автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка систем управления с прогнозированием для электроприводов механизмов с распределенными параметрами

РГб од

На правах рукописи

ИШХАНОВ ПАВЕЛ ЭДУАРДОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ПРОГНОЗИРОВАНИЕМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕХАНИЗМОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1996

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированного электропривода" Московского »icpi сшчсско! о института (технического ymmepciiieia)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Алферов В.Г.

Официальные оппоненты— доктор технических наук,

||ро(|н.чч.'ор ()нн1цемко I .1». кандидат технических наук, доцен т Шспмрсв IO.B.

Ведущая opi анизация 111 III ВПИПЭМ им. Поснфьяна

Защита состоится 19% г. в |(? часов ООминут в аудитории М-214

на заседании диссертационного Совета К 053.16.04 при Московском энергетическом институте (технического университете).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, чавереппый печатью, просим направлять по адресу: II1250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан " (5" 03_ 19% г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 053.16.04

кандидат технических наук, доцент Апчарова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А ктуальность темы:

Нольшинство существующих замкнутых систем управления электроприводов строятся по факту наличия ошибки между задающим входным воздействием и действительным значением выходной координаты. Отработка ошибки выходной координаты в таких системах возможна только после появления этой ошибки. При возникновении ошибки инерционность системы снижает ее до требуемого уровня лишь по истечении определенного промежутка времени.

Имея возможность прогнозировать поведение регулируемых координат на базе собранной тем или иным путем статистической информации о возмущающих воздействиях, представляется возможным предупредить появление ошибки путем се прогнозирования и введением обратной связи по прогнозу ошибки. Ото даст системе возможность приступить к отработке не текущего значения ошибки, а ее предсказанного значения.

Последнее обстоятельство приобретает особое значение при построении систем управления электроприводов с распределенными параметрами, где процессы в механическом звене электропривода имеют ярко выраженный волновой характер. Так, скорость распространения упругих волн в бурильных трубах составляет 1000 - 5000 м/с, причем в настоящее время длина разбуриваемых скважин может достигать 15 км. Л в том случае, если воздействие на буровой инструмент передастся через колонну бурильных труб, как, например, это имеет место в электроприводе подачи долота, то привод не только с запаздыванием воспринимает информацию об изменении нагрузки на буровой инструмент, но и воздействует на него через конечное время прохождения сигнала по трубе. Причем время такого запаздывания сравнимо, а чаще превышает время переходных процессов в самом электроприводе. В этих условиях управление с прогнозированием поведения регулируемых координат позволяет скомпенсировать эту неизбежную физическую инерционность в работе электропривода.

Поролоразрушаюший инструмент — долото — в процессе бурения испытывает значительные механические перег рузки и довольно быстро изнашивается. Необходимость частой смены долота и выполнения соответствующих спуско-подъемных операций серьезно снижает производительность буровых операций. Отмстим, чго, работая в твердых слоях, при дополнительном увеличении твердости разбуриваемой породы и, следовательно, динамическом возрастании нагрузки на долото, поролоразрушаюший инструмент не только сам испытывает перегрузки, но и передавливает разбуриваемую породу, что отрицательно сказывается на эффективности бурения. Чем с меньшей перегрузкой работает долото, тем менее интенсивно оно изпашивастся. Поэтому снижение динамических нагрузок и увеличение числа отрезков времени, при которьгх долото работает с заданной нагрузкой (предполагается, чго технологически оптимальной), неминуемо приведет к увеличению проходки.

В данной диссертационной работе на примере электропривода подачи дото-та, где решались задачи снижения динамических мафуюк в процессе бурения на бурильный инструмент и элементы конструкции и соответственно оптимизации переходных процессов по перерегулированию и быстродействию, рассмотрены вопросы прогнозирования координат в сложных электромеханических системах с распределенными параметрами. В электроприводах регуляторов полачн долота данное требование связано со снижением износостойкости долота и, соответственно, увеличением проходки на долото, продлением срока службы элементов конструкции колонны бурильных труб, повышением надежности эксплуатации таких систем и производительности буровых работ. Все вышесказанное акзуально как для вновь проектируемых электроприводов, так и для модернизируемых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с государственной про-|раммой фундаментальных исследований в технических университетах "Управление в технических системах" по проекту "Прогнозирование в системах управления электроприводов механизмов с сосредоточенными и распределенными параметрами".

Цель работы:

На основе сигнала ошибки в предшествующие управлению моменты времени обеспечить прогнозирование развития 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 невошожен без учета волновых свойств механической части и дополнительная инерционность вносится из-за конечного времени прохождения сигнала по распределенной системе, сравнимого со временем переходных процессов в самом элект роприводе.

Применительно к регулятору подачи долота (РИД), выбранному в качестве конкретног о объекта исследования, целью ставится улучшение качества управления РИД за счет формирования динамических характеристик привода, обеспечивающих оптимальные условия отработки породоразрушаюшего инструмента в смысле снижения динамической ошибки регулирования и увеличения быстродействия системы.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработка математической модели элек тропривода подачи долота как системы с распределенными параметрами.

2. Определение возможности прогнозирования ошибки отработки заданною усилия на долото в исследуемой сис теме.

3. Разработка математического аппарата такого прогнозирования и возможности его реализации.

4. Построение прогнозирующего устройства, подключаемого к традиционным пуз ем оптимизированной сист еме.

5.11остроение прогнозирующего регулятора осевой нагрузки на долото.

6. Синтез системы регулирования электроприводом подачи долота с прогнозирующим регулятором нагрузки на долото.

7. Проверка работоспособности системы управления с таким регулятром при изменении параметров электромеханической системы.

Методы и средства вьто-1нснияис$лш)вадий;

Создана модель системы электропривода подачи долота, учитывающая особенности механического элемента с распределенными параметрами и условия па забое. На первом этапе на этой модели исследовалось прогнозирующее устройство, включаемое в систему в качестве дополнительного. На втором этапе регулятор нагрузки на долото был заменен на прогнозирующий регулятор с сохранением настроек остальных узлов системы управления. Исследовались свойства и характеристики полученных систем в сравнении с ранее используемыми.

Научная новизна;

1. 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 по весу.

2. Исследовано влияние управляющих и возмущающих тестовых импульсов определенной амплитуды на ошибку системы регулирования.

