняемые функции, не изменяя при этом элементной и схемной базы системы управления — всеми этими качествами наделен электропривод, имеющий в своем составе АСУ на базе микропроцессоров. Применение микропроцессоров позволяет усложнить алгоритм управления электроприводом и этим в определенной степени себя оправдывает, так как появляется возможность учесть ряд характерных особенностей управляемой системы и тем самым улучшить ее характеристики. Последнее обстоятельство позволяет по-новому взглянуть на возможности качественного улучшения управления электроприводом.
Большинство существующих замкнутых систем управления электроприводов строятся по факту наличия ошибки между задающим входным воздействием и действительным значением выходной координаты. Таких систем множество: к примеру, системы подчиненного регулирования, модального управления и т.п. Стремление повысить точность регулирования приводит к использованию принципов инвариантности с прямым или косвенным измерением возмущающих воздействий, методов активной или пассивной адаптации и т.д.
Главное в этих системах — их работа, интенсивность воздействия на исполнительный механизм — зависят от факта наличия и величины рассогласования и возмущения. В системе нет информации о ее поведении в предшествующие управлению моменты времени, хотя современный уровень вычислительной техники позволяет хранить и использовать данные о ее поведении системы не только в предыдущий момент времени, но и ретроспективные данные необходимой глубины. Конечно, нет необходимости хранить всю информацию о поведении системы за достаточно длинный промежуток времени, однако некоторая статистическая обработка такой информации может дать ценные сведения о вероятностных свойствах как системы, так и внешних воздействий, позволяя управлять объектом с большей точностью и меньшими затратами.
В определенном смысле системы автоматического управления электроприводов исчерпали свои потенциальные возможности, ибо стремление повысить точностные показатели при заданных величинах скорости и ускорения приводит к необходимости существенного увеличения коэффициентов усиления систем регулирования. Последнее обстоятельство требует введения соответствующих корректирующих устройств с целью сохранить на приемлемом уровне качественные показатели переходных процессов, а иногда и просто устойчивость работы электропривода, что в ряде случаев делает невозможным построение системы в целом из-за технической нереализуемости отдельных ее элементов. К тому же повышение динамических показателей, в частности, быстродействия, связано с увеличением установленной мощности исполнительных механизмов.
Вместе с тем существенное повышение эффективности работы электроприводов связано с принципами управления, использующими прогноз поведения системы с учетом возможных возмущающих воздействий, помех и т.п., носящих в общем случае случайный характер. Практически не реализуемые ранее по причине сложности алгоритмов, эти принципы в настоящее время активно исследуются и находят свое применение, главным образом, в позиционных электроприводах. В результате, например в следящих электроприводах, удается достичь существенного улучшения качества слежения в смысле снижения амплитуды ошибки слежения и увеличения темпа ее компенсации [1].
Надо заметить, что в тех работах, где прогнозирование поведения регулируемых координат успешно применялось для управления электроприводами с в общем случае стохастическим характером возмущающих воздействий, исследования проводились для электропривода с объектом управления, рассматриваемым как систему с сосредоточенными параметрами. Вместе с тем все реальные электромеханические системы содержат в том или ином виде распределенные параметры, то есть главные переменные в них связаны соотношениями или преобразованиями, зависящими как от времени, так и от локальных пространственных перемещений отдельных механических элементов. Автоматизированный электропривод представляет собой особый класс электромеханических систем, имеющих подсистемы с сосредоточенными и распределенными параметрами и взаимным влиянием этих подсистем друг на друга в процессе работы. Причем существуют объекты с превалирующим влиянием распределенных параметров, сведение которых при расчете электроприводов к системам с сосредоточенными параметрами, даже многомассовым, может привести к большим погрешностям, особенно в динамике.
Автоматизированные электроприводы с распределенными параметрами можно классифицировать по следующим признакам [9]: структуре механического элемента с распределенными параметрами, виду его упругих деформаций и виду граничных условий (рис.1.1).
