連續(xù)波泥漿脈沖器控制策略研究

閆宏亮，石文龍，2，張奇志

(1.西安石油大學(xué) 陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.新天科技股份有限公司 研發(fā)中心，河南 鄭州 450001)

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連續(xù)波泥漿脈沖器控制策略研究

閆宏亮1，石文龍1，2，張奇志1

(1.西安石油大學(xué) 陜西省油氣井測控技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；2.新天科技股份有限公司 研發(fā)中心，河南 鄭州 450001)

首先對轉(zhuǎn)閥和驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，然后采用頻移鍵控和相干解調(diào)方式仿真研究了連續(xù)波脈沖器的數(shù)據(jù)傳輸過程。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮通道噪聲時，由于濾波環(huán)節(jié)性能已很難再改善，采用PI控制策略無法正確解調(diào)，故采用滑?？刂聘纳齐姍C(jī)動態(tài)性能，從而實現(xiàn)了正確解調(diào)。說明研究控制策略提高驅(qū)動電機(jī)動態(tài)性能有利于提高信號傳輸質(zhì)量。這對于連續(xù)波脈沖器的實物制作具有重要的參考價值。但是并未考慮傳輸過程中出現(xiàn)的信號衰減和延遲等情況，仿真中僅用高斯噪聲模擬了信道中的噪聲，這些問題有待進(jìn)一步地研究解決。

連續(xù)波泥漿脈沖器；永磁同步電機(jī)；MATLAB；FSK；仿真

閆宏亮，石文龍，張奇志.連續(xù)波泥漿脈沖器控制策略研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，31(6)：97-103.

YAN Hongliang，SHI Wenlong，ZHANG Qizhi.Research on control strategy of continuous wave mud pulser[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):97-103.

引 言

隨鉆測量是指在鉆井過程中對諸如井斜角、方位角和工具面角等井下參數(shù)進(jìn)行實時測量，再將測量信息及時上傳至地面，然后加以分析處理的過程。通過對井下測量信息的分析,可及時有效地進(jìn)行綜合地層評價,對鉆井軌跡及時糾偏,完善鉆進(jìn)過程[1]。

連續(xù)波泥漿脈沖器是無線隨鉆測量的一種，其成本適中，性能可靠，制造工藝較為簡單，相比于傳統(tǒng)的正脈沖器，傳輸速率有很大提升，應(yīng)用前景可觀。但目前該技術(shù)僅被國外少數(shù)公司壟斷，所以研究其數(shù)據(jù)傳輸過程，對于制造我國自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，滿足我國日益增長的鉆井作業(yè)需求，提高隨鉆測量的技術(shù)水平具有重要意義。

1 轉(zhuǎn)閥數(shù)學(xué)建模與仿真

連續(xù)波脈沖器的節(jié)流閥由具有相同葉片數(shù)的定子和轉(zhuǎn)子組成。在電機(jī)驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子對應(yīng)定子的位置不斷發(fā)生改變，使泥漿流通面積發(fā)生變化，由此引起節(jié)流效應(yīng)從而形成鉆井液連續(xù)壓力脈沖；然后將井下測量信息調(diào)制在鉆井液脈沖信號上，沿鉆柱方向上傳，由地面設(shè)備檢測脈沖信號，通過解碼得到井下參數(shù)實時信息[2-3]?，F(xiàn)在對其重要部件轉(zhuǎn)閥進(jìn)行建模。

連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器中的轉(zhuǎn)閥壓力脈沖的方程為[4]

(1)

式中：Q為流過泥漿脈沖器的泥漿流量，m3/s；Cd為泥漿脈沖器的流量系數(shù)；ρ為泥漿的密度，kg/m3；Δp為轉(zhuǎn)閥兩側(cè)的壓差，MPa；A為轉(zhuǎn)閥的流通面積，m2。

由式(1)可知，在Q、ρ、Cd一定的情況下，轉(zhuǎn)閥的兩側(cè)壓差的變化只和轉(zhuǎn)閥的流通面積有關(guān)。故而求出轉(zhuǎn)閥的流通面積，就可以得出轉(zhuǎn)閥的壓差變化。轉(zhuǎn)閥的壓力脈沖最大幅值設(shè)計為3.6 MPa,最小幅值為0.09 MPa。據(jù)此設(shè)計的轉(zhuǎn)閥定子如圖1所示，定子孔角：α1=42°，定子葉片角度：π/2-α1=48°，定子半徑R1=43 mm；轉(zhuǎn)子如圖2所示，轉(zhuǎn)子孔角：α2=40°，轉(zhuǎn)子葉片角度：π/2-α2=50°，轉(zhuǎn)子半徑R2=40.1 mm，d=15.5 mm，Q=0.02 m3/s，ρ=1.1×103kg/m3，Cd=0.7。下面對轉(zhuǎn)閥一個周期的面積變化進(jìn)行建模。

