автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление автоматическими приводами гидрофицированных буровых установок

Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)

РГ 5 ОД

На правах рукописи

л и ?П>5 гпя^

^ Ч 1Ш

ЗАГАШВИЛИ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИМИ ПРИВОДАМИ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.13.01 - Управление в технических

системах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф.Устинова, Санкт-Петероург.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Потапов Анатолий Михайлович.

Официальные оппоненты:

1. Доктор физико-математических наук,

профессор Мельников Геннадий Иванович

2. Доктор технических наук,

профессор Морозов Юрий Тимофеевич

о. Доктор технических наук,

профессор Новоселов Борис Васильевич

Ведущее предприятие: Институт прикладной математики им. М.З.Келдыша, Москва.

Защита состоится 19 мая 1998 г. в 45 час., ауд на

заседании диссертационного совета 053.26.02 при оанкт-петероургс-ком государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: 197101 Санкт-Петербург, Саблинская ул. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Детер-бургского государственного института точной механики и оптики технического университета)

Автореферат разослан " 3 " апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационнс совета, д.т.н., проф.

А.В.Ушаков

Актуальность проблемы. Одним из основных направлений совершенствования геологоразведочной техники является создание автоматизированных полностью гидрофицированных буровых установок (АБ-2, АБ-5, РБК-4 -разработки Всероссийского НИИ методики и техники разведки (ВИГР), Санкт-Петербург, КГК - СКВ "Геотехника", Москва). Достижение новыми образцами планируемых технико-экономических показателей на основе потенциальных возможностей гидрофицированных исполнительных механизмов с микропроцессорными системами управления в определяющей степени зависит от качества программного управления основными и вспомогательными операциями технологического процесса бурения.

Управлению процессами геологоразведочного бурения посвящены исследования И.С.Афанасьева, Д.Н.Башкагова, Г.А.Блинова, В.И.Васильева, Г.Л.Власова, Б.И.Воздвиженского, Р.Х.Гафиятуллина, И.М.Гинзбурга, Э.К.Егорова, В.Н.Есауленко, А.Г.Калинина, В.Г.Кар-дыша, Е.А.Козловского, А.М.Комарова, Б.Б.Кудряшова, Ю.Т.Морозова, Б.В.Мурзакова, А.С.Окмянского, В.М.Питерского, П.П.Пономарева, С.С.Сулакшина, Н.С.Тимофеева, В.А.Флянтикова, В.Т.Шароватова и др. Создан ряд систем автоматического управления (САУ) процессом бурения ЕАРС-1, САОПБ-1, АРП-2, АЛМАЗ, ПАРУС, МИКРОВУР, АСУТП-Б.

Однако в известных работах недостаточно учитываются характеристики и особенности функционирования (многорежимность, переменность инерционных и статических нагрузок, нелинейность и нестационарность процессов взаимодействия породоразрушаюцего инструмента с забоем, упругость механических передач) собственно приводов буровых установок, обеспечивающих воспроизведение программных воздействий, формируемых системами управления верхнего уровня.

Отмеченные особенности в сочетании с повышенными требованиями к показателям качества приводов современных буровых установок (быстродействию, статической и динамической точности, ограниченной колебательности или апериодичности переходных процессов), существенно большей по сравнению с электроприводами зависимостью технического состояния гидроприводов от условий эксплуатации, а также незначительным опытом применения электрогидравлических следящих приводов (ЭГСП) в механизмах отечественной буровой техники определяют важность и актуальность проблемы обеспечения и поддержания заданного качества процессов регулирования в гидрофицированных буровых установках. -

Целью диссертации является создание научно-технических основ управления автоматическими приводами гидрофицированных буровых установок.

Методы исследований включают аналитические, базирующиеся на использовании методов теории автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики и др., и экспериментальные, основанные на проведении натурных и полунатурных испытаний, моделировании с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод синтеза линейных систем управления с максимальной степенью устойчивости (МСУ), заданной точностью и колебательностью при ограниченной информации о состояниях систем.

2. Предложен нелинейный закон программного управления следящими приводами, обеспечивающий квазиоптимальные по быстродействию апериодические процессы регулирования при спуско-подъемных операциях.

3. Разработаны и уточнены математические модели типовых гидроприводов основных исполнительных механизмов буровых установок.

4. Предложены способы диагностирования и метод прогнозирования технического состояния и ресурса гидроприводов.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Создано алгоритмическое и методическое обеспечение для расчета ЭГСП буровых установок: разработаны методики идентификации гидроприводов, проведена классификация типовых режимов работы приводов буровых установок, сформулированы рекомендации по выбору законов стабилизирующего управления следящими приводами буровых установок, разработана инженерная методика синтеза линейных регуляторов САУ с МСУ при наличии ограничений, разработана методика анализа робастной и относительной устойчивости САУ с переменными параметрами.

2. Создано методическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение для диагностирования и прогнозирования технического состояния гидроприводов буровых установок.

3. Проведены экспериментальные исследования гидроприводов роботизированного бурового комплекса РБК-4, позволившие уточнить теоретические положения, подтвердить корректность используемых моделей и работоспособность предложенных алгоритмов управления.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены: - в разработки ВИТР при создании микропроцессорной системы управ-

ления и отработке оштного образца РБК-4, подготовке технического задания на промышленное изготовление комплекса;

- в разработки ЦНИИ автоматики и гидравлики, Москва при проведении стендовых ресурсных испытаний гидропередач и подготовке методики ускоренных испытаний, оценки и прогнозирования технического состояния гидроприводов;

- в учебный процесс при чтении курсов "Основы проектирования следящих систем и комплексов", "Теоретические основы автоматического управления" в Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им.Д.Ф.Устинова.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

- метод и методика синтеза линейных САУ с максимальной степенью устойчивости, заданными точностью и колебательностью при наличии ограничений на наблюдаемую информацию о состояниях систем;

- математические модели типовых гидроприводов дроссельного и объемного регулирования исполнительных механизмов буровых установок, позволяющие корректно учитывать особенности функционирования приводов в составе буровых комплексов;

- нелинейные законы управления следящими приводами механизмов буровых установок, обеспечивающие квазиоптимальные по быстродействию апериодические процессы регулирования;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований ЭГСП исполнительных механизмов манипулятора, подъемника и вращателя комплекса РБК-4;

- методы диагностики и прогнозирования технического состояния и ресурса гидроприводов .

Апробация работы. По теме диссертации сделано 16 докладов на всесоюзных и международных конференциях и семинарах: "Проблемы оптимизации в машиностроении" (Харьков, 1982), "ХУ1 Всесоюзном научно-техническом совещании по гидроавтоматике" (Киев, 1983), "Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики" (Ленинград, 1984, 1985, 1987), "Элементы и системы управления робототехнических комплексов для экстремальных сред" (Ленинград, 1990), II Всесоюзном межотраслевом научно-техническом совещании "Приводы 90" (Ленинград, 1990), "Диагностика, информатика и метрология-94" (Санкт-Петербург, 1994),"Системы управления - конверсия - проблемы" (Ковров, 1996), "Многокритериальные и игровые задачи при неопределенности" (Орехово-Зуево,

1996), "Проблемы надежности и безопасности технических систем (Минск, 1997) и др. В полном объеме диссертация доложена и рекомендована к защите на кафедре "Мехатроники и робототехники" БГТУ "ВОЕНМЕХ" им.Д.Ф.Устинова, Санкт-Петербург, кафедре "Автоматики и телемеханики" ИТМО (технический университет), Санкт-Петербург.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 печатных работ, включая одну монографию и 5 авторских свидетельств на изобретения, материалы диссертации отражены в 11 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным научно-исследовательским работам.

Структура и объеы диссертации. Работа состоит из основной части и приложений. Основная часть, включающая введение, семь глав, заключение и список литературы, изложена на 286 страницах и содержит 33 иллюстрации, 22 таблицы, список литературы из 206 наименований. Приложения состоят из восьми разделов и изложены на 50 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены тенденции совершенствования техники геологоразведочного бурения на твердые полезные ископаемые, приведен обзор состояния проблемы, обоснована актуальность теш диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, основные защищаемые результаты, приведены сведения о реализации и апробации работы.

В первой главе рассмотрены математические модели типовых гидроприводов буровых установок. Используя в качестве базового объекта исследования комплекс РБК-4, разработаны нелинейные математические модели гидроприводов основных исполнительных механизмов - подъемника, вращателя и манипулятора.

В приводах механизмов манипулятора и подъемника в режиме подачи применяют типовые гидроприводы с четырехщелевым дросселирующим гидрораспределителем и несимметричным гидроцилиндром. Получено линеаризованное уравнение движения привода [25]. Показано, что при выполнении характерных для практических задач соотношений оно может быть представлено в виде упрощенных передаточных функций, структура и параметры которых зависят от положения точки линеаризации [29].

Для расчета установившихся давлений в полостях несимметрич-

ного гидроцилиндра предложена формула [25, 29] - при у > о

р1= ^г4" (31 /Зг ,2рс(х)/32 )2} 1

- при у < о

Р2=(Рп31-1'с(Х))/(32+21 (Б1/Зг)2); р1 = (рпБ2_:рс(х,)/(31+8г(Б2/51,2)'

Р2=(РцЗ, + (Зг/51)СРС(2))/(31(Бг/31),

где у - перемещение золотника гидрораспре делителя, з: - перемещение штока гидроцилиндра, , б2 - эффективные площади поршня в штоковой и нештоковой полостях гидроцилиндра, р1, р2 - давления в штоковой и нештоковой полостях, рп - давление источника питания, гс - приведенная к шток.у гидроцилиндра статическая нагрузка.