В зависимости от структурных свойств элементы с распределенными параметрами можно разделить на три типа: стержневые, кольцевые и разветвленные, состоящие из нескольких элементарных звеньев.
Математическое описание талевой системы буровой лебедки
В качестве конкретного объекта исследования взят регулятор подачи долота (РПД), предназначенный для подачи к забою бурового инструмента — долота — как при роторном бурении, когда вместе с инструментом вращается вся колонна бурильных труб, так и при турбобурении, когда вращение инструмента обеспечивается турбобуром, расположенным в нижней части колонны, за счет давления раствора, создаваемого буровыми насосами. Возможен и случай бурения электробуром, когда долото вращается забойным электродвигателем.
Электропривод РПД непосредственно участвует в процессе бурения и, безусловно, относится к числу наиболее ответственных электроприводов, особенно при глубоком бурении. Поэтому исследование вопросов бурения с помощью РПД постоянно находится в сфере внимания специалистов.
Однако в первую очередь эти исследования направлены на совершенствование самой технологии бурения с помощью РПД в условиях как вертикального, так и горизонтального бурения. И здесь достигнуты немалые успехи.
В частности, специальным проектно-конструкторским бюро буровой автоматизации (СПКБ БА) предложено устройство автоматического поддержания заданной нагрузки на долото, повышающее точность ее поддержания при одновременном уменьшении интенсивности износа инструмента в результате формирования дополнительной зоны "точного" регулирования в допустимых пределах и осуществления автоматического поиска оптимальной скорости подачи инструмента [15]. Однако в данной работе речь идет, фактически, об автоматическом поиске оптимального сигнала задания на РПД, а вопросам точной отработки этого задания, ввиду специфики постановки задачи, внимания не уделяется. Интересный способ формирования задающего сигнала на РПД, применимый в условиях как вертикального, так и горизонтального бурения, предложен в [16]. Этот список можно продолжить... Но предлагаемые алгоритмы оптимизации оставались практически невостребованными ввиду сложности их реализации. В наше время активного использования и доступности микропроцессорной техники ситуация в корне изменилась. В [17] показано, что применение АСУ верхнего уровня на базе микропроцессорной технологии, учитывая богатый накопленный теоретический материал и практические алгоритмы, позволит существенно приблизить сигнал задания на осевую нагрузку на долото в РПД к технологически оптимальному. В наше время эта задача переходит в разряд практических.
Немалое внимание уделялось и совершенствованию самого электропривода РПД. Тут надо заметить, что при бурении скважин относительно небольшой глубины (порядка 3000 м) часто используются регуляторы подачи долота пассивного типа, в качестве которых выступают электромагнитные порошковые тормоза различных видов, механический тормоз или гидравлический привод и т.д. Более интересными для исследования в данной диссертации представляются регуляторы подачи долота активного действия, с помощью которых не только опускают, но и поднимают колонну бурильных труб (КБТ), используемые в основном для бурения глубоких скважин (свыше 3000 м), где вопрос учета распределенности параметров механической части стоит еще более остро,
Такие регуляторы строятся, как правило, на базе электропривода постоянного тока [18] и относятся к группе устройств наземного типа, т.е. их датчики и исполнительные механизмы находятся на поверхности. И поэтому совершенствование их силовой части было связано с совершенствованием преобразовательной техники — с переходом от магнитных усилителей и систем на базе генератор-двигатель в РПДЭ-6 к нереверсивному электроприводу в РПДЭ-7 [19] — и увеличением мощности привода.
Регулятор подачи долота вместе с буровой вышкой изображен на рис. 1.2. Как видно из рис., барабан лебедки 8, приводимый во вращение двигателем постоянного тока 11 через понижающий редуктор 10 и цепную передачу 9, связан с крюком 6, на котором подвешена КБТ 5 вместе с бурильным инструментом 1 через талевую систему с талевым канатом 4, смонтированную на буровой вышке 7. В нерабочем положении КБТ фиксируется с помощью квадрата 2. Сигнал с датчика веса 3, установленного на неподвижном конце талевого каната 4, обычно используется в системе управления 12 для организации обратной связи по нагрузке на долото.
