石油钻机自动送钻智能控制系统
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摘要
随着石油行业竞争的日趋激烈，降低石油的开采成本就势在必行，于是研制新型的石油钻机就显得尤为重要，因为国内目前使用的钻机比较陈旧，控制方式非常落后，导致钻井周期长、钻头损坏率高，这是降低石油开采成本的重要制约因素；而且落后的控制方式使得钻井过程容易发生溜钻、卡钻等事故。因此针对国内石油钻机的这种落后现状，本文阐述了改造的石油钻机控制系统的整体设计，本文是以江汉石油管理局第四机械厂生产的陆地3000米ZI30DBT型钻机为依托的。
首先本文阐述了钻机的组成与工艺特点，然后描述了基于西门子s7-300PLC的控制系统组成，然后针对传统钻机自动送钻控制策略落后的缺陷，同时考虑到钻机的复杂性、大滞后等特点，提出了模糊控制算法与施密斯(Smith)预估控制算法相结合的控制策略，给出了基于液压盘式刹车的自动送钻智能控制策略，MATLAB的仿真实验证明该控制方式控制效果良好，各方面性能指标都达到理想要求。
本文最后针对模糊控制方法中量化因子与比例因子的整定问题，研究了基于各种性能指标的模糊整定方法，经过计算与实验，发现该方法切实可行，通过该方法整定好的各因子值使得模糊控制器的控制效果更佳。
At present, the competition of oil industry is very fury, so reducing the cost of exploitation of oil is imperative under the situation. But the oil drillers of our country are relatively old, and the control mode drops behind, which result in the long period of making hole and high ratio of aiguille attaint, which is the main restrict factor of reducing the cost of oil exploitation. In addition, the unadvanced control mode easily lead to the accidents of sliding driller or blocking driller. For changing the unadvanced actuality of oil driller in our country , this paper describe the integral design of control system for oil driller.
First this paper describes the composing and technics of drillers; Then the composing of control system based on s7-300PLC is described; Then thinking of such characteristics of oil driller as complexity and long delay, this paper brings forward the control strategy of combining the Fuzzy Control with Smith Estimate control algorithm, and sets down the way of Auto-driller based on discal hydraulic pressure brake. At last the experiment based on MATLAB by computer shows that the effect of this control mode is very good and all performance are famous.
At last in this paper, a Fuzzy Tuning Method is put forward to make sure the proportion gene (Ke, Kec and Ku) of Fuzzy Logic Controller. Lots of experiments indicate that this Fuzzy Tuning Method is very efficiency .
首先本文阐述了钻机的组成与工艺特点，然后描述了基于西门子s7-300PLC的控制系统组成，然后针对传统钻机自动送钻控制策略落后的缺陷，同时考虑到钻机的复杂性、大滞后等特点，提出了模糊控制算法与施密斯(Smith)预估控制算法相结合的控制策略，给出了基于液压盘式刹车的自动送钻智能控制策略，MATLAB的仿真实验证明该控制方式控制效果良好，各方面性能指标都达到理想要求。
本文最后针对模糊控制方法中量化因子与比例因子的整定问题，研究了基于各种性能指标的模糊整定方法，经过计算与实验，发现该方法切实可行，通过该方法整定好的各因子值使得模糊控制器的控制效果更佳。
At present, the competition of oil industry is very fury, so reducing the cost of exploitation of oil is imperative under the situation. But the oil drillers of our country are relatively old, and the control mode drops behind, which result in the long period of making hole and high ratio of aiguille attaint, which is the main restrict factor of reducing the cost of oil exploitation. In addition, the unadvanced control mode easily lead to the accidents of sliding driller or blocking driller. For changing the unadvanced actuality of oil driller in our country , this paper describe the integral design of control system for oil driller.
First this paper describes the composing and technics of drillers; Then the composing of control system based on s7-300PLC is described; Then thinking of such characteristics of oil driller as complexity and long delay, this paper brings forward the control strategy of combining the Fuzzy Control with Smith Estimate control algorithm, and sets down the way of Auto-driller based on discal hydraulic pressure brake. At last the experiment based on MATLAB by computer shows that the effect of this control mode is very good and all performance are famous.
At last in this paper, a Fuzzy Tuning Method is put forward to make sure the proportion gene (Ke, Kec and Ku) of Fuzzy Logic Controller. Lots of experiments indicate that this Fuzzy Tuning Method is very efficiency .