В приводе механизма подъемника при проведении спуско-подъем-ных операций применяют схему регулируемый гидронасос - дифференциальный гидроцилиндр. Получено линеаризованное уравнение движе-ения привода [21 ].

Привод механизма вращателя предназначен для вращения бурильной колонны и состоит из двух аксиально-поршневых регулируемых гидромашин. Его уравнение движения получено в [23].

Для корректного описания свойств гидроприводов объемного регулирования необходимо учитывать гладкие нелинейные зависимости объемных и механических потерь гидромашин от параметров режима их работы - температуры рабочей жидкости о?, параметров регулирования ен, ем гидромашин, частот вращения Пц, валов гидромашин, давления р в напорной гидролинш. Разработана методика идентификации указанных зависимостей, получены модели потерь для гидромашин типа Зауэр N 23 [13, 14, 37].

Исследование влияния температуры рабочей жидкости заключалось в проверке применимости для расчетов объемных потерь в гидроприводах классической формулы 0у(р,е,пм,пн,0') = <Зу (р.е.г^.Пц,^) -фт(.а?), срт(Т)=г>(Т0)Л>(Т). (2)

При анализе экспериментальных данных стендовых ресурсных испытаний гидропередач типа "Зауэр" [14, 36], рассматривались отношения объемных потерь вида фЭ1 (Т)=м[(оу;)(ш)/(оу1(а!0)], т0=зо°с

и отношения зон нечувствительности е01 гидропередач под нагрузкой Фд2(1|)=м[ео1(|Г)/ео1(т0)], где м - оператор осреднения по множест-

ву, индекс 1=178 характеризует режимы контроля технического состояния гидропередач с идентичными параметрами р, е, г^, г^, но различными значениями температуры.

Установлена правомерность выделения сомножителя, зависящего только от температуры рабочей жидкости, однако по сравнению с зависимостью (2) температура рабочей жидкости оказывает значительно меньшее влияние (табл.1).

Таблица 1

Экспериментальные и теоретические значения отношений объемных потерь в ГОД "Зауэр" при различных температурах рабочей жидкости

ш. °с V, сСт Фт(3?) <РЭ1 Ф92(Т) ф(Т)

30 37-3 1 1 1 1

50 17.4 2.14 1.22 1.09 1 .26

70 9.8 3.81 1.70 1.56 1 .65

Предложена уточненная формула

ф(Т )=0.77+0.23^(303 )/(V(273+T)), (3)

позволяющая корректно учесть влияние температуры рабочей жидкости на объемные потери в ГОП "Зауэр".

Во второй главе рассмотрены типовые режимы работы следящих приводоЕ механизмов буровых установок - согласование, удержание, слежение.

Показано, что при спуско-подьемных операциях линейные регуляторы не обеспечивают желаемые показатели качества следящих приводов буровых установок. Для обеспечения квазиоптимального быстродействия приводов подъемника и манипулятора при выполнении названных операций предложено использовать двухзонную следящую систему [5]. В линейной зоне следящая система имеет традиционную структуру. При больших рассогласованиях обратная связь по положению отключается и программно формируется близкая к трапециедаль-ной скоростная характеристика перемещения бурильной трубы (колонны) с предельно допустимыми параметрами скорости и ускорения. Вблизи согласованного положения при выполнении неравенства

|6| + б < in? , (4)

где в=х„-х - текущая ошибка, k=m/(2F ), v=x, б - константа,

о " max

формируется линейно убывающий сигнал, обеспечивающий максимальное усилие Fmax торможения привода. Физический смысл условия (4) заключается в том, что запас накопленной приводом кинетической энергии не должен превышать работы силы (момента) торможения на участке текущего рассогласования. Применение линейно изменяющихся программных сигналов позволяет исключить перегрузки привода, обеспечить плавный разгон и торможение объекта управления, исключить автоколебания при переключении структур следящей системы.

Для синтеза линейных регуляторов следящих приводов буровых установок обоснована предпочтительность критерия максимальной степени устойчивости (МСУ). Достоинствами этого критерия являются: использование естественного, традиционно применяемого в инженерной практике показателя качества регулирования, характеризующего устойчивость и быстродействие САУ; достижение максимальных запасов устойчивости, что особенно актуально при синтезе САУ с переменными параметрами для обеспечения робастной устойчивости систем; возможность синтеза с учетом ограниченной информации о состояниях объектов управления; получение простых соотношений для расчета оптимальных параметров регуляторов; однозначность определения параметров вне зависимости от входных воздействий.

Предложен метод синтеза САУ по критерию МСУ при учете дополнительных по сравнению с известным методом А.М.Шубладзе показателей качества [11, 12, 30, 38]. Во-первых, в постановку задачи синтеза включается требование к точности САУ. Во-вторых, желаемая область расположения корней характеристического полинома в плоскости комплексной переменной s ограничивается сектором ictcp, определяющим допустимую колебательность САУ p.=tgcp.

Учет названных показателей качества САУ позволяет гарантировать желаемые характеристики процессов регулирования в переходных и установившихся режимах.

Постановка задачи. Рассматриваются объекты управления, описываемые дифференциальными уравнениями вида

п

2 a1xll)(t) = tai(t), (Ь)

1=0 _

где u(t) - управление, x(t) - регулируемая координата, a±(i=o,n),

к - постоянные коэффициенты.

Пусть n=tgcp - заданная величина колебательности, к - требуе-

•ю

мый коэффициент усиления системы, выбранный из условия точности.

Требуется синтезировать управление

m

u(t)=-J blx(l_1 }(t), о < m s n-1, (6)

1=1

обеспечивающее системе (5),(6) при заданных а.±, к, ц, К максимальную степень устойчивости

Jm=max(-ReSo(b1,9,K)) > О, (7)

где ReSo - действительная часть крайнего правого корня характеристического уравнения

An(s)=I ais±+ kI vl_1=2 Aisi=0- (8) 1=0 1=1 1=0

2. Решение задачи. Решение задачи сводится, во-первых, к оценке параметра m управления (6), обеспечиващего структурную устойчивость системы (5), (6), во-вторых, к определению коэффициентов настроек регулятора ьх=ь2 (l=T7m). при которых достигается МСУ (7),,корни характеристического уравнения (8) располагаются в секторе чс±ф и коэффициент усиления замкнутой скорректированной системы не менее требуемого значения к.

Оценка параметра m может можэт быть получена на основе следующих утвэрвдений.

Леша I. Управление (6) порядка m обеспечивает достаточные условия структурной устойчивости системы (5), (6) и расположение корней характеристического уравнения (8) в секторе icscp, если для полинома п

i=m

выполняются неравенства

6rad /UJ-ia3+i} ~ е^(п,ф)' ¿=m+1 'n-1' (1Q)

ш

n^j^C^^L^o'- +т)/2(п,ф), (11)

где &№(n,q>) - коэффициенты, уточненные значения которых получены в [24]; а0- свободный член уравнения (8), при котором система (5), (6) имеет коэффициент усиления не менее требуемого значения к.

Леша 2. Необходимым условием расположения корней характеристического уравнения (8) системы (5), (6) в секторе it+ф является выполнение для полинома (9) неравенств

б3-=а^ /(а;)_1а;)+1) > а3(п,ф), з=т+1 ,п-1, 02)

т т

П^/ = а-+1/(а-+1Ао) , П^^п.ф). (13)

где коэффициенты б^(п,ф) при пг з рассчитываются по формулам

(п-З+1 НЛ+1) < , т

6^(п'ф)=—{1 ~ 5 Ф)> если ф е [о, | ]) (14)

(п-д+1)(д+1 )

3(п'ф)=—(п-д)д--5 ооз ф, если Ф « [ | , | ]. 05)

Выбор оптимальных коэффициентов регулятора может быть осуществлен на основе следующего утверждения.

Лемыа 3. Характеристическое уравнение (8) системы (5), (6) представимо в виде

Ап(8,<1) = (з+лт1((з+еПг+ ц^'Х^^з^М, (16) где 0">0 - вещественный параметр,- т <[ (т-г;/2], г-ОИ,

"1 —■

п-т+г

к « 5 -п- в1 + ГР<0)Х1 , 07)

п-т+г* ¿, 1! п-го+1

1! 1=г

1=т

-,1=Г,П-Ш+Г, Р<;0> (0-)=Ап/Г0а-1(1+Цг)И21,г=11

4(1) '1=^ п-т+1 О [_ Л

—^П- Д=т-г,п, если т^О,

<3(1)(-<П т2'1

п

¿=0 * п-т+1

п

а(-<Т)=]> а1(^)1, 08)

1=1

1=0

о^1'(^)=с1(1)о(^)/й(^)1, 1=о7Н,

°т =т2!/<3!) - биномиальные коэффициенты, если коэффициенты ь1(1=1,ш) управления (6) удовлетворяют системе

1=0,т, -1, [ (1-т., )/2]

= 2 2зи>, (19)

3=0 _

1=ю1>т-1о

(20)

1=1

Учет требований к колебательности может быть осуществлен на основе следующей леммы.

