指向式旋轉(zhuǎn)導向偏置執(zhí)行機構(gòu)動力學控制研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(shù)是集機械、電子以及液壓于一體的新興石油鉆探技術(shù)，具有鉆井摩阻小、鉆進方向?qū)崟r可調(diào)等優(yōu)點，廣泛應用于水平井和三維多目標井等復雜井眼的鉆探。鑒于實際復雜的工況，傳統(tǒng)的導向執(zhí)行機構(gòu)控制方法在穩(wěn)定性和快速性等性能較差。因此，對導向執(zhí)行機構(gòu)提出合理的控制方案對延長使用壽命和提高可靠性具有重要意義。本文面向一種靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向執(zhí)行機構(gòu)，圍繞地層力和芯軸合成應力模型、導向執(zhí)行機構(gòu)仿真模型、動力學控制仿真與分析以及芯軸應力測試實驗展開

2、研究，主要工作如下：
　　首先，建立地層力和芯軸合成應力模型。在系統(tǒng)分析了芯軸的工作狀態(tài)基礎(chǔ)上，通過受力分析，建立了地層力的數(shù)學模型?；诘谒膹姸壤碚?，建立了芯軸的軸向應力、彎曲應力、扭轉(zhuǎn)應力、徑向應力以及周向應力的芯軸合成應力模型。
　　然后，建立導向執(zhí)行機構(gòu)仿真模型?；诨鶢柣舴蚨?，建立了伺服電機系統(tǒng)的數(shù)學模型；應用牛頓方程，建立了偏置機構(gòu)的數(shù)學模型；基于伺服電機系統(tǒng)與偏置機構(gòu)的輸入輸出關(guān)系，構(gòu)建了基于Simulink

3、的導向執(zhí)行機構(gòu)仿真模型。
　　在Simulink中進行導向執(zhí)行機構(gòu)動力學控制仿真分析。應用Simulink內(nèi)嵌的工具，優(yōu)化了PID參數(shù)；仿真結(jié)果表明，優(yōu)化的PID參數(shù)可以顯著縮短伺服電機系統(tǒng)的調(diào)整時間，同時芯軸應力波動明顯減小。
　　最后，進行了芯軸應力測試實驗。搭建了基于電阻應變片、集流器以及電阻應變儀的導向執(zhí)行機構(gòu)芯軸應力測試實驗平臺，開展了在常激勵下的芯軸應力測試實驗，實驗測試與理論仿真結(jié)果基本吻合，驗證了理論模型的正