РПД в составе комплекса электроприводов буровых установок глубокого бурения традиционно используется не только для подачи долота, но и как аварийный привод. Совмещение функций регулятора подачи и аварийного привода, рассчитанного на подъем КБТ максимальной массы с достаточной для предотвращения осложнений в стволе скважины скоростью, приводит к парадоксальной ситуации — параметры регулятора выбираются не по основному, а по аварийному режиму. Эти параметры обусловлены требованиями техники безопасности и определяются в техническом задании. Длительный режим использования регулятора при аварийном подъеме определяет равенство расчетной и установленной мощности привода.
Применительно к основному режиму предметами оптимального проектирования являются выбор способа формирования задающего сигнала при регулировании осевой нагрузки на долото и структура устройства для его осуществления.
Объектом регулирования РПД является буровой инструмент в соприкосновении с породой. Входной величиной для объекта регулирования является скорость подачи, а регулируемым параметром — нагрузка на долото или другая зависящая от нее величина (например, вес колонны).
В серийно выпускаемых регуляторах подачи долота использован способ автоматического поддержания нагрузки на долото путем формирования скорости подачи как величины, пропорциональной рассогласованию между текущим и заданным значением нагрузки. Функциональная схема РПДЭ приведена на рис. 1.3. Электродвигатель М питается от тиристорного преобразователя, управление которым осуществляется при помощи системы автоматического управления, построенной по принципу подчиненного регулирования параметров.
Включение прогнозирующего устройства на вход системы
Предполагается, что скоростная подсистема электропривода подачи долота оптимизирована тем или иным традиционным способом (в данном случае по принципу последовательной коррекции). Реорганизуется только контур регулирования выходной координаты. В [1] было показано, что при подаче на разомкнутую по положению следящую систему импульсов управляющего и возмущающего воздействий реакция системы полностью определяется амплитудой и длительностью поданного импульса. В случае, если данное положение подтвердится с приемлемой точностью для системы с распределенными параметрами, то представится возможность организовать прогнозирование по следующему основному принципу: на этапе проектирования и наладки системы на ее скоростную подсистему (или ее модель) подаются тестовые импульсы по каналам возмущения и управления, отслеживается переходный процесс на необходимую глубину и по этим данным организуется управление системой.
При исследовании электропривода подачи долота все основные возмущающие воздействия на долото, действующие на забое, можно охарактеризовать параметром Z (см. 2.5). Главным фактором возмущения, безусловно, является изменение твердости разбуриваемой породы, увеличение которой приводит к соответствующему увеличению Z. Как отмечалось в главе 2, на относительно малых интервалах бурения и коротких отрезках времени (но достаточно больших при исследовании динамических процессов) величина Z может считаться в среднем постоянной. При изменении твердости породы Z изменяется во времени, строго говоря, нелинейно (см. 2.5). Однако для простоты на данном этапе исследования предполагается, что изменение Z происходит скачком. Такое упрощение представляется правомочным, поскольку этот вариант более сложен для отработки электроприводом. Поскольку время прохождения слоя, как правило, явно превышает время переходных процессов в электроприводе с распределенными параметрами, то, анализируя изменение Z в среднем, можно считать, что реакция электропривода должна определяться только амплитудой возмущающего воздействия. При принятых допущениях справедливость этого положения вытекает непосредственно из (2.5) для случая, когда измерение осевой нагрузки производится на забое. Однако, поскольку в промышленных условиях обратная связь по нагрузке на долото обеспечивается косвенно, с помощью наземных датчиков, то проконтролируем выполнение сделанного выше предположения для этого случая.