引文
1 王春行：液压伺服控制系统，机械工业出版社，1987
2 王裕清，韩成石：液压传动与控制技术，煤炭工业出版社，1997
3 刘长年：液压伺服系统优化设计理论，冶金工业出版社，1989
4 王占林：近代液压控制，机械工业出版社，1997
5 符明理，张芝孝：钻井机械，石油工业出版社
6 陈如恒，沈家骏：钻井机械的设计计算，石油工业出版社
7 N．J．亚当斯：钻井工程，石油工业出版社
8 刘希圣：钻井工艺原理(上册、中册)，石油工业出版社
9 [美]P．L．穆尔：钻井工艺技术，石油工业出版社
10 全永昕：工程摩擦学，浙江大学出版社
11 邵荷生，曲敬信：摩擦与磨损，煤炭工业出版社
12 沈心敏，闻英梅：摩擦学基础，北京航空航天大学出版社
13 刘曙光，魏俊民：模糊控制技术，中国纺织出版社
14 陈国良，曾静：模糊控制及其MATLAB应用，西安交通大学出版社，2002
15 薛定宇：反馈控制系统设计与分析，清华大学出版社，2000
16 胡寿松：自动控制原理，国防工业出版社
17 李士勇：模糊控制·神经控制和智能控制论，哈尔滨工业大学出版社，1998
18 安建钧，王建宏：ZJ40DBS变频钻机电传动系统，电器传动自动化2002(24)：2
19 史玉升，张嗣伟：机盘式刹车自动送钻微机控制方法研究OIL FIELD EQUIPMENT 1999，28(1)
20 王晓华，林立：钻机盘式刹车自动送钻的模糊控制研究制造业自动化2000，(22)：5
21 张连山，张永红：国外顶驱AC变频驱动的应用与发展，石油机械1998，(26)：5
22 姚恒申，江晓涛，刘清友：石油钻井钻头钻柱的纵向震动受力分析数理统计与应用概率1998，(13)：2
23 王以法：人工智能钻井实时控制专家系统研究，石油学报2001，(22)：2
24 张红杰，李爱中：一种具有自学习功能模糊控制器的设计与实现北方交通大学学报 1997，(21)：6
25 席爱民：计算机控制系统，陕西科学技术出版社，1994
26 王卫兵：可编程序控制器原理及应用，机械工业出版社，2002
27 D.A. Rutherford and G.C. Bloore: The Implementation of Fuzzy Algorithm for Control in Proc. IEEE,Vol.64,No.4,19
28 席爱民：自动控制系统中被控参数的预测，西安建筑科技大学学报1997，(29)：1
29 樊启蕴，林立：石油钻机盘式刹车制动系统，石油机械1999，(27)：12
30 Varco M/D Totco, Technical Bulletin.. Electronic driller, June 2000:19～22
31 Varco, Technical Bulletin: Automated hoisting system, June 2000:7～12
32 Composit Catalog of Oil Field Equipment & Services, 1998～1999 Published by Gull Publishing Company. USA
33 World Oil, 1999:1～3
34 Gerry Ryan, Jim Reynolds, Ferrier Raitt: New Technology Extend Reach of Stepouts, Petroleum Engineer International, November, 1995:29～34
35 贾铭新：液压传动与控制，国防工业出版社
36 谢新民，丁锋：自适应控制系统，清华大学出版社，2002
37 陶永华：新型PID控制及其应用，机械工业出版社，2003
38 张化光，何希勤：模糊自适应控制理论及其应用，北京航空航天大学出版社 2002
39 Graham C.Goodwin , Stefan F.Graebe , Mario E.Salgablo: CONTROL SYSTEM DESIGN, Tsinghua University Press
40 阳宪惠：现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1998
41 陈伯时：电力拖动自动控制系统，机械工业出版社
42 施仁，刘文光，郑辑光：自动化仪表与过程控制，电子工业出版社，2003
43 邵裕森：过程控制及仪表，上海交通大学出版社，1995
44 刘宝坤：计算机过程控制系统，机械工业出版社，2000
45 江秀汉，李萍，薄保中：可编程序控制器原理与应用，西安电子科技大学出版社
46 张红杰，李爱中：一种具有自学习功能模糊控制器的设计与实现，北方交通大学学报，Dec．1997 Vol．21 No．6
47 胡玉新，李宇成：模糊控制系统的模拟调试，北方工业大学学报Sept．1999 Vol．11 No.3