3. Определена форма импульса, компенсирующего влияние возмущений при удовлетворительном качестве переходного процесса по регулируемой координате и соблюдении технологических офаничений.

4. Разработан прогнозирующий регулятор веса, включенный на входе скоростной подсистемы регулирования электропривода с целью снижения динамической ошибки и увеличения быстродействия.

5. Показана эффективность работы прогнозирующего регулятора нагрузки на долото при действующих ограничениях координат электропривода.

6. Исследовано влияние изменения параметров как самого регулятора, так и механической системы на качество регулирования выходной координаты в электроприводе с прогнозирующим ре!"улятором; 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.

7. 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 повысил. влияние электропривода на процессы в механической части.

Новизна научных результатов определяется тем, чю впершие в практике примсиения электроприводов с распределенным характером механической части проведено исследование поведения vhcicmi.i при наличии прогноза поведения ошибки.

11ра(аичсс(сйяце1ш0сгь:

1. Ilpoi позирующее устройство с предложенным алгоритмом позволят вводить прогнозирование в работающие системы для повышения качества регулирования без перенастройки систем и можег быть использовано для их модернизации; приводится методика последовательной оптимальной настройки прогнозирующею устройства.

2. Разработанный прогнозирующий регулятор нагрузки на долото может использоваться при проектировании электроприводов, содержащих механические элементы с распределенными параметрами; применение такого регулятора в электроприводе подачи долота, и в первую очередь с регуляторами подачи активного типа при бурении глубоких скважин, потоляег снизить динамические на!рузки на узлы колонны бурильных труб и породоразрушающий инструмент, продлевая срок их службы, повышая безопасность и производительность буровых работ.

3. Предлагаемый алгоритм прогнозирования позволяет использовать для его реализации практически любую вычислительную технику в качестве элементной базы.

4. По результатам исследований предложены способ регулирования нагрузки на долото в электроприводе подачи долота и устройство для его реализации; на последнее получено патентное свидетельство Российской Федерации на полезную модель № 96108353/20 (014447).

Результаты диссертации рекомендуются к использованию организациями, разрабатывающими электроприводы механизмов, механическая часть которых представляет собой систему с распределенными параметрами (или не может быть сведена к эквивалентной схеме с сосредоточенными параметрами), прежде всего электроприводы для бурения глубоких скважин, приводы штанговых насосов, конвейеров, транспортеров, например НИИЭлектропривод, ПИИНефтемаш, а также предприятиям, занимающимся модернизацией электроприводов такого типа.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры Автоматизированного электропривода МОИ, на 1 Международной (XII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу в г.Санкт-Пстербурге 26-28 сентября 1995 г. и на конференции "[,eislungseleklroniscke Aktoren und intelligente Hcwegunssteuerungcn" в "Otto-von-(ïuerieke-TJnivcrsital", Магдебург, 1996 г.

Публикации:

Но основным положениям и результатам работы опубликованы пять печатных работ, из которых зри статьи и два доклада на конференциях.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 30 наименований, приложений и содержит страниц машинописного текста, рисунков, 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко изложено содержание работы, приведены выносимые на защиту положения, показаны научная новизна полученных результатов и их практическая ценность.

В первой главе дан сравнительный анализ систем управления, используемых в современных автоматизированных электроприводах.

Таких систем множество: к примеру, системы подчиненного регулирования, модальною упраилении и г.п. Стремление пошлеть точность регулиропшшм приводит к использованию принципов инвариантности с прямым или косвенным измерением возмущающих воздействий, методов активной или пассивной адаптации и т.д.

Славное 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 поведении системы не только в предыдущий момент времени, но и ретроспективные данные необходимой глубины.

Вместе с тем существенное повышение эффективности работы электроприводов связано с принципами управлении, использующими прогноз поведения системы с учетом возможных возмущающих воздействий, помех и т.п., носящих в общем случае случайный характер, что позволяет управлять объектом с большей точностью и меньшими затратами.

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 обз.ектом 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.

В 'электроприводе нашли наиболее широкое распространение элементы с распределенными параметрами стержневого типа. Сюда относятся в первую очередь приводы нефтяной промышленности: привод в бурении, привод глубоконасосных установок, привод насосов для перекачки нефти и воды на большие расстояния. В буровом приводе звеном с распределенными параметрами является колонна бурильных труб (КБТ). в приводе глубоконасосных установок штанги, в приводе насосов дня перекачки нефти и воды жидкость.

Процессы в механической части таких электроприводов носят волновой характер. В соответствии со скоростью перемещения волны но времени и в пространстве при значительной длине стержневого элемента имеет место запаздывание в передаче сигнала от одного конца стержня к другому. Последнее имеет особое значение в том случае, когда через элемент с распределенными параметрами такого типа передается само воздействие электропривода на рабочий орган, как это имеет место, например, в электроприводе подачи долота ОПД). с помощью которого непосредственно ведется процесс бурения. Поэтому именно ")ПД взят в дальнейшем в качестве конкретного объекта исследования.

Имея возможность прогнозировать поведение регулируемых координат на базе собранной тем или иным нуюм статистической информации о возмущающих воздействиях, представляется возможным предупредит!, появление ошибки путем ее прог нозирования и введением обратной связи по прогнозу ошибки. г>то даст системе возможность приступить к отработке не текущею значения ошибки, а ее предсказанного значения.

Учитывая все вышеописанное и отмечая специфику объекта управления ЭПД, содержащего элементы с распределенными параметрами, представляется целесообразным использование принципа прогнозирования регулируемых координат при построении системы управления ОПД. Контроль сигнала ошибки между заданием и сигналом обратной связи в течение ряда тактов позволяет отследить направление и темп изменения прогнозируемой координаты (непосредственно измеряемой или косвенно оцениваемой осевой нагрузки на долото) при изменении твердости породы и заставить привод после приложения или снижения нагрузки с некоторым опережением реагировать на развитие процесса.

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.

В наземных устройствах подачи долота для регулирования осевой нагрузки /', при заданной длине бурильной колонны / и ее весе 2 воздействуют па перемещение верхнею конца бурильной колонны. Нижний конец бурильной колонны опускается со скоростью V/. равной механической скорости бурения. В большинстве случаев

на относительно малых интервалах бурения однородной породы (твердой или средней твердости) и коротких отрезках времени можно считать, что

Р,

V, . - ^ (»,

где X зависит от свойств разбуриваемой породы, типа долота и скорости его вращения, количества и качества промывочной жидкости.