Лета 4. Уравнение (17) при замене переменных Б^зе-"^ и а=зш предетавимо в виде

Ап_т+г(;]ш^)-а(и^)+ЗН(и,,1)=о, (21)

п-т+г п-т+г-1

0(0), <1)=][А1(<Г)Ш1С0з[ (п-ш+г-1)ф], Н(Ш,.П=][А1((7)и1в1п[ (п-т+г-1)ф].

1=0 1=0

Теорема. Пусть при выбранном параметре т управления (6) МС-У системы (5),(6) без учета требований к колебательности и коэффициенту усиления равна ¿о. Если при J и колебательность, и коэффициент усиления системы удовлетворяют заданным значениям, то оптимальные коэффициенты ь1о(1=Т7т) определяются из системы уравнений (19) при ^ , а МСУ системы J =<г_.

^ о то

Если при Jo колебательность превосходит допустимую или коэффициент усиления системы менее требуемого, то параметр У , обеспечивающий системе заданные колебательность и коэффициент усиления, равен одному из двух действительных, положительных, ближайших к «г справа и слева корней уравнений:

- при г = о ю-

= Ао/(^(1+|0.2) 23, (22)

п-пн-г

П Д21^)=0. (23)

1=1

- при Г=1 - уравнений (23),

при которых неотрицательны все определители Д21и=1,п-т+г) по-

рядка 21 матрицы Гурвица вида

А(<1) =

о о

п-т+г-

Ы)ООБф.................О

(а)втф.................о

О

А0( <Т)з:т(п-т+:г)ф_

Ь1о(1=1 ,41),

найденных из

к диссер-

0............А0( <Т)з1п{п-т+г)ф

О...........А1 (<1)ооз(п-т+г—1 )ф А0(<1)ооз(п-т+г)ф

О...........А1 (<Т)з1п(п-т+г-1 )ф

для полинома (21) с комплексными коэффиентами.

МСУ <1^ достигается при значениях системы уравнений (19) при <т=2г .

Доказательства утверадений приведены в приложении тации и опубликованы [11, 12, 30].

На основе полученных результатов разработана инженерная методика синтеза [12, 31], которая может быть рекомендована для расчета широкого класса линейных САУ, оптимальных по критерию максимальной степени устойчивости при наличии ограничений.

Следящие приводы буровых установок характеризуются значительными вариациями первичных физических параметров и связанных с ними коэффициентов уравнений движений. Поэтому важным свойством скорректированной системы является робастная устойчивость, гарантирующая устойчивость всего семейства линейных систем в условиях интервальной неопределенности коэффициентов. Изложена методика оценки робастной устойчивости следящих приводов буровой техники, описываемых интервальными характеристическими полиномами (ИХП). Методика основана на использовании алгебраических критериев робастной устойчивости В.Л.Харитонова или графоаналитических частотных критериев Я.З.Цыпкина - Б.Т.Поляка.

Во второй главе также приводятся результаты по уточнению значений 6а(п, ф) показателя (10), при которых корни многочлена порядка п гарантированно находятся в заданном секторе комплексной плоскости даф [24, 33].

В третьей главе изложены результаты решения задач управления приводом манипулятора РБК-4.

Уточнена математическая модель гидропривода манипулятора. С

помощью метода уравнений Лагранжа 2-го рода получены аналитические выражения параметров нагрузки, приведенной к штоку исполнительного гидроцилиндра (рис.1) [17].

Параметры нагрузки, приведенной к гидроцилиндру привода манипулятора

гп - приведенная масса

16 20 1А хТо"г, и

■-Ь - коэффициент динамической составляй щей нагрузки, обусловленной действием корио-яисовых и центробежных сил

Рс - приведенная статическая нагрузка

РИС.1

На основании данных испытаний манипулятора в статических и динамических режимах идентифицированы параметры его математической модели [18]. Результаты экспериментов подтвердили адекватность используемых математических моделей, корректность формул для расчета установившихся давлений и параметров приведенной нагрузки, что иллюстрируется рис.2 и данными табл.2.

Осциллограмма изменения угла поворота рычага и давлений в полостях гидроцилиндра при подъеме манипулятора

Таблица 2

Установившиеся давления в полостях гидроцилиндра манипулятора при различных положениях штока

X, м Рс, КН расчет эксперимент

Р1, МПа р2, МПа р,. МПа Р2, МПа

О.ОЭ4 16.20 11.70 3.35 11.8 3.8

0.64 14-60 11.49 4.20 11.5 4.1

0.099 11.00 11.02 4.99 11.2 5.0

0.134 8.90 10.74 5.45 10.9 5.5

0.171 7.10 10.49 5.85 10.7 6.0

0.207 5.40 10.28 6.22 10.3 6.2

0.239 3-50 10.03 6.63 10.0 6.6

К приводу манипулятора предъявляются жесткие требования по обеспечению желаемых статических и динамических характеристик: время перемещения бурильной трубы с лотка накопителя на ось скважины не более 5с, процесс согласования - монотонный (без перерегулирования), отсутствие установившейся ошибки позиционирования.

Для достижения квазиоптимального по быстродействию апериодического процесса переноса бурильных труб манипулятором предложено использовать следящую систему с переменной структурой [19, 22].

В начальный момент времени осуществляется разгон манипулятора с предельным ускорением до достижения максимально допустимой скорости поворота рычага, при которой не сказывается влияние ограниченной мощности источника гидропитания (ее значение, найденное экспериментально, составляет су^0.5 рад/с). С уменьшением рассогласования допустимое значение текущей скорости а рассчитывается из условия безударного подвода бурильной трубы к заданному положению вида (4): в > к(а)2+т01а|, где 6=03-01 - текущая ошибка, Т0 - такт квантования по времени микропроцессорной САУ.

Коэффициент цропорциональности рассчитывается по формуле к=[т(х)/(2№тах± Рс(х)])][ах/<?а]

и составляет к=ю.07 с2рад~1 при Хщах1*0-2?2 м РВД)>

к=ю.31 с2рад-2 при хт1п=о. Знак "+" соответствует подъему, "-" -спуску манипулятора.

Синтез линейного регулятора, обеспечивающего требуемые пока-

затели качества следящего привода манипулятора в линейной зоне регулирования (^=tgcpsi.19, т.е. qfci80±50 град, статическая ошибка отсутствует, ошибка в режиме постоянной скорости не более 5%) проводился изложенным методом на основе критерия МСУ. Уравнение движения разомкнутого нескорректированного привода манипулятора согласно [18] имеет вид

A(s)a(s) = D(s)I(s), (25)

где A(s) = а4ел + а3з3 + a2s2 + а^ + aQ, D(s) = cl^s + dQ.

Для обеспечения астатизма системы и компенсации правой части уравнения движения использован закон управления вида

(1 + ^s/üqJKs) = (Ъ^"1 + ь2)в(з), (26)

где 6(s)-in(s)-kaiIa(s) - ошибка системы, 1п - программный сигнал, - коэффициент передачи датчика положения. Характеристическое уравнение замкнутого скорректированного привода принимает вид

А5(s)-s5+129.1с4)3039з3+3971Св2+(~447о4Ъ2)s+b1=ü, (27)

где ^^2^=2.274- ю5капъ2, VVWW2-274" 10ЧпЬ1 • Выбранная структура регулятора (26), вероятно, обеспечит стабилизацию системы (25), (26), т.к. для многочлена вида (9)

А = A,(s) = з3 +• 129.1s2 + 3039s + 39710 (28)

n-m о

выполняются условия леммы 2 и не выполняются условия леммы 1.

Действительно, = бд(п=5, ф=50°) = 2.286, согласно (14) fi3(n=5, ф=50°)=1.102, S4(n=5, ф=50°)=1.377. Найдем 03=а2/(а2ад) = =1.802, бд=а^/(а3а5)=5.484- Таким образом, е4>ва>8д(п=5, Ф=50°), б^>63>ез(п=5,Ф=50°).

Определим МСУ JQ системы (25), (26) по методике А.М.Шублад-зе, т.е. без учета требований к колебательности и добротности. Применяя формулы (18), (20), найдем

Q(-J)=Q^0) (-j)=(-j)5+129.1 (-J)"-i-3039(-J)3+39710(-J)2+4476J,

Q^ >(-J)=5(-J)'l+5l6.4(-J)3+9117(-J)2+79420(-J)-4476,

Q¿2)(-J)=20(-J)3+1 549.2(-J)2+18234(-J)+79420,

Q^3)(-J)=60(-J>3+3098.4(-J)2+18234, (-J)=120(-J)+3098.4,

Q^5 ' (-J)=120; B(-J)=B1t0)(-J)=b2(-J)+B1 , в'1 '=í>2-

МСУ JQ является минимальным положительным корнем определителя Гурвица для полинома A3(s,J)=s3+Qj4)s2/4!+Qg3)s/3!+Q¿2)/2!,

откуда JQ=6.492.

Коэффициенты настроек регулятора рассчитываются из системы уравнений вида (19) при j=jq

(-JHBj01 (-J) =-<J5+129.1J4-3039^+39710,^+4476J-bgJ+b^O, 1

Q^11 (-J)+B{1 > (-J)=5J4-5l6.4J3+9117<J2-79420J-4476+b2, j

откуда ь^б.524-ю5, ь2=2.682-ю5, корни (27) равны: s^-103.132, Бг>3=-б.492±о'10.390, бд=в6=-6.492.