Исследования проводились на цифровой модели электропривода подачи долота, описанной в главе 2. Переходные процессы по нагрузке на долото и ее ошибке, фиксируемой косвенно через ток нагрузки двигателя, показаны на рис.4.2. Предполагается, что долото приводится в соприкосновение с забоем при установившемся значении скорости подачи долота, определяемом заданием на скорость. В момент времени, соответствующий на графике t=10 с (момент соприкосновения долота с забоем), к разомкнутой по нагрузке на долото системе прикладывается возмущение по каналу нагрузки путем увеличения величины Z с Z=0 до Z Zj=2,5-J06 Н-с/м. На том же рисунке приведены аналогичные временные зависимости для амплитуд возмущающего воздействия, соответствующих Z=2-Zh Z=3-Zj и Z=Z0, при котором изменение нагрузки соответствует минимально значимой величине 1 тс. Поскольку скорость подачи долота практически не изменяется в установившемся режиме, то в данном случае примерно постоянна в статике и сила вязкого трения в системе. Отсюда ясно и рис.4.2 это подтверждает, что так как нагрузка на долото косвенно измеряется как разность тока нагрузки до и после соприкосновения долота с забоем, то возможные погрешности в выполнении соотношения SJ/SJ -Z3/Z, могут объясняться только статической ошибкой по скорости (при увеличении Z ток нагрузки двигателя снижается), величина которой обычно не превышает 5 %. Здесь 8}и 52 — конечные рассогласования осевой нагрузки при соответствующих изменениях Z.
Как видно из рис.4.2, кривая ошибка нагрузки на долото по форме близка к экспоненциальной. Апроксимируя эту кривую с помощью зависимости типа или каким-либо иным образом, в принципе можно в любой момент времени кТ, где Т — временная дискрета работы управляющего микропроцессорного устройства, a k=(0,l...n), вычислить с определенной точностью величину ошибки осевой нагрузки, используя пропорциональную зависимость между конечным рассогласованием 5т и приложенным возмущением. Постоянная Т0 в приведенном варианте апроксимации может быть определена проведением касательной к начальным участкам кривых на рис.4.2.
Учитывая характер основного возмущающего воздействия, ясно, что и компенсирующее его управляющее воздействие должно иметь длительный характер (собственно, его длительность не ограничена во времени). Опять-таки из (2.5) оче 0 40 T0 80 120 160 200 240 280 возмуіцающих воздействий различной амплитуды по каналу нагрузки видно, что при измерении осевой нагрузки на забое и принятых допущениях увеличение задания скорости с погрешностью, определяемой статической точностью регулирования по скорости, однозначно приводит к пропорциональному увеличению ошибки нагрузки на долото. Временная зависимость ошибки нагрузки на долото при двух значениях амплитуды управляющего воздействия в случае, когда обратная связь фиксируется по наземным параметрам, приведена на рис.4.3. В момент времени, соответствующий на графике t=10 с, долото приводится в соприкосновение с забоем, параметры которого характеризуются Z-Z}-5-l(f Н-с/м, при двух значениях задания на скорость 11ж] =5Ви U3c2 = 2-U3C}. Как видно из рисунка, наблюдается некоторое нарушение пропорциональности, связанное прежде всего с тем, что изменение скорости подачи долота приводит к соответствующему изменению сил вязкого трения в механической части системы. Ясно, что если определение веса колонны по току нагрузки до соприкосновения долота с забоем происходило при скорости подачи долота, равной v}, а вследствие увеличения управляющего воздействия скорость стала равной v3 v;, то ошибка осевой нагрузки увеличится более ожидаемого значения на величину 8в.т., пропорциональную h-(v2 - vj), где h — коэффициент эквивалентного вязкого (прежде всего жидкостного) трения. При снижении скорости за счет уменьшения управляющего воздействия (v2 vj) силы вязкого трения приведут к дополнительному снижению ошибки осевой нагрузки. В результате в первом случае нагрузка на долото изменится больше, чем требуется для компенсации возмущения, а во втором случае — меньше. Причем первый вариант предпочтительнее, так как иначе при каждом увеличении твердости породы в процессе бурения нагрузка на долото всегда будет оказываться несколько более требуемой.