В установившемся режиме бурения скорость подачи верхнего конца \0 равна механической скорости бурения: \0 = у,. Скорость верхнего конца колонны 17, может изменяться в широких пределах по величине, а в переходных процессах может даже изменять знак на обратный. Именно путем изменения \'0 величина Р, поддерживается неизменной в различных условиях бурения.

Дано математическое описание системы управления и элементов механической части: талевой системы и КБТ. Особенностью математического описания КБТ как элемента с распределенными параметрами является то, что процессы в ней описываются дифференциальными уравнениями в частных производных гиперболического типа. Поскольку остальная часть электропривода математически моделируется с помощью системы обычных дифференциальных уравнений, то приводится методика, используемая для совместного решения указанных уравнений.

При математическом описании КБТ как элемента с распределенными параметрами принимается ряд допущений: I) колЛнна бурильных труб рассматривается как прямолинейный стержень круглог о сечения, который характеризуется зависящими от пространственной координаты значениями диаметра, момента инерции, массы, упругости и т.д.; 2) считается, что скважина заполнена раствором и жидкостное трение подчиняется закону вязкого трения первого рода, т.е. сила трения пропорциональна скорости; 3) принимается упрощенная модель забоя, в которой взаимодействие долота с породой определяется коэффициентом Z.

Определена передаточная функция системы электропривода вместе с механической частью, позволяющая анализировать влияние различных входных воздействий, в том числе распределенного характера, на основании которой строится цифровая модель привода.

В автоматическом режиме управление электроприводом организуется с помощью внешнего контура регулирования нагрузки на долото (контуры скорости и тока оптимизированы по модульному оптимуму), где основную функциональную нагрузку несет регулятор нагрузки на долото (РИД).

С помощью созданной цифровой модели исследовались динамические характеристики регулятора подачи долог и РПДЭ-8 в составе буровой установки БУ-6500ЭР (двиг атель 90 кВт) при рекомендованных разработчиками параметрах ПИ-рег улятора нагрузки на долото. Анализ переходных процессов в электромеханической системе показывает, что как при приложении управляющего воздействия, так и при отработке возмущения по каналу нагрузки переходные процессы в механической части носят колебательный характер, ггричем переходной процесс по осевой нагрузке на долото характеризуется значительной динамической ошибкой и

длительной ее компенсацией, что нежелательно. Покатано, что снижение динамической нагрузки на долото и увеличение темпа се компенсации не может быть достигнуто в рамках традиционно используемой структуры управления за счет форсирования процессов, так как серьезная разница в постоянных времени электромагнитного и механического звеньев электропривода в данной системе при действующих ограничениях по величине и темпу изменения координат приводит к ситуации, когда форсирование переходных процессов в электроприводе не приводит к существенному улучшению динамических показателей по регулируемому параметру, зато заметно ухудшает качество электромагнитных переходных процессов.

В третьей главе исследовались вопросы эффективност и введения прогнозирования в рассматриваемой системе, для чего на вход регулятора осевой нагрузки подключалось прогнозирующее устройство (НУ) (рис. I) с алгоритмом, приведенном на рис. 2.

Анализ работы ПУ с таким алгоритмом в условиях действующих о1раничс-ний в инерционной электромеханической системе показал, что регулирование происходит со значительной статической ошибкой, при этом система неадекватно реагирует на характерные воздействия по каналу нагрузки и по каналу управления. Поэтому в предлагаемом алг оритме производится коррекция относительно не только темпа изменения, но и величины реальной ошибки (введенные блоки помечены пунктиром). Задается значение допустимой ошибки 5Д„„. В случае, если ошибка не превышает допустимую, выходная координата ПУ приравнивается 0. Исследования показали, что дополнительный эффект можно получить при более г ибкой коррекции темпа изменения выходного сигнала ПУ в зависимости от абсолютной величины ошибки регулируемой координаты. Гак. если выясняется, что согласование не наступит через N дискретных интеркалов, то проверяется, во сколько раз ошибка превышает допустимую и если эта величина больше варьируемого коэффициента к/. го коэффициент а уменьшается в Ь раз. а если меньше, то теми снижения сигнала на выходе ПУ. наоборот, увеличивается в к.2 раз. Коэффициенты N. а, Ь. к! и к2 с учетом допустимой статической ошибки 8л,ш могут варьироваться для получения оптимальных характеристик с точки зрения качественных и количественных показателей, как, например, быстродействие, точность и т.п. Далее полученное приращение сигнала прибавляется или вычитается из значения выходной величины ПУ, вычисленного в предыдущий момент времени, в зависимости от знака ошибки на данном интервале.

Исследовано влияние каждого из варьируемых коэффициентов па характер переходных процессов в электроприводе. Установлено, что можно подобрать "нейтральные" значения коэффициентов ПУ. нриннипиалыю не способных ухудшить динамические показатели настроенной традиционными способами системы электропривода, что позволяет дальнейшую настройку параметров ПУ для оптимизации тех или иных динамических показателей системы производить как на модели электропривода, так и на реально действующем объекте. В данной главе при-

-и-

Рис. 1. Структурная схема электропривода подачи долота с прогнозирующим устройством и прогнозирующим регулятором осевой нагрузки

водится методика последовательной оптимизации коэффициентов НУ и примеры ее применения как при гладкой изначально обеспечиваемой градационным регулятором кривой ошибки регулируемой координаты. так и при колебательном характере переходных процессов. Для исследуемой системы наилучшие результаты достигнуты при следующих параметрах Г1У: а=9. b-3. kl=10. к2=2. N=1 при 6,,,», = Ю-5 В (при таком значении б,,,», ошибка осевой нафузки не превышает 0,5 тс). Моделировались переходные процессы в электроприводе с 11V в сравнении с аналогичными II ipiuiiiiiHoniioii системе при приложении нагрузки и увеличении скачком задания на осевую нагрузку. 1>ьшо замечено, что более интенсивное воздействие электропривода на объект управления в системе с ПУ позволяет практически вдвое сократить длительность переходных процессов и примерно во столько же раз снизить величину динамической ошибки. Отмечено, чго одновременно со снижением динамической нагрузки на долото снижаются и нагрузки во всех узлах КЫ . Вместе с тем система управления в принципе способна обеспечить регулирование координат шекгропрпиода с дос га г очно высоком ст атичсскон точное! 1.10.