Поскольку '(1=1.6 > ц =1.19, то необходимо провести повторный расчет параметров регулятора с учетом ограничения колебательности.

Согласно лемме 3 существуют три возможных варианта структуры характеристического уравнения (27): первый - mt=2, m2=o, r=o, второй - rn^o, т2=1, г=0, третий - т1=1, 1112=0, г=1. При m,=2, m2=o, r=o уравнение (27) имеет вид

Ag(e,J) = (s+J)2A3(s,J), (29)

где A3(2,J)= J P^i)(J)s/ii, î^W^Pm/dîl)1 ^j, i=U7J, 5

P(I>= I Ri-2(J)li"2' R0(J)=Q^2)("J)/2!. R1(J)=Qf)W)/3!, ±=2 R2(J)=Q^)(-J)/4!, R3(J)=Q^5)(-J)/5!-

При s=jb) многочлен a3(s,J) имеет вид a3Uw,<j)=G(w,J)+jH(u,J), где

G (o), J)=to3+U2P32 'ооаф/г ! 1 ' cos2(fH-P3°] cos3cp,

H (a), J ) ^P^2 ' s irxp/2 ! 15 sin2<fH-Pg0 5 sin3<p.

Согласно теореме параметр смещения ÏQ является корнем уравнения вида (22): -4^+387.3JS-6078J+39710=8.951-104/J2, откуда ^=79.227, J2 3=8.619±36.863, J4=1,716, Js=-1.35&» или уравнения вида (23): A2(J)A4(J)A6(J)=0, где A2(J), A4(J) - главные миноры определителя ¿6(J) для многочленов G(u,J), Н(ш,«1).

Раскрывая определители получим: A2(J)=0, откуда J6=64.550; A4(J)=0, откуда =208.270, J8)g=72.520±j7.870, J1o=14.890; A6(j)=0, откуда Jt1 12=80.367±d25'.056, J13=79.228, J,4_ 1S=76.626, J16t17=8.799îd6.920i J1S=2.788, Jig=-2.952.

Из рис.3, поясняющего выбор параметра смещения, видно, что требования к колебательности и точности выполняются в интервале Je[J4,J18]. Согласно теореме ?0=318=2.788. Этому параметру соответствуют корни характеристического уравнения (27): s^-103.246,

S2i3=-10.139Í

19

j12.0831

J =J.

S4i5=2.788.

3+2

Ж

1

— I I-Л.1Е

10

äigll A6(J>

sign A,(J)

sign A2(J)

sign(F°(J)-An/J2)

CJ..J,.}- область желаемого качества

Л la

ф < 50 , ky >

20

{O.Jq}- область устойчивости

J

Рис.3

Расчеты, проведенные для двух других структур характеристического уравнения, выявили предпочтительность первого варианта, при этом J =тах{J .=2.788, J =1.050, J_=1.05Э}=2.788, оптималь-

ные коэффициенты регулятора (26)

m3

Для оценки возможности использования стационарных настроек регулятора (26) при позиционировании манипулятора в любой точке зоны обслуживания проведен анализ робастной устойчивости привода.

iffil, описывающий свойства семейства линейных математических моделей следящего привода манипулятора, имеет вид

А5(в) = а5з5 + адз4 + а3в3 + а2зг + а^ + aQ, (30)

где интервальные числа а±(1=о,5) с учетом результатов синтеза и вариаций параметров гидропривода принимают следующие значения:

а-е[а,.=0.38-10"гО,р,=0.65-10"гО],а,е[а =0.25-10'18,рл=1.07-10-18],

а е[СЦ=1.13-Ю-17 ,рз=2.00- Ю""17] ,а_е[а2=1 .52-10"16,ß2=2.57-10_16],

а1е[а1=0.59-10_15,р1=1.1-10-15],а0е[ао=0.7б-10-15,ро=1.298-10 15Ь

Простые достаточные условия (10) при Сй(п=5, ф=90°)=1.465 не выполняются. Проверка менее консервативных необходимых и достаточных условий, заключающихся согласно В.Л.Харитонову для ИХП (30) 5-го порядка в гурвицевости трех угловых полиномов вида

го

А1 (з)=ро+р1з+агв2+а3з3+рдв'1+р5Б5=1.298-10~15+1.07-10~15в+ +1.52-1О-15з2+1.13'10-17в3+1.07•10"1884+0.65■10~2Ов5, А2(5)=Р0+а1в+агв2+р3в3+РдБ'1+а5вБ=1 .298-10"15+0.592- 10~15в+ +1.52-10"1бз2+2.00-10"17з3+1.07-Ю"1Ве'1+0.38-10~£Ое5, А3 (в )=а0+р1 Б+Р2вг+а3в3+алз4+р5в5=0.7б-10~15+1.07 • ю-15е+ +2.57•10-16в2+1.13'10"17в3+0.25•10~18в*+0.65■ 10~г0Б5,

подтвердила робастную устойчивость следящего привода манипулятора.

Результаты теоретических исследований использовались при разработке прикладного программного обеспечения для микропроцессорной системы управления РБК-4. Натурные испытания манипулятора подтвердили работоспособность предложенных алгоритмов управления и возможность достижения приводом манипулятора требуемых показателей качества. В качестве иллюстрации на рис.4 приведены осциллограммы изменения скорости и угла поворота рычага при отработка ЭГСП режимов подъема и спуска манипулятора.

В четвертой главе рассматриваются вопросы управления ЭГСП механизмом вращателя РБК-4. Разработана уточненная математическая модель гидропривода с учетом характеристик аксиально-поршневых регулируемых гидромашин: гидронасоса типа УНД-4П1-125/320 и гидромотора типа 209.25.

Для обеспечения требуемых показателей качества следящего привода вращателя в режиме стабилизации частоты вращения бурильной колонны использовался пропорциональный регулятор в сочетании с обратной связью по перепаду давления в силовых гидролиниях. Для расчета параметров регулятора применялся изложенный метод синтеза САУ с МСУ. Найдены оптимальные настройки коэффициентов, обеспечивающие следящему приводу вращателя МСУ и заданную точность.

Анализ робастной устойчивости следящего привода вращателя подтвердил возможность его устойчивой работы при любых допустимых вариациях приведенной к валу гидромотора инерционной нагрузки.

В пятой главе изложены алгоритмы управления приводом механизма подъемника в режиме спуска-подъема бурильной колонны.

Уточнена математическая модель гидропривода с учетом характеристик регулируемого аксиально-поршневого гидронасоса типа УНА-4П1 -125/320 и дифференциального гидроцилиндра, имеющего дна-

Осциллограммы изменения скорости и угла поворота рычага манипулятора

Рис.4

метр поршня 0.1 м, диаметр штока 0.07 м, ход цилиндра 2.5 м.

Для повышения быстродействия спуско-подъемных операций предложено использовать следящую систему с переменной структурой. При больших рассогласованиях формируется программный сигнал управления, обеспечивающий перемещение бурильной колонны с максимальными скоростями и ускорениями. Момент начала торможения выбирается из условия (4). Значения коэффициента пропорциональности зависят от длины бурильной колонны и составляют: при подъеме к+^о.2 с2/м, при спуске 013-5-0.443 сг/м.

Для обеспечения требуемых показателей качества ЗГСП подъемника в линейной зоне регулирования введен пропорциональный регулятор в сочетании с обратными связями по скорости и ускорению. На основе предложенного метода синтеза расчитаны оптимальные параметры линейного регулятора, обеспечивающие скорректированной системе МСУ, заданные точность и колебательность. Проведенный анализ подтвердил также робастную устойчивость ЭГСП подъемника при его работе в режиме спуска-подъема бурильной колонны.

В шестой главе приводятся результаты синтеза линейных регуляторов ЭГСП механизма подъемника РВК-4 в режиме подачи.

Уточнены математические модели ЭГСП в режиме подачи при стабилизации скорости механической проходки и осевой нагрузки.

Для обеспечения требуемого качества ЭГСП подъемника предложено использовать линейные законы регулирования: при стабилизации скорости механической проходки - ПИ-регулятор в сочетании с внутренней обратной связью по усилию, при стабилизации осевой нагрузки - ПИ-регулятор.

На основе предложенного метода синтеза расчитаны оптимальные настройки регуляторов, обеспечивающие ЭГСП подъемника в режиме подачи МСУ, заданные точность и колебательность.

Проведенный анализ подтвердил также возможность устойчивой работы ЭГСП подъемника в режиме подачи при постоянных настройках линейных регуляторов и вариациях параметров системы привод - бурильная колонна - скважина.

В седьмой главе изложены алгоритмы диагностирования и прогнозирования технического состояния гидроприводов буровых установок.

В качестве методологической основы при решении названных задач предложено использовать опытно-теоретический метод (ОТМ) [34], отличительной особенностью которого является комплексное

использование априорной и апостериорной информации об исследуемых объектах и ее объединение посредством системы математических моделей. Разработанные математические модели используются в качестве инструмента для решения обсуждаемых задач.

Основными положениями ОТМ при оценке и прогнозировании технического состояния и ресурса гидроприводов буровых установок являются: разработка по априорным данным структуры математических моделей объектов; установление взаимосвязей между типовыми неисправностями гидроприводов, показателями технического состояния гидроприводов и параметрами их математических моделей; анализ условий эксплуатации гидроприводов, выбор режимов и способов их диагностирования; идентификация изменения информативных показателей технического состояния в функции наработки; синтез обобщенных моделей изменения технического состояния гидроприводов; нахождение законов распределения показателей технического состояния, определяющих ресурс гидроприводов; прогнозирование показателей технического состояния и ресурса гидроприводов по данным математического моделирования на основе использования обобщенных моделей.