2 王裕清，韩成石：液压传动与控制技术，煤炭工业出版社，1997
3 刘长年：液压伺服系统优化设计理论，冶金工业出版社，1989
4 王占林：近代液压控制，机械工业出版社，1997
5 符明理，张芝孝：钻井机械，石油工业出版社
6 陈如恒，沈家骏：钻井机械的设计计算，石油工业出版社
7 N．J．亚当斯：钻井工程，石油工业出版社
8 刘希圣：钻井工艺原理(上册、中册)，石油工业出版社
9 [美]P．L．穆尔：钻井工艺技术，石油工业出版社
10 全永昕：工程摩擦学，浙江大学出版社
11 邵荷生，曲敬信：摩擦与磨损，煤炭工业出版社
12 沈心敏，闻英梅：摩擦学基础，北京航空航天大学出版社
13 刘曙光，魏俊民：模糊控制技术，中国纺织出版社
14 陈国良，曾静：模糊控制及其MATLAB应用，西安交通大学出版社，2002
15 薛定宇：反馈控制系统设计与分析，清华大学出版社，2000
16 胡寿松：自动控制原理，国防工业出版社
17 李士勇：模糊控制·神经控制和智能控制论，哈尔滨工业大学出版社，1998
18 安建钧，王建宏：ZJ40DBS变频钻机电传动系统，电器传动自动化2002(24)：2
19 史玉升，张嗣伟：机盘式刹车自动送钻微机控制方法研究OIL FIELD EQUIPMENT 1999，28(1)
20 王晓华，林立：钻机盘式刹车自动送钻的模糊控制研究制造业自动化2000，(22)：5
21 张连山，张永红：国外顶驱AC变频驱动的应用与发展，石油机械1998，(26)：5
22 姚恒申，江晓涛，刘清友：石油钻井钻头钻柱的纵向震动受力分析数理统计与应用概率1998，(13)：2
23 王以法：人工智能钻井实时控制专家系统研究，石油学报2001，(22)：2
24 张红杰，李爱中：一种具有自学习功能模糊控制器的设计与实现北方交通大学学报 1997，(21)：6
25 席爱民：计算机控制系统，陕西科学技术出版社，1994
26 王卫兵：可编程序控制器原理及应用，机械工业出版社，2002
27 D.A. Rutherford and G.C. Bloore: The Implementation of Fuzzy Algorithm for Control in Proc. IEEE,Vol.64,No.4,19
28 席爱民：自动控制系统中被控参数的预测，西安建筑科技大学学报1997，(29)：1
29 樊启蕴，林立：石油钻机盘式刹车制动系统，石油机械1999，(27)：12
30 Varco M/D Totco, Technical Bulletin.. Electronic driller, June 2000:19～22
31 Varco, Technical Bulletin: Automated hoisting system, June 2000:7～12
32 Composit Catalog of Oil Field Equipment & Services, 1998～1999 Published by Gull Publishing Company. USA
33 World Oil, 1999:1～3
34 Gerry Ryan, Jim Reynolds, Ferrier Raitt: New Technology Extend Reach of Stepouts, Petroleum Engineer International, November, 1995:29～34
35 贾铭新：液压传动与控制，国防工业出版社
36 谢新民，丁锋：自适应控制系统，清华大学出版社，2002
37 陶永华：新型PID控制及其应用，机械工业出版社，2003
38 张化光，何希勤：模糊自适应控制理论及其应用，北京航空航天大学出版社 2002
39 Graham C.Goodwin , Stefan F.Graebe , Mario E.Salgablo: CONTROL SYSTEM DESIGN, Tsinghua University Press
40 阳宪惠：现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1998
41 陈伯时：电力拖动自动控制系统，机械工业出版社
42 施仁，刘文光，郑辑光：自动化仪表与过程控制，电子工业出版社，2003
43 邵裕森：过程控制及仪表，上海交通大学出版社，1995
44 刘宝坤：计算机过程控制系统，机械工业出版社，2000
45 江秀汉，李萍，薄保中：可编程序控制器原理与应用，西安电子科技大学出版社
46 张红杰，李爱中：一种具有自学习功能模糊控制器的设计与实现，北方交通大学学报，Dec．1997 Vol．21 No．6
47 胡玉新，李宇成：模糊控制系统的模拟调试，北方工业大学学报Sept．1999 Vol．11 No.3