В четвертой главе описывается РИД с использованием принципов прогнозирования. Па систему подается известное возмущение, отслеживается ее реакция и на основе этих данных прогнозируется поведение ошибки рег улируемой координаты н дальнейшем.

Исследования проводились на цифровой модели электропривода подачи долота (рис.1). При исследовании ЭПД основные возмущающие воздействия на долото, действующие на забое, характеризуются параметром /.. Главным фактором возмущения является изменение твердости разбуриваемой породы, увеличение которой приводит к соответствующему увеличению 7.. Па относительно малых интервалах бурения и коротких отрезках времени (по достаточно больших при исследовании динамических процессов) величина Z может считаться в среднем постоянной. Предполагается, что изменение./ происходит скачком. 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 разомкнутого по осевой нагрузке электропривода при подаче на него управляющих и возмущающих воздействий должна определяться только амплитудами этих воздействий. Действительно, как показали исследования, конечные рассогласования осевой нагрузки в среднем пропорциональны амплитудам приложенных импульсов.

В идеальном случае, подавая на систему по одному из каналов воздействие определенной амплитуды, можно, несмотря гга сложную электромеханическую зависимость между переменными, с достаточной точностью предсказать повеление выходной координаты гга протяжении переходного процесса, а по значению этой координаты в любой известный момент времени - восстановить весь переходной процесс и амплитуду вызвавшег о его воздействия. Для этого необходимо один раз снять отклик системы на тестовое воздействие и рассчитать коэффициенты пропорциональности в нужных точках. В частности, измерив величины рассогласопп-

ннй в моменты времени кТ и рассчитав коэффициенты пропорциональности между величинами рассогласования, можно по величине ошибки в некоторый момент времени после приложения тестового воздействия рассчитать величину ошибки в конце переходного процесса.

{'хти теперь на систему, находящуюся в установившемся режиме, подать возмущающее воздействие неизвестной амплитуды, снять величину рассогласования регулируемой координаты в момент его обнаружения, рассчитать по ней величину ошибки в конце переходного процесса, то по величине этой ошибки можно определить величину управляющего воздействия на входе скоростной подсистемы, которое приведет систему к такому же рассогласованию, но с обратным знаком.

Описанное свойство системы используется при построении прогнозирующего регулятора. Долото приводится в соприкосновение с забоем при некоторой величине '/.¡, определяемой параметрами забоя, и со скоростью, определяемой заданием на скорость подачи долота 1!х,. Вели обратная связь по нагрузке на долото обсс-печиваегся путем измерения нагрузки на долото непосредственно на забое, го ошибка осевой нагрузки, вызванная этим возмущением, будет зафиксирована системой управления в очередной дискретный интервал времени. Однако в случае, когда обратная связь организуется косвенно, по наземным параметрам, ошибка будет зафиксирована с задержкой, связанной с прохождением возмущения по КВТ и определяемой как параметрами колонны, так и ее длиной. Так. при длине колонны 4500 м эта задержка составляет примерно 0.75 с. Поэтому с некоторым запасом ошибку осевой нагрузки 5о в некоторый момент времени кТ(Т -- временная дискрета работы регулятора), по которой система регулирования оценивает величину конечного рассогласования, при моделировании предлагается фиксировать через I с после приложения возмущения. Снимается переходный процесс по натрузке на долото при приложении возмущения. Вычисляется коэффициент Лв. равный отношению конечного рассогласования 8,,,,, к величине ошибки &>:

(2)

о

Устанавливая задание на осевую нагрузку равным величине конечного рассогласования в результате действия возмущающего воздействия, искусственно приравниваем ошибку нагрузки на долото нулю. Полаем на систему единичное управляющее воздействие. Нысчи тываегся коэффициент Лу, равный амплитуда управляющего воздействия к величине вызванного им конечного рассогласования на1рузки на долото:

(3)

Таким образом, если в момент времени кТ будет обнаружена ошибка, то через интервал дискретности, с которым работает регулятор, по се величине с помощью суммарного коэффициента пропорциональности М=АуЛп может быть рассчитано управляющее воздействие, требуемое для компенсации приложенною возмущения: ли,,. = М■ 5о. Именно на эту величину изменяется сигнал задания на

скорость двигателя. обеспечивая регулирование осевой liai ру чки. Понятно, что вычисленное управляющее воздействие должно быть подано на скоростную подсистему срачу же после его определения, т .е. в момент A (T+J).

В системе с распределенными параметрами с учетом технологических oipa-ни'Kinlit управляющее воздействие, вырабатываемое прогнозирующим регулятором. должно характеризоваться не только амплитудой, длительностью и временем его подачи, но и иметь определенную форму. Анализировались различные формы управляющего воздействия: линейная, экспоненциальная, параболическая вида а-х' + h с а<! и а>1. Показано, что изменяя форму последнего, можно серьезно снинпь колебательность в системе и обеспечить практически гладкую кривую ошибки нагрузки на долото. Наилучшие результаты имеют место при линейном и параболическом с а < I изменения управляющего воздействия. К достоинствам первого можно отнести постоянство ускорении и простоту реализации. Па рис.3 приведены переходные процессы ошибки нагрузки ни долото при линейном чаконе изменения во времени управляющего воздействия, й. В 0.0010-г,

0.0005-

Ошибка нагрузки на долото

0.0000 •

-0.0005-

III min

11 II 111111111111111

t,c

1111111111111111111

0 1 2 3 4 5

Рис.3. Переходный процесс ошибки осевой нагрузки при линейном изменении управляющего воздействия

Очевидно, что когда п ответ на возмущение вырабатывается и подается в скоростную подсистему в момент времени к'Г (в нашем случае это время соответствует примерно I с после приложения возмущения) компенсирующее его влияние управляющее воздействие, то переходные процессы от двух воздействии противоположной направленное!и наложатея друз па друз а, и окончательное рассогласование в системе станет близким к 0. Тем не менее, поскольку управляющее воздействие запаздывает относительно возмущения, отклонение все же будет иметь место, что видно на рис.З. Причем величина отклонения в каждый момент времени А+| в связи с вышеупомянутыми свойствами системы находится в определенной зависимости от величины ошибки й[к) в момент времени к. Переходный процесс, изображенный на рис.З. позволяет предварительно до начала регулирования получим, необходимые статистические сведения о поведении выходной координаты в процессе регулирования но используемому закону. Ошибка и каждый момеш

времени к+1 (тс /=/...,/V) сравнивасгся с Щк] и вычисляется соответствующий коэффициент пропорциональности 1Щ):

Теоретически очевидно, что с чем меньшим интервалом будут фиксироват ься значения коэффициентов В(7Л тем лучшего качества динамические процессы сможет обеспечить система управления.