Названные положения конкретизированы применительно к гидроприводам механизмов РБК-4. Разработаны упрощенные математические модели в виде эквивалентных динамических звеньев второго порядка, описывающие динамические характеристики гидроприводов механизмов подъемника, вращателя и манипулятора.

Анализ позволил выделить общие свойства моделей: структурное и параметрическое подобие моделей с учетом конструктивных особенностей гидроприводов, что обусловливает схожесть их выходных реакций на идентичные входные воздействия; зависимость параметров математических моделей и, соответственно, динамических характеристик гидроприводов от их текущего технического состояния, что позволяет оценивать состояние гидроприводов по характеру протекания регистрируемых динамических процессов.

Рассмотрены показатели технического состояния объемных гидроприводов и обосновано использование объемного к.п.д. в качестве основного информативного показателя. Выявлена также высокая чувствительность динамических характеристик к изменению технического состояния гидроприводов. Наиболее информативными являются процессы изменения давлений, характеризующиеся высокой интенсивностью, размахом и удобством задания режимов нагружения.

Предложены различные способы и устройства диагностирования гидроприводов, защищенные авторскими свидетельствами [1-4]. Так, на примере гидропривода вращателя сущность способа диагностирования по переходным характеристикам колебательного процесса давления заключается в следующем [1]: по измеренным числовым характеристикам переходного процесса давления - величинам первого р1, второго р2 экстремумов и установившемуся значению давления ру, а также времени между экстремумами т - находят коэффициенты эквивалентной передаточной функции гидропривода

(1п((р1-ру)/(ру-р2)))г+<гс2 ' (1п((р1-ру)/(ру-р2)))г+тс2'

после чего вычисляют показатели технического состояния: коэффициент совокупных объемных потерь с^а^е2/^ постоянную времени, обусловленную сжимаемостью рабочей жидкости Шо=а21??2е2/,1, объемный к.п.д. г)п=1-о Ару/(»»нпнен), где у?м, - характерные объемы гидромашин.

Таким образом, изложенная процедура диагностирования включает идентификацию параметров математических моделей гидроприводов и использование зависимостей, связывающих показатели их технического состояния с параметрами математических моделей. Основными достоинствами такого подхода к диагностированию являются [8, 13, 16]: относительная инвариантность параметров математических моделей (особенно для приводов с объемным регулированием) к режимам диагностирования; расширение функциональных возможностей диагностирования за счет возможности оценивания показателей технического состояния гидроприводов в условиях реальной эксплуатации.

В комплексе задач по обеспечению надежности и работоспособности гидроприводов буровых установок важная роль отводится прогнозированию их технического состояния. Предложенный подход к прогнозированию включает три этапа [10, 15, 28]: этап ретроспекции -установление закономерностей изменения показателей технического состояния гидроприводов; этап диагностики - выбор или разработка способов диагностики показателей технического состояния гидроприводов; собственно этап прогнозирования показателей технического состояния (прогнозирование в "узком" смысле) и оценка остаточного ресурса гидроприводов с требуемой вероятностью.

Содержанием первого этапа решения задачи прогнозирования является анализ изменения технического состояния гидроприводов по результатам их ресурсных испытаний или данным подконтрольной эксплуатации: выделение "слаоых" звеньев и элементов, выбор информативных показателей технического состояния гидропривода, разработка эффективных методов сбора и ооработки данных, оценка влияния параметров рабочего режима гидропривода на значения показателей и их изменение в функции наработки. Б результате исследований на первом этапе разрабатывают "обобщенную", т.е. учитывающую режимы эксплуатации математическую модель изменения наиболее информативного показателя технического состояния гидропривода.

Обоснована структура обобщенной модели в виде [15]

где т}0 - объемный к.п.д. - используемый информативный показатель технического состояния гидроприводов; ¡^(т) - векторный процесс, характеризующий i-й установившийся режим выработки ресурса гидропривода; т -наработка гидропривода в режиме s ; к(г1('Г),г0(т) )=k-

- функция пересчета (коэффициент ускорения), связывающая характеристики i-ro режима выработки ресурса и базового режима испытаний 20(Т) с известной скоростью изменения показателя bQ(z0(T))=bQ; T)0(xQ)= т|он - начальное значение показателя (в момент последнего диагностирования технического состояния гидропривода); 1= а t -

- суммарная наработка, i=o7i.

Обобщенной моделью в форме (31) могут описываться процессы изменения технического состояния как вследствие износа, старения я пр., так и вследствие накопления усталостных повреждений. При этом наработка т измеряется либо временными интервалами, либо эквивалентными циклами нагружения.

Особенностью обобщенной модели является описание автомодель-шх процессов, характеризующихся подооием изменения технического состояния однотипных объектов, функционирующих в сходных режимах эксплуатации.

Поскольку обобщенная модель является линейной функцией с тремя случайными парметрами т?он, ь0, к, то оценки ресурса, расчитываемые на основе (31) как наработка от текущего до предель-юго 1)* значения показателя, также являются случайными величинами.

Показано [28], что если названные случайные параметры независимы и распределены по нормальному закону, г)0о(т)*,1), т}*<1, то

функция распределения показателя имеет вид

* __ 2

ФСЧп)= —— )][Ф(х_)-$и1)]ехр1- ^Ц^ (32)

где //о*оя+о^г т2 ,

средние и среднеквадрэтические значения случайных параметров,

X

т; - неслучайный параметр, 2>(х:)=/ехр (-1;г/2 >йх/ (УгтГ) - функция нормального распределения, 0

'ОН Uil

Увеличение наработки приводит к достижению реализациями случайной функции (31) предельного технического состояния т)*, что соответствует параметрическому отказу объекта. Таким образом, для заданной вероятности безотказной работы P[ti0(i;)>t|*]=7 остаточный ресурс гидропривода можно определить из уравнения [26, 28]

1 - 7 = ФОп*). (33)

Разработан численный алгоритм определения остаточного ресурса гидропривода при заданной вероятности его безотказной работы.

Применение предложенного метода иллюстрируется примером прогнозирования технического состояния ГОД "Зауэр" N23 [15, 36, 37].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ -г.

В итоге исследований получены следующие фундаментальные результаты:

1. Созданы научно-технические основы управления следящими приводами перспективных гидрофицированных буровых установок.

2. Разработан метод синтеза линейных САУ с максимальной степенью устойчивости при наличии ограничений на измеряемую информацию о состояниях систем. По сравнению с известным методом А.М.Шубладзе учтены дополнительные требования к точности и колебательности САУ. Оптимизация параметров регуляторов по критерию МСУ при учете

названных показателей позволяет обеспечивать желаемое качество процессов регулирования в переходных и установившихся режимах.

При решений научно-технической проблемы управления автоматическими приводами гидрофицированных буровых установок получены следующие новые научные результаты:

1. Разработаны уточненные математические модели типовых гидроприводов основных исполнительных механизмов (вращателя, подъемника, манипулятора) буровых установок, а именно: - уточнена линейная динамическая модель гидропривода дроссельного регулирования с че-тырехщелевым золотниковым гидрораспределителем и несимметричным гидроцилиндром; получены формулы для расчета установившихся значений давлений в полостях несимметричного гидроцилиндра; получены модели объемных и механических потерь в гидроооъемных передачах типа "Зауэр", предложены формулы, уточняющие влияние температуры рабочей жидкости на объемные потери в названных гидропередачах.

2. Разработана математическая модель объекта управления привода манипулятора, учитывающая переменность характеристик приведенной к штоку исполнительного гвдроцилиндра нагрузки при изменении конфигурации манипулятора.

3. Обосновано применение максимальной степени устойчивости в качестве основного критерия при синтезе САУ буровых установок. Названный критерий учитывает специфику приводов буровой техники, параметры которых изменяются в широких пределах, и обеспечивает скорректированным системам максимальные запасы устойчивости.

4. Уточнены достаточные условия расположения корней многочленов с вещественными коэффициентами в заданном секторе комплексной плоскости, что позволяет обоснованно выбирать структуры линейных регуляторов при синтезе САУ с учетом ограниченной колебательности.

5. Предложен нелинейный программный закон управления, обеспечивающий во многорежимных следящих приводах буровых установок квазиоптимальные по быстродействию апериодические переходные процессы.

6. Предложен метод прогнозирования технического состояния и ресурса объектов на основе обобщенной модели изменения их технического состояния. Обоснована структура обобщенной модели в виде линейной функции наработки с тремя случайными параметрами, что позволяет учесть влияние переменных режимов эксплуатации на изменение технического состояния объектов.

7. Найден закон распределения нормированной линейной функции с тремя случайными параметрами, распределенными по нормальному закону. Найденное распределение позволяет Оолее точно по сравнению с а-раопределением Г.В.Дружинина и дисперсионным распределением С.Н.Бернштейна оценивать вероятность безотказной работы и остаточный ресурс объектов, изменение технического состояния которых описывается обобщенной моделью.

Основные практические результаты исследований таковы:

1. Разработана инженерная методика синтеза линейных систем управления с максимальной степенью устойчивости при учете ограничений на измеряемую информацию и требований к точности и колебательности.

