一种用于自动钻机系统的集成仿真模型与载荷控制方法 吴泽冰、 严哲、 林耀军、 陈健、 林一飞、 张志豪、 朱晓春、 刘克楠

《Processes》：An Integrated Simulation Model and Weight-on-Bit Control for Autodriller System Zebing Wu, Zhe Yan, Yaojun Lin, Jian Chen, Yifei Lin, Zihao Zhang, Xiaochun Zhu and Kenan Liu

　　

摘要

在石油钻井过程中，传统的自动钻井系统仍然严重依赖人工干预，这往往导致稳定性差、多变量协调能力有限以及钻井压力波动较大。为了解决这一问题，本研究开发了一种基于液压钻机的自动钻井系统，该系统集成了动力、驱动、执行和控制单元，并建立了一个机械-液压控制协同仿真模型，用于协调调节钻杆提升速度和钻头处的地面重量（SWOB）。基于该平台，设计了一个双环控制框架：内环采用线性主动干扰抑制控制（LADRC）进行快速干扰估计和补偿，外环采用PID控制进行跟踪调节。引入前馈补偿机制以应对可预测的负载变化，并利用PSO辅助的模糊调优方法提高系统在不同工作条件下的适应性。仿真结果表明，与传统的级联PID控制系统相比，所提出的控制器分别将液压钻机的速度超调和SWOB超调降低了12.5%和40%，同时相应的稳定时间缩短了1.805秒和2.443秒。在缩比测试平台上的原型实验进一步证明，所提出的控制器可以在实际硬件上实现，并能在实验室条件下保持稳定的实时调节性能。这些结果支持了所提出框架在本文考虑的仿真和实验室规模条件下的液压钻机协同控制的可行性。