Определить точную зависимость конечного рассогласования от величины ошибки в момент времени к затруднительно, поскольку, во-первых, она достаточно сложна и потребует дополнительных ресурсов вычислительного устройства, во-вторых, кривые ошибки осевой наг рузки при различных амплитудах возмущения в начале переходного процесса достаточно близки. Поэтому при вычислении конечного рассогласования с помощью пост оянного коэффициента Л„ определяемая амплитуда управляющего воздействия может отличаться от требуемой. Показано, что некоторые отклонения в реакции системы могут быть связаны с влиянием начальных условий, возможны погрешности вследствие неточности определения коэффициентов. Однако, как показывают дальнейшие исследования, в каждый момент времени кН эти отклонения будут восприниматься системой как дополнительные возмущения и корректироваться соответствующим образом.

Рассмотренный на рис. 3 переходный процесс принимается в качестве эталонного и по нему строится регулирование нагрузки на долото по алгоритму, приведенному на рис. 4.

Значения сишала задания скорости 1'«, амплитуды и™м управляющег о воздействия, счетчика N„0 дискретных интервалов времени и счетчика I точек, в которых вводится коррекция в ход переходных процессов, при этом количество точек регулирования равно N. инициализируются до начала процесса регулирования следующим образом: и,с =0, и1К„ =0, 1=1, 1ЧК=0, МЛС=Т„»/ЛТ, где Тим - время линейного нарастания сигнала задания на скорость на величину вычисленной амплитуды управляющего воздействия; ЛТ - дискретность во времени, с которой работает микропроцессорное устройство.

При соответствии счетчика Ы,к дискретных интервалов времени и счетчика 1 точек коррекции инициализированным значениям и наличии ошибки по нагрузке па долото, превышающей заданную допустимую ошибку 5л<ш, величина этой ошибки в момент времени к-ДТ запоминается микропроцессорным устройством, реализующим описываемый алг орит м, как 5о. Если же ошибка не превышает заданную. то величина сигнала задания на скорость не изменяется. Умножение 8« на текущее значение коэффициента из массива В (в зависимости от точки коррекции) определяет величину прогнозируемой ошибки й„ нагрузки на долото, которая бы имела место в данный момент при предсказанном и желательном ходе переходного процесса. Далее находится отклонение реальной ошибки 8 от предсказанной 6„ (имеющее место вследствие дейст вия) и с помощью предварительно определенною коэффициента М вычисляется величина требуемого для компенсации возмущений

Рис.4. Алгоритм работы прогнозирующего регулятора

амшшгулм U««i = М • (í> - S„) корректирующего управляющего воздействия. После этого значение циклического счетчика I точек коррекции увеличивается и в случае достижения заданного количества точек коррекции N, определяющих длительность переходного процесса, приравнивается I.

Но значение сигнала задания на скорость увеличивается на U-мм лишь за время Т„м. в каждый дискретный интервал времени работы микропроцессорного устройства возрастая на U-шмАТП',™. При этом задание на скорость U,c ограничено но амплитуде значением U».„c. определяемым максимальным напряжением преобразователя и технологическими ограничениями по скорости подачи долота.

Каждый раз после изменения 1значение, счетчика N,4t дискретных интервалов времени увеличивается на 1. Коррекция амплитуды управляющего воздействия U .им нс будет производиться до тех пор, пока NU не достигнет значения Т„,)р/ЛТ, где Т«,,р интервал времени, через который зафиксированы значения коэффициентов B(¡). Вели же при этом пройдены и все точки коррекции (1=1), то проверяется, стала ли ошибка но нагрузке на долото меньше допустимой. Вели же рассогласование все еще имеет место, то данная ошибка считается следст вием новог о возмущения и процесс pol упнромшшн продолжается таким образом до достижении условия 6 < 6д„м. Регулирование осевой нагрузки практически астатическое. Допустимая ошибка при моделировании принималась на уровне 5-1(1' В.

Переходные процессы н риссмиiрикмемон электромеханической системе при использовании в контуре нагрузки на долото прогнозирующего рег улятора, работающего по алгоритму, изображенному на рис. 9, при начальных условиях, отличных от тех, при которых проводилось тестирование, показаны на рис. 5 и 6 в сравнении с аналогичными в традиционной системе при использовании ПИ-регулятора (параметры регулятора соответствуют рекомендованным разработчиками РПДЭ-8). На рис. 5 к системе прикладывается возмущение по каналу нагрузки путем увеличения вдвое величины Z. Видно, что качество переходных процессов в предлагаемой системе существенно лучше. При этом, хотя изменение нагрузки на долото соответствует примерно 6 тс —■ достаточно большой величине для порол твердых и средней твердости — амплитуда тока не превышает и половины стопорного значения. Рис. 6 отражает переходные процессы после приложения к системе возмущения по каналу управления путем изменения сигнала задания нагрузки на долото на величину, соответствующую изменению осевой нагрузки на 1 тс. Анализ рис. 6 позволяет сделать вывод о том, что, хот» протезирующий риу-лягор настраивался но каналу возмущения, но его преимущества и при отработке возмущения по каналу управления столь же очевидны: перерегулирование по осевой на1рузке и время согласования значительно уменьшаются (кривая 1).