2. На основе разработанной методики осуществлен синтез линейных регуляторов следящих приводов механизмов манипулятора, вращателя и подъемника РБК, выполняющих основные технологические операции в процессе бурения.

3. Разработана методика оценки рооасмой устойчивости следящих приводов буровой техники. Приведены примеры расчета робастной устойчивости следящих приводов механизмов манипулятора, вращателя и подъемника РБК. Полученные результаты подтвердили возможность обеспечения устойчивости названных многорежимных следящих приводов с переменными параметрами с помощью стационарных регуляторов, рассчитанных по критерию МСУ.

4. Разработана методика идентификации характеристик объемных и механических потерь гидроприводов. Ее положения реализованы при идентификации моментов трений и функций утечек аксиально-поршневых гадромашин типа "Зауэр"', а также при идентификации гидропривода манипулятора РБК. ' ■

5. Проведены экспериментальные исследования электрогидравлического следящего привода манипулятора, входящего в состав опытного образца РБК-4. Результаты испытаний подтвердили: корректность математической модели манипулятора как объекта управления; корректность предложенных формул для расчета установившихся давлений в гидроприводе дроссельного регулирования с несимметричным гидроцилиндром; адекватность разработанной нелинейной модели электрогидравлического следящего привода манипулятора реальному объекту; работоспособность предложенной структуры следящего привода мани-

пулятора как системы управления с переменными параметрами, при этом нелинейный программный закон управления обеспечивает квазиоптимальный по быстродействию апериодический процесс перемещения бурильной трубы с лотка накопителя на ось скважины и обратно; ро-бастную устойчивость ЭГСП манипулятора.

6. Разработаны способы и устройства диагностирования технического состояния гидроприводов, защищенные четырьмя авторскими свидетельствами на изобретения. Сформулированы рекомендации по созданию автоматизированной системы контроля и прогнозирования технического состояния и ресурса гидроприводов РБК.

7. Экспериментально подтверждена работоспособность предложенного метода прогнозирования на основе данных стендовых ресурсных испытаний гидрообъемных передач "Зауэр" N 23.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.c. 1183722 (СССР). МКИ Р15В 19/00. Способ диагностики технического состояния объемного гидропривода/ Ю.В.Загашвили, А.С.Марке лов, А.В.Мороз, В.Н.Савельев/ БИ. 1985. N 37.

2. A.c. 1183722 (СССР). МКИ Р15В 19/00. Устройство диагностики технического состояния объемного гидропривода / Ю.В.Загашвили, А.С.Маркелов, А.В.Мороз, Б.Н.Савельев/ БИ. 1985. N 37.

3. A.c. 1288388 (СССР). МКИ F15B 19/00. Устройство для диагностики технического состояния объемного гидропривода/ u.M.Басаев, Ю.В.Загашвили, Л.И.Игнатов и др./ БИ. 1987. N5.

4. A.c. 1401167 (СССР). МКИ F15B 19/00. Устройство для диагностики технического состояния объемного гидропривода/ и.М.Бабаев, Ю.В.Загашвили, Л.Н.Игнатов и др./ БИ. 1988. N21.

5. A.c. 1764030 (СССР). МКИ G05B 11/01. Следящая система/ Ю.В.За-гаввили, В.Ю.Никитин, С.М.Рябинова/ БИ. 1992. N35.

6. Бессонов A.A., Загашвили Ю.В. Аналитический метод построения таблиц типовой идентификации/'/ Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1980, N4, с.214.

7. Бессонов A.A., Загашвили Ю,В. Исследование модифицированного регуляризирующего алгоритма статистической идентификации.// Изв. ВУЗ. Приборостроение, 1982, И 6, с.49-52.

8. Бессонов A.A., Загашвили Ю.В., Маркелов A.C. Методы и средства идентификации динамических объектов. -Л.: Энергоатомиздат, 1989. -280 с.

9. Бессонов A.A., Загашвили Ü.B., Рябинова С.M. Анализ автомодель-ности процессов изменения технического состояния объектов// Повышение качества и надежности промышленных изделий: Материалы Ю-ой Республиканской конференции. -JI.: ЛДЕШ1, 1989, с.86-88.

10. Вартыкян В.Г., Загашвили Ю.В., Рябинов М.Н. Прогнозирование технического состояния и ресурса гвдрофицированных буровых установок// Повышение качества и надежности геологоразведочной техники. -Л.: ВМТР, 1987, с.48-53.

11. Волков А.Н., Загашвили Ю.В. Метод синтеза систем автоматического управления с максимальной степенью устойчивости и заданной колебательностью // Известия РАН. Теория и системы управления, 1997, N1, с.35-41 .

12. Волков А.Н., Загашвили Ю.В. Метод синтеза систем автоматического управления с максимальной степенью устойчивости при наличии ограничений // Известия РАН. Теория и системы управления, 199?, N 3, с.12-19.

13. Загашвили Ю.В., Маркелов A.C., мороз A.B., Савельев Б.Н. Процедуры детерминированной и статической идентификации гидроприводов// Проблемы оптимизации в машиностроении: Тезисы докладов Всесоюзного семинара-совещания. -Харьков: ХПИ, том 1, 1982, с.56.

14. Загашвили Ю.В., Маркедоь A.C., Мороз A.B., Рябинова ü.M. Математическое моделирование при испытаниях силовых гидроприводов//' Тезисы.докладов XVI Всесоюзного научно-технического совещания по гидроавтоматике. -Киев: КНИГА, 1983, с.56-57.

15. Загашвили Ю.В., Мороз A.B., Рябинова С.М., Савельев Б.Н. Прогнозирование технического состояния и ресурса силовых гидроприводов// Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики. -Л.: ДЦШП, 1987, с.59-64.

16. Загашвили Ю.В., Маркелов A.C., Мороз A.B., Савельев Б.Н. Применение методов идентификации для диагностики технического состояния гидропередач// Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики. -Л.: ЛДНТП, 1987, с. 83-87.

17. Загашвили Ю.В., Рябинова С.М. Анализ динамики манипулятора роботизированного бурового комплекса// Разработка и совершенствование методов и средств оптимизации и автоматизации алмазного бурения. -Л.: ВИТР, 1988, с. 97-1Û6.

18. Загашвили Ю.В. Синтез цифрового линейного регулятора электрогидравлического следящего привода манипулятора// Повышение качества и надежности геологоразведочной техники. -Л.: ВМТР, 1990, с.55-61.

19. Загашвили Ю.В. Управление приводом манипулятора роботизированного бурового комплекса// Элементы и системы управления робо-технических комплексов для экстремальных сред. -Л.: ЛДНТП, 1990, с. 33-38.

20. Загашвили Ю.В., Попов А.М., Савельев Б.Н. Частотные метода синтеза линейных следящих систем. -Л.: ЛМИ, 1989. -54с.

21. Загашвили Ю.В., Никитин В.Ю., Рябинова С.М. Управление процессом спуска-подъема в роботизированном буровом комплексе// Приводы 90: Тезисы докладов и Всесоюзного межотраслевого научно-технического совещания. -Л.: ЛМИ, 1990, с. 113-119.

22. Загашвили Ю.В., Копштейн А.Я., Рябинова С.М. Квазиоптимальное по быстродействию управление следящим приводом манипулятора роботизированного бурового комплекса// Исследование и разработка методов и средств для реализации высокоэффективной ресурсосберегающей технологии геологоразведочного бурения. -Л.: ВИТР, 1990,

с.145-150.

23. Загашвили Ю.В. Управление приводом вращателя бурового комплекса // Исследование и разработка технологий и новых технических средств для геологоразведочного бурения. -СПБ.: ВИТР, 1993, с. 117-123.

24. Загашвили Ю.В., А.Н.Волков. Уточнение достаточных условий расположения корней характеристических многочленов в заданном секторе // Изв. ВУЗ. Электромеханика, N5-6, 1996, с.71-73.

25. Загашвили Ю.В. Линейная модель гидропривода дроссельного регулирования с несимметричным гидроцилиндром// Методика к техника разведки, N3 (141). -СПб.: ВИТР, 1993, с.38-45.

26. Загашвили Ю.В. Прогнозирование ресурса технических систем//Ди-агностика, информатика и метрология - 94. СПо, 1994, с.63-65.

27. Загашвили Ю.В., Волков А.Н. Синтез стабилизирующего закона управления приводом подачи по критерию максимальной степени устойчивости// Методика и техника разведки, N 4 (142). -СПб.: ВИТР, 1995, с.105-109.

28. Загашвили Ю.В. Прогнозирование ресурса технических систем//

Изв.ВУЗ. Машиностроение, 1995, N 10-12, с.9-12.

29. Загашвили Ю.В. Уточненная линейная модель гидропривода дрос сельного регулирования с несиммтеричным гидроцилиндром // Робото техника. Выпуск 1. -М. -СПб.: ВГТУ, 1996, с.108-114.

30. Загашвили Ю.В., Волков А.Н. Метод синтеза систем автоматичес кого управления с максимальной степенью устойчивости и гарантиро ванной колебательностью// Робототехника и мехатроника. Выпуск 1 -М. -СПб.: ВГТУ, 1996, с.143-153.

31. Загашвили Ю.В., Волков А.Н. Методика синтеза систем автомата ческого управления с максимальной степенью устойчивости и заданно; колебательностью// Методика и техника разведки, N 7 (145). -СПб. ВИТР, 1996, с.61-74.

