指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向偏置執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是集機(jī)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(jìn)方向?qū)崟r(shí)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水平井和三維多目標(biāo)井等復(fù)雜井眼的鉆探。鑒于實(shí)際復(fù)雜的工況，傳統(tǒng)的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方法在穩(wěn)定性和快速性等性能較差。因此，對(duì)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出合理的控制方案對(duì)延長(zhǎng)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(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，圍繞地層力和芯軸合成應(yīng)力模型、導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型、動(dòng)力學(xué)控制仿真與分析以及芯軸應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)展開(kāi)

2、研究，主要工作如下：
　　首先，建立地層力和芯軸合成應(yīng)力模型。在系統(tǒng)分析了芯軸的工作狀態(tài)基礎(chǔ)上，通過(guò)受力分析，建立了地層力的數(shù)學(xué)模型?；诘谒膹?qiáng)度理論，建立了芯軸的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及周向應(yīng)力的芯軸合成應(yīng)力模型。
　　然后，建立導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型。基于基爾霍夫定律，建立了伺服電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用牛頓方程，建立了偏置機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；基于伺服電機(jī)系統(tǒng)與偏置機(jī)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系，構(gòu)建了基于Simulink

3、的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型。
　　在Simulink中進(jìn)行導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制仿真分析。應(yīng)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(jī)系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間，同時(shí)芯軸應(yīng)力波動(dòng)明顯減小。
　　最后，進(jìn)行了芯軸應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。搭建了基于電阻應(yīng)變片、集流器以及電阻應(yīng)變儀的導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)芯軸應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了在常激勵(lì)下的芯軸應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了理論模型的正