圖1 脈沖器定子圖Fig.1 Stator of pulser

圖2 脈沖器轉(zhuǎn)子圖Fig.2 Rotor of pulser

(a)轉(zhuǎn)閥流通面積上升階段

轉(zhuǎn)子葉片剛好全部堵在定子孔口，未被堵住的部分形成最小流通通道。整個持續(xù)時間轉(zhuǎn)過的角度為π/2-α1-α2=8°。最小流通面積即為圖3中斜線部分的面積

(2)

以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度β進(jìn)行分段，取轉(zhuǎn)閥最小流通面積時刻作為起始位置(如圖3所示)：0<β<40°是流通面積的上升階段。流通面積為

(3)

40°<β<42°是轉(zhuǎn)閥流通面積保持最大的階段，最大面積即為圖4中斜線部分的面積

(4)

圖3 轉(zhuǎn)閥最小流通面積圖Fig.3 Minimum flow area of rotary valve

圖4 轉(zhuǎn)閥最大流通面積圖Fig.4 Maximum flow area of rotary valve

(b)轉(zhuǎn)閥流通面積下降階段

以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行分段：42°<β<82°是轉(zhuǎn)閥流通面積的下降階段。流通面積為

(5)

82°<β<90°是轉(zhuǎn)閥流通面積保持最小的階段。

2 轉(zhuǎn)閥驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)的建模

連續(xù)波脈沖器轉(zhuǎn)閥控制電機(jī)需要安裝在鉆鋌內(nèi)，所以要求體積小、慣性小、轉(zhuǎn)矩大、維護(hù)工作量小。而永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率密度大、效率高等特點，適合用作轉(zhuǎn)閥控制電機(jī)。電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓48 V，額定轉(zhuǎn)速8 410 r/min，極對數(shù)1，轉(zhuǎn)動慣量7.63 g·cm2，R=1.79 Ω，L=0.313 mH。

控制系統(tǒng)采用矢量控制的方法[5-7],使定子電流勵磁分量id=0。永磁同步電機(jī)定子由三相SVPWM逆變器供電，轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)角θ。由轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)并經(jīng)過反PARK變化得到SVPWM調(diào)制器的電壓調(diào)制信號。檢測到的定子電流經(jīng)CLARKE變換和PARK變換，得到定子電流id和iq作為電流的反饋信號。

文獻(xiàn)[8]中介紹了泥漿脈沖器的轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩，通過三維流場仿真分析軟件CFD對影響水力轉(zhuǎn)矩的幾個因素進(jìn)行了分析。主要影響因素有定轉(zhuǎn)子間隙、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、泥漿的流量和轉(zhuǎn)閥開度。采用類似的分析處理方法，針對本文所設(shè)計的轉(zhuǎn)閥，通過CFD軟件分析得到轉(zhuǎn)閥的原始數(shù)據(jù)。設(shè)定轉(zhuǎn)子間隙為6 mm，流量為0.03 m3/s，那么在定轉(zhuǎn)子間隙、流量一定的條件下，水力轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)閥開度有關(guān)，兩者近似形成一個曲線關(guān)系。因為CFD軟件分析處理得到數(shù)據(jù)所需要的時間太久，這樣不利于進(jìn)行MATLAB仿真。所以考慮在MATLAB中進(jìn)行曲線擬合，得到水力轉(zhuǎn)矩的近似表達(dá)式，以函數(shù)的方式作用在永磁同步電機(jī)上，以考慮其對電機(jī)調(diào)速的影響。轉(zhuǎn)閥驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)總體仿真圖見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)閥驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖Fig.5 Simulation of rotary valve control system driven using motor

3 連續(xù)波泥漿脈沖器的FSK信息調(diào)制與解調(diào)仿真

連續(xù)波泥漿脈沖器的信息傳輸采用2FSK調(diào)制[9-10]，將井下信息的數(shù)字信號調(diào)制在2個不同頻率的載波信號上，采用相干解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。設(shè)低頻載波信號的頻率為f2，高頻載波信號的頻率為f1，基帶信號的頻率為f0。則低頻信號對應(yīng)的帶通濾波器的帶寬為(f2-f0)～(f2+f0)，高頻信號對應(yīng)的帶通濾波器的帶寬為(f1-f0)～(f1+f0)。為了能夠正確解調(diào)，要求2個帶通濾波器的頻帶不能重疊，所以有f1-f0≥f2+f0，也即是要求f1-f2≥2f0。