32. Загашвили Ю.В., Волков А.Н. Метод синтеза систем автоматичес кого управления с максимальной степенью устойчивости при наличи ограничений// Системы управления - конверсия - проблемы. -Ковров КГТА, 1996, с.7-8.

33. Загашвили Ю.В., Волков А.Н. Уточнение достаточных условий рас положения корней характеристических многочленов в заданной сектор //Системы управления-конверсия-проблемы. -Ковров, КГТА, 1996,с.45

34. Мороз A.B., Загашвили Ю.В., Савельев В.Н. Опытно-теоретически: метод испытаний силовых гидроприводов// Новое в проектировании ; эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики.-Л. ДЦНТП, 1984, с.9-12.

35. Мороз A.B., Савельев Б.Н., Загашвили Ю.В., Маркелов A.C., Шев ченко B.C. Опыт создания автоматизированного стедового оборудова ния для испытаний технических систем// Надежность и безопасност технических систем. -Мн.: Белоргстанкинпромиздат, 1997, C.1Q9-11Ü

36. Потапов A.M., Мороз A.B., Савельев Б.Н., Загашвили Ю.В. опы создания автоматизированных двухместных моделирующих стендов дл обеспечения эффективности и безопасности ресурсных испытаний гид роприводов// Новое в проектировании и эксплуатации автоматически приводов и систем гидроавтоматики. -Л.: ЛДНТП, 1984, с.12-17.

37. Потапов A.M., Мороз A.B., Савельев Б.Н., Загашвили Ю.В. Совре менные методы и средства обеспечения надежности силовых гидроооъе мных передач// Новое в проектировании и эксплуатации автоматичес ких приводов и систем гидроавтоматики. -Л.: ЛДНТП, 1985, с.4-9.

38. Zagashvili Y.Y. Synthesis of maximal stable linear control sy

stems with target oscillating capabilities// Hydravlics and Automation. Collection of Tampere University of Technology, 1994, p. 31-32.

39. Zagashvili Y.V., Volkov A.N. Sintliesis of linear control systems with maximum degree of stability// Multiple criteria and date problems under uncertainty. Abstracts. -Moscow, 1996, p.133.

Тип.БГТУ. Подписано в печать 31.03.1998 г. Объем 2,0. Тираж 110 экз. Заказ N 34.

fr

¡ i

Ï

/

БАЖИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ВОЕНМЕХ" им-Д.Ф-Устинова

На правах рукописи

ЗАГАШВИЛИ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИМИ ПРИВОДАМИ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.13.01 - Управление в технических

системах

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

доктора технических наук

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ -

деятель науки и техники РФ

А.М.ПОТАПОВ

Санкт-Петербург 1998

содержанйе

УСТАНОВОК

О тр.

г?

ВВЕДЕНИЕ. Цели и задачи исследовании................... ?

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕМ ГИДРОПРИВОДОВ БУРОВЫХ

А Г"> 1 {

уу

оо

о<с

1.1. Общая характеристика буровых комплексов как объектов управления. Описание типовых гидравлических схем приводов буровой техники .........................17

1.2. Математические модели гидроприводов буровых комплексов дроссельного регулирования .........______ 22

1.3. Линеаризация математической модели гидропривода дроссельного регулирования .......................... 25

1.4. Математические модели гидроприводов буровых комплексов объемного регулирования .................

1.5. Идентификация характеристик потерь гидроприводов объемного регулирования ............................

1.6. Анализ влияния температуры рабочей жидкости на объемные потери гидроприводов.............................48

1.7. Выводы по первой главе .............................. 55

2. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМИ ПРИВОДАМИ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ БУРОВЫХ КОМПЛЕКСОВ.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ С МАКСИМАЛЬНОЙ

СТЕПЕНЬЮ УСТОЙЧИВОСТИ................................. 57

2.1. Критерии и законы управления следящими приводами исполнительных механизмов буровых комплексов .......................................... 57

2.2. Нелинейные законы управления следящими приводами, обеспечивающие квазиоптимальные

по быстродействию апериодические процессы согласования ........................................ 54

2.3. Анализ методов синтеза линейных следящих систем. Линейные следящие системы с максимальной

степенью устойчивости ............................... 69

2.4. Метод синтеза линейных систем управления с максимальной степенью устойчивости при наличии ограничений. Методика синтеза систем управления

с максимальной степенью устойчивости ................ 76

2.5. Проблема робастной и относительной устойчивости линейных систем управления .......................... 87

2.6. Уточнение достаточных условий расположения корней полиномов в заданном секторе

комплексной плоскости ............................... 94

2.7. Выводы по второй главе .............................. 98

3. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СЛЕДЯНЩМ ПРИВОДОМ

МАНИПУЛЯТОРА РОБОТИЗИРОВАННОГО БУРОВОГО КОМПЛЕКСА.....101

3.1. Описание работы привода манипулятора и

требований к его функционированию ...................101

3.2. Анализ математической модели гидропривода манипулятора........................................105

3.3. Идентификация гидропривода манипулятора.............114

3.4. Синтез нелинейного закона управления приводом манипулятора, обеспечивающего квазиоптимальный по быстродействию апериодический процесс согласования ........................................122.

3.5. Синтез линейного регулятора следящего привода манипулятора по критерию максимальной степени устойчивости.........................................127

3.6. Анализ робастной устойчивости

следящего привода манипулятора......................140

3.7. Результаты экспериментальных исследований

привода манипулятора ...............................14.3

3.8. Выводы по третьей главе.............................148

4. УПРАВЛЕНИЕ ЗЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СЛЕДЯЩИМ ПРИВОДОМ ВРАЩАТЕЛЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО БУРОВОГО КОМПЛЕКСА........150

4.1. Описание гидропривода вращателя .....................150

4.2. Анализ математической модели гидропривода

вращателя ...........................................157

4.3. Синтез линейного регулятора привода вращателя

по критерию максимальной степени устойчивости .......161

4.4. Анализ робастной устойчивости следящего гидропривода вращателя ............................169

4.5. Выводы по четвертой главе ...........................172

5. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СЛЕДЯЩИМ ПРИВОДОМ МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМНИКА РОБОТИЗИРОВАННОГО БУРОВОГО

КОМПЛЕКСА В РЕЖИМЕ СПУСКА-ПОДЪЕМА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ...173

5.1. Общая характеристика гидроприводов механизма подъемника ..........................................173

5.2. Анализ математической модели гидропривода механизма подъемника в режиме спуска-подъема бурильной колонны ...................................177

5.3. Синтез нелинейного закона управления, обеспечивающего квазиоптимальный по быстродействию апериодический переходный процесс спуска-подъема бурильной колонны...................................180

5.4. Синтез линейного регулятора привода механизма подъемника в режиме спуска-подъема бурильной

колонны по критерию максимальной степени

устойчивости ........................................ 185

5.5. Анализ робас-тной устойчивости следяще г

и

привода подъемника в режиме спуска-подъема

бурильной колонны ...................................191

5.6. Выводы по пятой главе ...........................................194

6. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИМ СЛЕДЯЩИМ ПРИВОДОМ МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМНИКА РОБОТИЗИРОВАННОГО БУРОВОГО КОМПЛЕКСА В РЕЖИМЕ ПОДАЧИ .............................196

6.1. Анализ математической модели гидропривода подачи ....196

6.2. Синтез линейного регулятора привода подачи в режиме стабилизации скорости механической проходки по критерию максимальной степени устойчивости.......................................................199

6.3. Синтез линейного регулятора привода подачи в режиме стабилизации осевой нагрузки по критерию максимальной степени устойчивости ...................214

6.4. Анализ робастной устойчивости следящего привода подъемника в режиме подачи ..........................218

6.5. Выводы по шестой главе..............................221

7. ДИАГНОСТИКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ГИДРОПРИВОДОВ БУРОВЫХ УСТАНОВОК ............. 223

7.1. Обоснование принципов .автоматизации процедур диагностики и прогнозирования технического

состояния гидроприводов буровых установок ........... 223

7.2. Математические модели работоспособности исполнительных гидроприводов РБК.................... 230

7.3. Алгоритмы автоматизированного диагностирования показателей технического состояния исполнительных

otro iGU O

¡GU^:

OftM

(GO í

ГИДРОПРИВОДОВ РБК..........................................233

7.4. Прогнозирование технического состояния гидроприводов..............................................238

7.5. Прогнозирование технического состояния

гидропередач типа "Зауэр" ...........................244

7.6. Выводы по седьмой главе .............................255

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Анализ рядов выборочных отношений

объемных потерь гидропередач ......

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Доказательства утверждений главы 2 ....292

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчет характеристик нагрузки привода манипулятора, приведенной к штоку исполнительного гидроцилиндра ......... 299

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Обоснование выбора структуры обобщенной модели изменения

технического состояния объектов .......310

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Определение закона распределения

линейной функции с тремя случайными

параметрами .....................................314

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Описание численного алгоритма

определения остаточного ресурса

гидропередачи ......................... 328

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Результаты расчета процесса перемещения бурильной трубы

приводом манипулятора ................. 330

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Акт внедрения результатов

диссертации .........................................333

ВВЕДЕНИЕ. Цели и задачи исследований

Несмотря на резкий спад физических объемов бурения в условиях перехода России к рыночным отношениям, создание качественно новой высокопроизводительной отечественной техники для геологоразведочного бурения является важной народнохозяйственной задачей [4, 10, 19, 47, 88, 91, 100, 173, 183]. В настоящее время существуют объективные предпосылки решения названной задачи на основе комплексного использования современных технических средств и потенциальных возможностей прогрессивных способов бурения [4, 9, 10, 19, 20, 40, 47, 53, 88, 97 - 99, 139, 155, 173, 181-183].