При моделировании динамических процессов в электроприводе подачи долота предполагалось, что прогнозирующий регулятор построен на базе цифрового устройства, работающего с дискретностью 10 мс, что соответствует среднему времени запаздывания сигнала в трехфазном тиристорном преобразователе. Исследования показали, что при значительной инерционности механической системы

Ошибка нагрузки на долото

Нагрузка на долото

МШИ 1|ШШ1И|1НШ III |НШ II! 1|! II! 11111|Ш11П!1|М1|1Ш1| 15 25 35 45 55 65 75

1|11:!Ш|ШШШ|ПШ1Г|||1ШиШ|Ш!1Ш1111Ш1Ш|1П1|11

15

25

35

45

55

65

75

Рис. 5. Переходные процессы в электроприводе с прогнозирующим регулятором к в системе с ПИ-регулятором при приложении возмущения по каналу нагрузки

I

Со

Ошибка нагрузки на долото

Нагруз<а на долото

-0.01 —

-0.02

111111111|ПШ11П|111111111|1111111!1|11!111!11|1!1111111|1111ШП|и1111111|

10 20 30 40 50 60 70 80

Ш111т(ШШ111;11Ш1Ш|1Ш11Ш|Ш11Ш1|!1Ш1Ш|'1Ш111!ф11111111|

10 20 30 40 50 60 70 80

о.» с п.

1.1* пппииг.сы в злектоопоиводе с прогнозирующим регулятором и в системе с ПИ-р«гулятором при приложении

572408

уменьшение AT не приводит к существенному улучшению качества регулирования системы в динамике.

Очевидно, что электропривод регулятора подачи долота представляет собой сложную электромеханическую систему, параметры которой могут изменяться но мере разбуривнния скважины. Это в первую очередь относится к таким параметрам, как масса и упругость КБТ вследствие изменения ее длины и компоновки труб в процессе бурения, характеристик промывочной жидкости и изменения вследствие эгото коэффициента жидкостного трения а действующей на единицу длины колонны архимедовой силы.

Для исследования влияния изменения этих параметров на качество регулирования в системе с прогнозирующим регулятором были промоделированы переходные процессы при изменении прежде всего длины КБТ и параметров бурового раствора (коэффициенты регулятора при этом не изменялись и соответствовали используемым ранее). Было показано, что при уменьшении длины КБТ до 3000 м (при неизменност и коэффициентов регулятора), как и при значительном снижении коэффициента жидкостного трения переходные процессы в электроприводе характеризуются большей колебательностью, но оптимизируемые динамические показатели остаются на порядок лучше, чем в традиционно используемой системе.

В пятой главе рассмотрены вопросы аппаратной реализации прогнозирующего РИД. Приводится функциональная схема микропроцессорного устройства для реализации предлагаемого принципа управления. Разработаны достаточно подробные алгоритмы программы управления электроприводом Необходимую для управления информацию о поведении регулируемой координаты можно получить путем создания адекватной модели системы электропривода. Можно подать управляющие и возмущающие воздействия на систему и измерить отклик на них в процессе предварительной наладки, а также при необходимости периодически корректировать эту информацию в процессе бурения. Для последнего варианта приведены алгоритмы полуавтоматического программного выполнения процедуры предварительного тестирования системы и определения коэффициентов прогнозирующего регулятора. Разработанные алгоритмы защищены свидетельством на полезную модель, выданным ВНИИГПЭ Российской Федерации.

В заключении приведены выводы гго работе:

1. Показано, чю динамическая ошибка регулирования нагрузки на долото может быт ь снижена при введении на вход используемого регулятора осевой на-ipyтки профаммно-реалиэованного устройства, действующего по принципу прогнозирования ошибки нагрузки на долото.

2. Показано, что величина конечного рассогласования осевой нагрузки определяется амплитудами возмущающих и управляющих воздействий.

3. Определена форма управляющею воздействия, компенсирующего влияние возмущений при удовлетворительном качестве переходного процесса по регулируемой координате и соблюдении технологических ограничений. Наилучшие ре-

зультаты имеют место при линейной и параболической формах управляющею воздействия.

4. Разработан прогнозирующий регулятор веса, включенный на входе скоростной подсистемы регулирования электропривода с целью снижения динамической ошибки и увеличения быстродейст вия.

5. Показана эффективность работы прогнозирующего рег улятора нафузки на долото при действующих ограничениях координат электропривода.

6. 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 технологически возможном изменении параметров системы электропривод с прогнозирующим регулятором позволяет достичь лучших динамических показателей, чем традиционным путем оптимизированная система управления.

7. 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 сист еме, и тем самым повысить влияние привода процессы в механической части при удовлетворительном качестве переходных процессов в самом электроприводе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ишханов П.Э. Выравнивание нагрузок двухдвигательного электропривода буровой лебедки. //Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — N 6-7, — 1993 г.

2. Алферов В.Г., Ишханов П.Э., Хусаинов P.M. Прог нозирование в системах управления электропривода. //1 Международная (XII Всероссийская) конференция но автоматизированному электроприводу: тезисы доклада, г .Санкт-Петербург, — 1995 г , с. 41.

3. Ишханов Н.Э. Совершенствование характеристик электропривода буровых установок. //Труды института / МЭИ — 1996 г. — №674, — с. 12-18.

4. Алферов В.Г., Ишханов П.Э., Хусаинов P.M. Введение прогнозирования в системы управления электроприводов позиционных механизмов. //Вестник МЭИ, № 2, 1996 г., Москва, с. 23-28.

5. Алферов В.Г., Ишханов П.Э., Хусаинов P.M. Прогнозирующие системы управления в электроприводах. Тезисы докладов на конференции "Leistungsclektroniscke Aktoren und intelligente Bewegunsstcucrungcn" в "Otto-von-Guericke-Universitat", Магдебург, 1996 г., — с. 54 - 59. (на английском языке).

Подписано к печати Л— Су\<1 Печ. л. ftf>Ö Тираж 4UV Заказ QU^__

Типография МЭМ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ В СИСТЕМАХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

1.1 Предпосылки использования прогнозирования.

1.2 Классификация и особенности систем с распределенными параметрами.

1.3 Перспективность применения прогнозирования в системах с распределенными параметрами.

1.4 Методы и варианты применения прогнозирования, применимые в системах с распределенными параметрами.

1.5 Перспективность применения прогнозирования в системе управления электропривода регулятора подачи долота.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РЕГУЛЯТОРА ПОДАЧИ ДОЛОТА.

2.1 Принцип действия наземного регулятора подачи долота.

2.2 Математическое описание талевой системы буровой лебедки.

2.3 Математическое описание колонны бурильных труб.

2.4 Передаточная функция колонны бурильных труб, характеризующая динамические процессы в колонне бурильных труб.