Отсюда ясно, что безопаснее определять вес колонны до соприкосновения бурильного инструмента с забоем при как можно меньшей скорости ее движения. В этом случае в процессе бурения амплитуду управляющего воздействия для увеличения точности потребуется корректировать с помощью коэффициента к 1, учитывающего влияние сил вязкого трения. Однако, как правило, измерение веса колонны производится каждый раз при наращивании очередной свечи. Если при этом скорость движения колонны бурильных труб в процессе измерения веса колонны выбирать близкой к ожидаемой скорости проходки (т.е. уменьшать ее с увеличением глубины скважины), то влияние сил вязкого трения на точность регулирования осевой нагрузки будет значительно снижено.
Исходные принципы, положенные в основу работы прогнозирующего регулятора
Осевая нагрузка на долото является разностью между полным весом колонны до соприкосновения с забоем и усилием на крюке. Поэтому для определения текущего значения осевой нагрузки вычитают текущее значение тока нагрузки, вычисленное подпрограммой "Определение статического тока", из зафиксированного значения тока нагрузки, пропорционального полному весу колонны бурильных труб до соприкосновения с забоем (см. рис.5.2). Далее электропривод подачи долота тестируется с помощью подпрограммы тестирования электропривода подачи долота (ПТЭП), заложенной в микропроцессорное устройство 4 и показанной на рис.5.4, для определения коэффициентов, используемых для вычисления управляющего воздействия в подпрограмме регулирования осевой нагрузке на долото (алгоритм вычисления управляющего воздействия приведен на рис.4.9). Тестирование электропривода регулятора подачи долота производится периодически при каждом увеличении разбуриваемой скважины на заданную глубину.
При касании долотом забоя, равно как и при увеличении твердости разбуриваемой породы, вес на крюке начнет уменьшаться, а нагрузка на долото - увеличиваться. В этом случае число оборотов двигателя при подаче уменьшается до тех пор, пока нагрузка на долото не достигнет значения, близкого к заданному; установится режим бурения, при котором скорость подачи долота равна скорости бурения. Это достигается тем, что ошибка по осевой нагрузке, вычисленная как сумма текущего значения нагрузки на долото с преобразованным в цифровую форму и инвертированным сигналом задания, при увеличении нагрузки будет положительна. В соответствии с этой ошибкой подпрограмма регулирования осевой нагрузки на долото (см. рис.5.2) по описанному ниже алгоритму (рис.4.9) вырабатывает управляющее воздействие.
Это управляющее воздействие за вычетом сигнала обратной связи по числу оборотов двигателя, измеренного датчиком 3 скорости и преобразованного в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного устройства 4, определяет сигнал ошибки по скорости подачи (т.е. при спуске) колонны бурильных труб. При превышении нагрузкой на долото заданного значения этот сигнал будет положительным, а равновесие будет достигнуто в том случае, когда изменяющийся сигнал на выходе датчика 3 скорости совпадет со значением сигнала скорости, заданного подпрограммой регулирования осевой нагрузки на долото. Вычисленная ошибка отрабатывается подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя (ГТРЧОД), показанной на рис.5.2 и вложенной в показанную на том же рисунке подпрограмму регулирования скоростной подсистемы (ПРСП). Управляющее воздействие, вырабатываемое подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя, вычисляется при использовании пропорционального (П) алгоритма регулирования.