Анализ литературных источников, патентные исследования, опыт отечественного и зарубежного проектирования позволили определить следующие основные тенденции совершенствования техники геологоразведочного бурения [4, 9, 18-21, 33, 35, 39, 47, 53, 54, 88, 89, 91-93, 96-100, 127, 139, 155, 160, 173, 174, 181-183, 188, 190]:

- комплексная автоматизация технологических процессов,

- гидрофикация буровых установок,

- применение подвижного вращателя,

- компьютеризация и наличие системы управления.

Необходимость комплексной автоматизации буровых установок

обусловлена следующими факторами. Во-первых, непроизводительные затраты составляют более 50% в общем балансе времени при бурении [35, 39, 91, 92, 188]. Причем это соотношение имеет тенденцию к росту из-за уменьшения времени чистого бурения при увеличении глубины скважины и скорости проходки. Снижение непроизводительных затрат времени может быть до-

стигнуто путем автоматизации вспомогательшх и, прежде всего, спуско-подъемных операций. Во-вторых , автоматизация позволяет оптимизировать собственно технологический процесс бурения и повысить его производительность на 30-80% [4, 40, 53, 96-100, 173]. В-третьих, автоматизация повышает процент выхода керна, его качество и достоверность [9, 64, 96, 97, 139].

Задачам автоматизации технологических процессов бурения в наибольшей степени отвечают гидрофицированные буровые установки [35, 39, 40, 47, 89, 91-93, 173, 188]. Известные преимущества гидроприводов - быстродействие и энергоемкость -позволяют создавать эффективные электрогидравлические следящие системы для плавного управления основными параметрами технологических процессов. Кроме того, малые массогабаритные характеристики гидроприводов облегчают применение схемы с подвижным вращателем. Гидрофикация буровых установок позволяет также выдерживать автодорожные габаритные ограничения, унифицировать системы управления, укрытия и транспортные базы установок разных размерных классов. Следует отметить, что в полной мере технические и экономические преимущества гидроприводов проявляются при мощностях свыше 10 кВт, т.е. для буровых установок средних и больших размерных классов.

Подвижный вращатель обеспечивает многофункциональность механизмов буровых установок и, тем самым, сокращение времени спуско-подъемных операций [35, 39, 40, 47, 64, 91-93]. Так, подъемник выполняет функции механизма подачи, вращатель, помимо основного назначения, служит элеватором и трубораз-воротом. Совмещение функций позволяет также уменьшить метал-

лоемкость конструкции.

В перспективных образцах буровых установок все исполнительные механизмы должны функционировать в автоматическом программном режиме под контролем системы управления и человека-оператора. Основные задачи, решаемые с помощью системы управления, состоят в следующем [4, 18, 21, 33, 39, 40, 53, 54, 92, 96-100, 139, 155, 173, 181-183, 189, 190]:

- программное управление вспомогательными операциями -спуском (подъемом) буровой колонны, доставкой труб на ось скважины и обратно, свинчиванием (развинчиванием) колонны;

- поддержание режимов бурения (частоты вращения, осевой нагрузки и др.), а в перспективе - автоматический выбор и поддержание оптимальных параметров режимов бурения, адаптированных к буримым породам и состоянию породоразру-шающего инструмента;

- оценка и прогнозирование технического состояния механизмов, сигнализация о предаварийных состояниях;

- регистрация экономических и отчетных показателей процесса бурения, индикация режимных параметров;

- оперативная обработка геолого-технологической информации.

Решение комплекса указанных задач возможно лишь на основе иерархической системы управления с использованием ЭВМ. Реализация принципа децентрализованного управления с использованием локальных контроллеров, работающих под управлением центральной ЭВМ, позволяет обеспечить параллельное решение нескольких задач без существенного усложнения аппаратных средств, легко изменять алгоритмы и программы,

повысить надежность, живучесть и ремонтопригодность установок.

В бывших СССР и странах СЭВ, а затем в России базовыми организациями по разработке бурового оборудования являлись Всесоюзный (в настоящее время - Всероссийский) научно-исследовательский институт методики и техники разведки (ВИТР), Санкт-Петербург и СКВ "Геотехника", Москва. Усилиями этих организаций совместно с заводами России и Украины внедрены буровые станки типа СКВ, соответствующие на рубеже 70-х-80-х годов лучшим мировым образцам [10, 20, 57, 91, 97].

Перспективы развития геологоразведочного бурения в России на 1993-1997 годы определяются "Программой разработки технологий и технических средств для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые и воду", утвержденной в 1992 г. Согласно этой Программе ВМТРом разработаны и проходят испытания гидрофицированные буровые станки с подвижным вращателем АВ-2 и АВ-5 для бурения скважин глубиной 400 и 800м [10, 20, 173]. СКВ "Геотехника" созданы полностью гидрофицированные буровые комплексы типа КГК для бурения вертикальных скважин глубиной до 300 м [ 182 ]. Названные разработки соответствуют современным требованиям, предъявляемым к буровому оборудованию.

Перспективным этапом развития техники для геологоразведочного бурения является создание ряда роботизированных гидрофицированных буровых комплексов [10, 20, 40, 47, 99, 100, 173].

Сотрудниками ВИТР под руководством главного конструктора Г.Л.Власова создан экспериментальный образец первого отечественного роботизированного бурового комплекса четвертого

размерного класса РБК-4 и подготовлено техническое задание на его изготовление [20, 35, 39, 40, 47, 173, 174, 190].

Комплекс РБК-4 является передовым прогрессивным решением не только в области бурового машиностроения, но и необходимым первичным звеном качественно новой системы проведения геологоразведочных работ как в области методики разведки месторождений полезных ископаемых, так и в области оперативного получения, обработки и передачи информации на базе микропроцессорной техники [10, 20, 40, 47, 99, 100, 155, 173].

Однако обсуждение технико-экономического обоснования РБК и опыт эксплуатации экспериментального образца РБК-4 выявили ряд проблем, без решения которых роботизированные комплексы не смогут достичь планируемой эффективности геологоразведочных работ. К числу наиболее актуальных проблем относятся [4, 10, 21, 33, 39, 40, 47, 53, 54, 99, 100, 155, 173]:

- необходимость программно-алгоритмического обеспечения РБК для управления технологическими операциями и оперативного получения геологической информации;

- обеспечение надежности и, в частности, ремонтопригодности РБК;

- необходимость комплексного подхода при производстве РБК с одновременным созданием специнструмента, промывочных растворов, бурильного вала;

- подготовка потребителей, ремонтных баз, центров переподготовки кадров.

Таким образом, в связи с созданием РБК в технике геологоразведки впервые конкретизировалась проблема автоматического управления технологическим процессом бурения в це-

лом [10, 21, 40, 100, 173].

Следуя терминологии работы [97], выделим два уровня решения этой проблемы:

- первый уровень - стратегическое управление для решения технологических, геологических и технико-экономических задач;

- второй уровень - тактическое , т.е. непосредственное управление исполнительными механизмами для реализации решений, принятых на стратегическом уровне.

Стратегическое управление технологическими процессами бурения наиболее полно исследовано Е.А.Козловским [96-100] , оно отражено также в работах [9, 91, 139, 173].

Вопросами выбора режимов бурения в рейсе, т.е. управлению на тактическом уровне, посвящены многочисленные работы: Е.А.Козловского, Р.Х.Гафиятуллина, А.М.Комарова, В.М.Питерского [4, 96-100, 173], В.Г.Кардыша, Б.В.Мурзакова, А.С.Ок-мянского [91, 92, 182], И.С.Афанасьева, Г.А.Блинова, В.Г.Вар-тыкяна, В.И.Васильева, Г.Л.Власова, И.М.Гинзбурга, З.К.Егорова, П.П.Пономарева, В.П.Онищина [9, 18-21, 33-35, 39, 40, 53, 54, 64, 88, 155, 163, 174, 183, 190], Б.И.Воздвиженского, Л.К. Горшкова [139], Н.И.Терехова [181] и других авторов . Создан ряд систем автоматического управления процессом бурения -ВАРС-1, САОПБ-1 , АЛМАЗ, АРП-2, АСУТП-Б, ПАРУС, МИКРОБУР и др., прошедших апробацию в производственных условиях [53, 98, 173].

Однако при разработке подобных САУ большинство авторов не учитывают динамику приводов исполнительных механизмов, оказывающую значительное влияние на качество программного управления технологическими процессами. Исключение составляют

работы [30, 99, 135, 163, 181, 195], в которых рассматриваются модели, главным образом, электроприводов буровых станков.

Особенностями функционирования приводов буровых установок в реальных условиях эксплуатации являются [30, 39, 54, 89, 96, 139, 155, 176, 181]: многорежимность, переменность инерционных и статических нагрузок, нелинейность и нестационарность процессов взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем, упругость механических передач, нелинейные динамические характеристики бурильной колонны.

Отмеченные особенности в сочетании с пов ы шенными по сравнению с прототипами требованиями, предъявляемыми к показателям качества приводов современных буровых установок (быстродействию, статической и �