設(shè)f0=10 Hz，低頻載波在一個調(diào)制周期中有4個載波周期，故設(shè)f2=40 Hz，由以上分析可設(shè)載波信號f1=100 Hz，以f1載波信號傳輸信息1，f2載波信號傳輸信息0，使用高斯噪聲模擬傳輸信道中的噪聲，忽略傳輸過程中的信號衰減和延遲。使用Pulse Generator仿真模塊產(chǎn)生的脈沖信號模擬井下采集得到的信號，經(jīng)過2FSK信號調(diào)制和永磁同步電機(jī)調(diào)速，通過轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生壓力信號，再通過帶通濾波器和低通濾波器進(jìn)行濾波解調(diào)，最終得到井下傳輸?shù)男畔?。本研究選擇低通加高通濾波器來形成帶通濾波效果，這樣可使帶通濾波器上、下截止頻率處的幅頻特性曲線都比較陡，從而提升濾波性能。系統(tǒng)的總體的MATLAB/SIMULINK仿真圖如圖6所示，解調(diào)結(jié)果對比如圖7所示。

圖6 連續(xù)波泥漿脈沖器2FSK信號調(diào)制與解調(diào)仿真圖Fig.6 Simulation of 2FSK signal modulation and demodulation of continuous wave mud pulser

圖7 PI控制時的2FSK的數(shù)據(jù)信息解調(diào)結(jié)果對比圖Fig.7 Comparison of demodulation results of 2FSK data information using PI control

圖7(a)是仿真產(chǎn)生的脈沖數(shù)字信號的波形圖，由圖知要傳輸?shù)男畔?0101010；從圖7(b)可以看出加入高斯白噪聲后，2FSK的信號調(diào)制產(chǎn)生的壓力脈沖已經(jīng)被噪聲淹沒，看不到轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生的有用壓力脈沖；圖7(c)是解調(diào)后的波形圖，由圖易知解調(diào)結(jié)果錯誤。此時，通過對濾波器性能的提升已經(jīng)很難獲得正確解調(diào)。

對連續(xù)波泥漿脈沖器的工作過程進(jìn)行梳理，比如載波f2=40 Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波時需要30～50 Hz的波通過，而白噪聲中有一些該波段的噪聲，另外，轉(zhuǎn)閥驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速在切換時會產(chǎn)生些許震蕩，這也會產(chǎn)生該波段的噪聲。那么，可以考慮改進(jìn)轉(zhuǎn)閥驅(qū)動電機(jī)的控制策略，以提高電機(jī)的調(diào)速性能，從而減少由此產(chǎn)生的噪聲，進(jìn)而查看是否可以獲得正確解調(diào)。

4連續(xù)波泥漿脈沖器的控制策略研究

由于2FSK對電機(jī)的調(diào)速性能要求比較高，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠在不同的轉(zhuǎn)速之間迅速切換，并且能夠快速趨于穩(wěn)定，那么就能夠獲得較好的2FSK調(diào)制信號。因此，在對PMSM控制策略的改進(jìn)中，外環(huán)速度環(huán)的控制器采用滑?？刂?。

將PMSM的電壓方程和磁鏈方程代入轉(zhuǎn)矩方程中，且Ld=Lq，得

Te=1.5np(ψdiq-ψqid)=1.5npψfiq。

(6)

(7)

(8)

不妨做如下定義，設(shè)速度誤差為

e=ω*-ω。

(9)

其中，ω*為速度的給定。那么對式(9)求導(dǎo)，可以得到

(10)

在以上分析的基礎(chǔ)上，對滑?？刂浦械幕Ｃ孢M(jìn)行設(shè)計。

(11)

其中，系數(shù)c是一個正的常數(shù)，選取不同的c值，控制系統(tǒng)就可以獲得不同的動態(tài)性能。

要求速度的誤差能夠在有限的時間內(nèi)到達(dá)并維持在滑模面上。故采用等效滑?？刂?，輸出為

u=ueq+usw。

(12)

其中，ueq是滑模的等效控制部分，為的是保證系統(tǒng)的狀態(tài)在滑模面上。令

(13)

解得

(14)

usw是滑模的切換控制部分，為的是保證系統(tǒng)的狀態(tài)能夠維持在滑模面上，可以做如下定義

usw=ksgn(s)。

(15)

其中，k是一個正常數(shù)，sgn(s)是符號函數(shù)。

所以，滑?？刂坡煽梢栽O(shè)計如下：

u=ueq+usw=Ce+ksgn(s)。

(16)

下面對速度環(huán)的滑模控制器進(jìn)行MATLAB/ SIMULINK建模仿真。速度環(huán)的滑?？刂破鞣抡鎴D如圖8。其中，K1=6，K2=8，K3=0.8。電流環(huán)的PI參數(shù)為：KP=15，KI=2。