При изменении тока (или момента) двигателя изменяется сигнал на выходе датчика 2 тока. Измеренное датчиком 2 тока и преобразованное в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микропроцессорного устройства 4, текущее значение тока (или момента) двигателя, будучи вычтенным из управляющего воздействия, вырабатываемого подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя (см. рис.5.2), дает величину ошибки по току, которая при превышении нагрузкой на долото заданного значения будет положительна, а в установившемся состоянии электромеханической системы равна нулю. В соответствии с этой ошибкой подпрограмма регулирования тока (или момента) двигателя (ПРТД), показанная на рис.5.2, по ПИ-закону управления вычисляет управляющее воздействие, которое, после выдачи его в порт ввода-вывода микропроцессорного устройства 4 и преобразования в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя выдается на вход преобразователя.
Поскольку при превышении нагрузкой на долото заданного значения управляющее воздействие, подаваемое с выхода микропроцессорного устройства 4 на вход преобразователя, имеет положительный знак, то оно приводит к увеличению момента двигателя и, соответственно, к подтормаживанию опускаемой колонны (снижению скорости спуска колонны бурильных труб). Если имеет место резкое увеличение твердости разбуриваемой породы, то момент двигателя может даже превысить момент нагрузки, определяемый в значительной степени весом колонны, что приведет к кратковременному приподъему долота, предотвращающему чрезмерное увеличение нагрузки на долото.
При попадании долота из твердой породы в более мягкую в первый момент времени нагрузка на долото несколько уменьшается, и под воздействием управляющего воздействия с микропроцессорного устройства 4 возрастет скорость подачи долота до такого значения, при котором установится режим бурения с большей скоростью при нагрузке на долото, близкой к заданной, что и будет обеспечено изменением знаков ошибок, отрабатываемых подпрограммой регулирования осевой нагрузки на долото, подпрограммой регулирования числа оборотов двигателя и подпрограммой регулирования тока двигателя.
Как уже отмечалось, вес колонны бурильных труб определяется подпрограммой "Определение статического тока" (см. рис.5.3), которая работает по следующему алгоритму. Используется тот факт, что вес колонны достаточно точно соответствует натяжению ходовой ветви талевого каната, пропорциональному статическому току (моменту) двигателя. Поскольку сигналы текущего значения тока и скорости двигателя, измеренные датчиком 2 тока и датчиком 3 скорости (сигнал скорости может быть вычислен и через датчик ЭДС) и преобразованные в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, могут содержать помехи, то они обрабатываются в микропроцессорном устройстве 4 по одному из алгоритмов цифровой фильтрации [28] или сглаживаются [29]. С этой целью возможна также установка RC-фильтра на выходах датчиков тока и скорости. Полученный при дифференцировании скорости сигнал умножается на коэффициент, пропорциональный моменту инерции двигателя. Вычисленное значение динамического тока вычитается из текущего значения тока и таким образом определяется статический ток двигателя, соответствующий текущему весу колонны на крюке.
Тестирование электропривода подачи долота выполняется в соответствии с заложенной в микропроцессорное устройство 4 подпрограммой тестирования электропривода подачи долота согласно алгоритму, приведенному на рис.5.4, следующим образом. После растормаживания колонна бурильных труб движется к забою с заданной скоростью, определяемой в микропроцессорном устройстве 4, что обеспечивается выполнением подпрограммы регулирования скоростной подсистемы (ПРСП на рис.5.2). При этом заданное значение нагрузки на долото принимается равным нулю. При соприкосновении долота с забоем появляется нагрузка на долото, которая должна иметь безопасное для долота значение из-за малой скорости подачи. Соприкосновение долота с забоем фиксируют по факту превышения нагрузкой на долото, определенной по алгоритму на рис.5.2 (подпрограмма регулирования осевой нагрузки на долото), нулевого значения. Далее отслеживают кривую переходного процесса ошибки по нагрузке на долото, для чего запоминают в микропроцессорном устройстве 4 первоначально обнаруженное ненулевое значение ошибки 50 по нагрузке на долото и выполняют подпрограмму определения конечного рассогласования по нагрузке на долото. Вычисляется коэффициент Ав, равный отношению конечного рассогласования к величине ошибки 50.