2.5 Совместное решение уравнений системы электропривод — колонна бурильных труб.

2.6 Система управления электроприводом подачи долота.

2.7 Исследование динамических характеристик электропривода подачи долота с ПИ-регулятором нагрузки на долото.

Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

С ПРОГНОЗИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ.

3.1 Включение прогнозирующего устройства на вход системы.

3.2 Исследование динамических характеристик электропривода подачи долота с прогнозирующим устройством на входе регулятора осевой нагрузки.

Выводы по главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ С ПРОГНОЗИРУЮЩИМ РЕГУЛЯТОРОМ ВЫХОДНОЙ КООРДИНАТЫ.

4.1 Исходные принципы, положенные в основу работы прогнозирующего регулятора.

4.2 Построение прогнозирующего регулятора.

4.2Л Тестирование системы.

4.2.2 Определение формы управляющего воздействия и формирование. эталонного переходного процесса

4.2.3 Алгоритм работы прогнозирующего регулятора.

4.2.4 Исследование переходных процессов в системе с полученным регулятором.

4.3 Сравнение динамических характеристик в системах с прогнозирующим регулятором нагрузки на долото и с ПИ-регулятором при различных начальных условиях.

4.4 Влияние параметров электромеханической системы на качество регулирования нагрузки на долото при использовании пронозирующего регулятора осевой нагрузки.

4.4.1 Влияние изменения длины колонны бурильных труб на качество регулирования осевой нагрузки при неизменных коэффициентах прогнозирующего регулятора.

4.4.2 Влияние изменения коэффициента жидкостного трения на качество регулирования осевой нагрузки при неизменных коэффициентах прогнозирующего регулятора.

Выводы по главе.

5. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОДАЧИ ДОЛОТА С ПРОГНОЗИРУЮЩИМ РЕГУЛЯТОРОМ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО.

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 предьщущих 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 импульснофазового 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, НИИЭлектропривод, НИИНефтемаш, а также предприятиям, занимающимся модернизацией электроприводов такого типа.Практическая ценность и реализация полученных результатов состоит в следующих положениях.1. Прогнозирующее устройство, работающее по предложенному алгоритму, обеспечивает существенное улучщение динамических характеристик работающих систем с распределенными параметрами за счет введения в них прогнозирования без перенастройки уже функционирующей системы в целом.2. Разработана методика оптимальной последовательной настройки прогнозирующего устройства.3. Разработанный регулятор нагрузки на долото с прогнозированием может использоваться при проектировании электроприводов подачи долота, в первую очередь, активного типа.4. 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.СанктПетербурге 26-28 сентября 1995 г. и на конференции "Leistungselektroniscke Aktoren und intelligente Bewegunssteuerungen" в "Otto-von-Guericke-Universitat", Магдебург, 1996 г. — 11 —

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. На основании приведенного математического описания талевой системы, колонны бурильных труб с учетом условий на забое и системы управления разработана цифровая модель электропривода подачи долота, позволяющая анализировать динамические характеристики электропривода с распределенными параметрами во временной области.

2. Показано снижение динамической ошибки регулирования нагрузки на долото и увеличение темпа ее компенсации при введении на вход используемого регулятора нагрузки на долото программно-реализованного устройства, действующего по принципу прогнозирования ошибки регулирования осевой нагрузки. Разработана методика последовательной настройки параметров такого устройства.

3. Исследовано влияние управляющих и возмущающих тестовых импульсов определенной амплитуды на ошибку системы регулирования; показано, что величина конечного рассогласования осевой нагрузки определяется амплитудами возмущающих и управляющих воздействий.

4. Определена форма управляющего воздействия, компенсирующего влияние возмущений при удовлетворительном качестве переходного процесса по регулируемой координате и соблюдении технологических ограничений. Наилучшие результаты имеют место при линейной и параболической формах управляющего воздействия.

5. Разработан прогнозирующий регулятор веса, включенный на входе скоростной подсистемы регулирования электропривода с целью снижения динамической ошибки и увеличения быстродействия.

6. Показана эффективность работы прогнозирующего регулятора веса при действующих ограничениях координат электропривода.

7. 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 технологически возможном изменении параметров системы электропривод с прогнозирующим регулятором позволяет достичь лучших динамических показателей, чем традиционным путем оптимизированная система управления. 132 —

8. 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.

1.Хусаинов P.M. Разработка следящего электропривода с прогнозированием ошибки. - дисс. на соискание звания к.т.н., М.: МЭИ, 1994.

2. Чанг Ш. Синтез оптимальных систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1964.

3. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1979.

4. Боровиков М.А. Теория, разработка и исследование автоматизированных электроприводов с упреждающей коррекцией. Отчет по материалам диссертации. Ульяновск, 1983.

5. Морев А.Б., Котлярский Г.А., Мудряк В.А. Буромпековые установки для выемки угля. "Недра", 1975.

6. Бутковский А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. "Наука", 1975.

7. Львова Н.Н. Оптимальное управление некоторой распределенной колебательной системой. "Автоматика и телемеханика", 1973, №10.

8. Костылев Л.Ю. Разработка автоматизированного электропривода спуско-подъемного агрегата буровой установки с микропроцессорным управлением. дисс. на соискание звания к.т.н., М.: МЭИ, 1990.

9. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Электроприводы с распределенными параметрами механических элементов. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Петров Ю.П. Некоторые возможности систем управления и автоматизированного электропривода. — Электричество, 1991, N6.

11. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления, М., 1960.

12. Мусаев С.Р., Ахундова Э.М. Оптимальное управление неоднородной системой бурового электропривода с распределенными параметрами при нелинейных граничных условиях. ВИНИТИ, 1989.

13. Кадымов Я.Б. Переходные процессы в системах с распределенными параметрами. М.: Физматгиз, 1968.134 —

14. Soeterbock R.A.M., Pels A.F., Verbruggen H.B., Van Langen G.C.A. A predictive Controller for the Match number in a transonic wind tunnel. IEEE Contr. Syst. Mag., vol.11, 1991, N 1, p.p. 63-72.

15. A.c. 1361314 СССР. Способ автоматического поддержания заданной нагрузки на долото и устройство для его осуществления. /Печатников Я.М., Лурье И.М., Юд-боровский И.М., Литманович А.С. //Открытия, Изобретения, 1987, №47.

16. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Моцохейн Б.И., Шмидт А. П. Автоматизированная система управления процессом бурения забойным гидравлическим двигателем. — Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 1996, № 1 -2.

17. Моцохейн Б.И. Теоретические исследования применения микроэлектронных вычислительных средств для построения локальных систем управления электроприводами. Отчет о научно-исследовательской работе, М.: ВНИИЭлектропривод, 1986.

18. Моцохейн Б.И. Электротехнические комплексы буровых установок. Москва, "Недра", 1991.

19. Исаченко В.Х. Исследование системы автоматического регулирования подачи бурового инструмента с тиристорным электроприводом, дисс. на соискание звания к.т.н., М.: МЭИ, 1970.

20. А.с.1452944 СССР. Устройство управления электроприводом регулятора подачи долота. /Атакишиев Т.С., Барьюдин А.А., Ишханов Э.П. //Открытия, Изобретения, 1989, №3.

21. А.с. 1476115 СССР. Способ регулирования осевой нагрузки на долото в процессе бурения и устройство для его осуществления. /Моцохейн Б.И., Парфенов Б.М, Погосов А.С., Шинянский А.В. //Открытия, Изобретения, 1989, №16.

22. Коршунов Е.С., Плотель С.Г., Романова Е.И., Эскин М.Г. Оптимизация режимов бурения шарошечными долотами при различных приводах долота. Тематический научно-технический обзор, серия "Бурение", ВНИИОЭНГ, 1967.

23. Шинянский А.В., Шевырев Ю.В. Исследование электроприводов буровых механизмов бурового судна. Отчет по научно-исследовательско работе, МЭИ, 1981.

24. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

25. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиз-дат, 1985.

26. Проектные документы на РПДЭ-8 НИИэлектропривод.

27. Моцохейн Б.И., Парфенов Б.М. Электропривод буровых лебедок. М.: Недра, 1978.135 —

28. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления: Учеб. пособ. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 616 е., с. 130.

29. Башарин А.В., Постников Ю.В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ: Учеб. пособие для вузов 3-е изд. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград, отд-ние, 1990. - 512 е., ил., с. 250.

30. Данные электродвигателя постоянного тока 4ПФМ2808УХЛ2

31. Номинальная мощность, кВт 90

32. Номинальное напряжение, В 4401. КПД, % 89

33. Номинальная частота вращения, об/мин 11801. Номинальный ток, А 224

34. Поток одного полюса, 10-6 мкс 3,221. Число пар полюсов 2 р 4

35. Число параллельных ветвей 2 а 21. Треугольник реакций якоря1,А и, В AU A W224 440 22,8 694

36. Характеристика намагничивания:

37. Ф-10-6, мкс 0 1,69 2,71 3,39 4,061. AW 0 1630 2800 4860 19830

38. П2.1 Данные кинематических передач1. Передаточное отношение:редуктора ip 31,5от редуктора к подъемному валу in 6,32

39. Коэффициент полезного действия общей передачи 0,835

40. П2.2 Данные талевой системы буровой лебедки для БУ-6500ЭР

41. Максимальная грузоподъемность, тс 400 Наибольшая допустимая масса бурильной колонны (включая массуподвижных частей талевой системы), тс 240

42. Оснастка талевой системы 6x7

43. Передаточное отношение талевой системы imc 12

44. Расчетный диаметр барабана, м 1

45. Коэффициент полезного действия талевой системы т.тс 0,86

46. Масса подвижных частей талевой системы ткр,т 12 В расчетах принимается, чтодлина одной свечи, м 25максимальная длина канатов талевой системы 13макс, м 40минимальная длина канатов талевой системы 13мин, м 15

47. П2.3 Колонна бурильных труб

48. По данным НИИЭлектропривод в случае исследуемой системы бурениепроизводится трубой постоянного сечения диаметром 127 мм. Для труб данного диаметра берутся следующие параметры, приведенные в 27.:

49. Масса на единицу длины, кг/м 30,5

50. Линейная жесткость на единицу длины КБТ, Н/м 805-106

51. Предполагается, что коэффициент h0 вязкого трения на единицу длины изменяется в диапазоне 15 — 150.

52. При расчетах режимов электроприводов используется так называемый коэффициент погружения кпогр , равныйкп огр 1щ

53. Его значение обычно принимается равным 0,85 27. Отсюда можно найти массу жидкости, тр , занимающую объем, равный единице длины КБТ.

54. Для труб данного диаметра:тР ~ то (1' кпогР) ~ 30,5 (1 0,85) = 4,бкг/м

55. Предполагается, что в соответствии с практикой бурения, нижняя часть колонны состоит из утяжеленных бурильных труб.

56. Для утяжеленных бурильных труб: Масса на единицу длины, кг/м 50,0

57. Линейная жесткость на единицу длины КБТ, Н/м 805-107

58. Соответственно для таких трубтр = т0(1- кпогр) = 50,0 (1 0,85) = 7,5 кг/м

59. Расчет параметров структурной схемы электропривода подачи долота вместе с механической частью (см. рис.2.5)

60. Параметры двигателя и преобразователя:

61. Коэффициент усиления преобразователя кп 44,4

62. Постоянная времени преобразователя Тп, с 0,01

63. Суммарное сопротивление цепи якоря двигателя Яя1, Ом 0,1649

64. Постоянная времени цепи якоря двигателя Тя, с 0,0216

65. Коэффициент двигателя с, Вб 3,38

66. Максимальный рабочий ток якорной цепи двигателя, А 323

67. Максимальная скорость двигателя, рад/с 124

68. Радиус приведения от вала барабана к валу двигателя, м 0,0025

69. Коэффициенты обратных связейпо току копг, В/А 0,031по скорости кос, В-с/рад 0,0806по напряжению кон 0,0238по весу ков, В/Н 0,5 10-4по току нагрузки к 'в, В/А 0,0311. Параметры регуляторов:

70. Постоянная времени звена форсирования регулятора тока Тос, с 0,0216

71. Интегральная постоянная времени регулятора тока Ти т , с 0,0668

72. Коэффициент усиления регулятора скорости 24,6

73. Коэффициент усиления регулятора напряжения 83,43 Постоянная времени звена форсирования регулятора нагрузки Тос, с 0,0216

74. Интегральная постоянная времени регулятора нагрузки Ти т , с 0,0667