設(shè)電機(jī)在0～0.3 s時的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，0.3～0.6 s時的轉(zhuǎn)速為600 r/min。PMSM的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真波形圖如圖9。

相比PI控制時的轉(zhuǎn)速波動率1.6%，由圖9可以看出，滑?？刂茣r的轉(zhuǎn)速波動率為0.12%，轉(zhuǎn)速波動已經(jīng)非常小，調(diào)速性能有了很明顯的提升。下面按照圖6所示的2FSK數(shù)據(jù)信息的調(diào)制解調(diào)仿真圖進(jìn)行建模仿真，其中的電機(jī)的速度環(huán)模塊由圖8所示的仿真圖進(jìn)行替換。2FSK的數(shù)據(jù)信息解調(diào)結(jié)果對比如圖10所示。

圖10(a)是仿真產(chǎn)生的脈沖數(shù)字信號的波形圖，由圖知要傳輸?shù)男畔?0101010；從圖10(b)可以看出加入高斯白噪聲后，2FSK的信號調(diào)制產(chǎn)生的壓力脈沖已經(jīng)被噪聲淹沒，看不到轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生的有用壓力脈沖；圖10(c)是通過相干解調(diào)法解調(diào)后的波形圖，由圖知解調(diào)后的數(shù)字信號為10101010。解調(diào)結(jié)果正確， 只是因濾波而有些許的延遲。 而圖8的解調(diào)結(jié)果出現(xiàn)了較大的問題，無法正確解調(diào)。由此可見，對轉(zhuǎn)速環(huán)使用滑?？刂破鬟M(jìn)行改進(jìn)，確實可以使電機(jī)獲得較好的動態(tài)性能，進(jìn)而實現(xiàn)正確解調(diào)。因此，相比于傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速環(huán)采用滑?？刂撇呗赃M(jìn)行改進(jìn)是有效的。

圖8 速度環(huán)的滑?？刂破鞣抡鎴DFig.8 Simulation of sliding mode controller for speed loop

圖9 PMSM的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真波形圖Fig.9 Speed response simulation waveform of PMSM

圖10 滑模控制時的2FSK的數(shù)據(jù)信息解調(diào)結(jié)果對比圖Fig.10 Comparison of demodulation results of 2FSK data information using sliding mode control

5 結(jié) 論

(1)首先對轉(zhuǎn)閥和驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，然后采用頻移鍵控和相干解調(diào)方式仿真研究了連續(xù)波脈沖器的數(shù)據(jù)傳輸過程。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮水力轉(zhuǎn)矩的影響時，只有使帶通濾波器性能極端優(yōu)良才可正確解調(diào)，而進(jìn)一步考慮通道噪聲時，由于濾波環(huán)節(jié)性能已很難再改善，采用PI控制策略無法正確解調(diào)。

(2)采用滑?？刂聘纳齐姍C(jī)動態(tài)性能，實現(xiàn)了正確解調(diào)。說明研究控制策略提高驅(qū)動電機(jī)動態(tài)性能以及提高信號接收時的去噪性能均利于提高信號傳輸質(zhì)量。這對于連續(xù)波脈沖器的實物制作具有重要的參考價值。

(3)本文沒有考慮傳輸過程中出現(xiàn)的信號衰減和延遲等情況，仿真中僅用高斯噪聲模擬了信道中的噪聲，這些問題有待進(jìn)一步地研究解決。

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責(zé)任編輯：董 瑾

Research on Control Strategy of Continuous Wave Mud Pulser

YAN Hongliang1，SHI Wenlong1,2，ZHANG Qizhi1

(1.Shaanxi Key Laboratory of Measurement and Control Technology for Oil and Gas Wells,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China;2.Research and Development Center,Suntront Technology Co.Ltd.,Zhengzhou 450001,Henan,China)

Firstly,the modeling and simulation of rotary valve and motor control system are carried out,and then the data transmission process of continuous wave pulser is simulated by frequency shift keying and coherent demodulation.The simulation results show that,when considering the channel noise,the filter performance is hardly improved,correct demodulation can not be obtained using the PI control strategy.Therefore,the sliding mode control is adopted to improve the dynamic performance of the motor and to achieve correct demodulation.It is showed that the control strategy can improve the dynamic performance of the driving motor and the quality of signal transmission.This has an important reference value for the production of continuous wave pulse generator.But the signal attenuation and delay in the transmission process is not considered,and the noise in the channel is simulated by Gauss noise,which needs to be further studied and solved.

continuous wave mud pulser;PMSM;MATLAB;FSK;simulation

2016-03-15

陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(編號：15JS084)

閆宏亮(1975-),男，博士研究生，副教授，主要從事電機(jī)控制和電動鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)研究。 E-mail:hlyan@xsyu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.015

TE927

1673-064X(2016)06-0097-07

A