[发明专利]一种消除钻柱粘滑振动的控制系统及方法

权利要求书

1.一种消除钻柱粘滑震动的控制方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

S1、在参数初始化后对钻柱参数进行设置；

所述S1的具体步骤如下：

S11、参数初始化后选择或者输入钻柱的参数；

S12、观察判断粘滑振动周期Tss与扭矩振动周期是否一致；

S13、如果不一致，则调整粘滑振动周期Tss直到与扭矩振动周期一致；

S14、如果一致，可编程控制器PLC通过钻柱参数和粘滑振动周期Tss计算PI调节控制器的P值和I值；

所述的P值和I值的计算公式如下：

其中，ξ表示钻柱的特性阻抗，a表示预防参数0～100％，ω_s表示粘滑振动角频率，J_TD表示顶驱转动惯量；

S2、当参数粘滑振动指示SSI达到一定值时，启动抗粘滑振动系统；

S3、根据参数粘滑振动指示SSI的大小，设置相应的预防系统；

S4、产生粘滑振动后根据变频器VFD反馈回的实际速度与电机的给定速度进行比较，经过PI调节控制器调节，附加一个扭矩到变频器VFD速度调节器输出后，通过变频器VFD来控制电机的转速；或者根据变频器VFD反馈回的实际扭矩，经过PI调节控制器反运算，附加一个速度到变频器VFD速度调节器输入前，通过变频器VFD来控制电机的转速；从而使钻头脱离粘滑区域。

2.根据权利要求1所述的一种消除钻柱粘滑的 震动控制方法，其特征在于：所述的钻柱的特性阻抗ξ的计算公式如下：

所述的粘滑振动角频率ω_s的计算公式如下：

其中，K_s＝GI_p/L表示钻柱刚度系数，J_b＝ρI_pL表示钻柱转动惯量，L表示钻柱长度

其中，G表示钻柱的剪切弹性模量，ρ表示钻柱密度，I_p表示钻柱的极惯性矩；I_p的计算公式如下：

其中，

d_i和D_i表示钻柱的内外径，L_i表示钻柱长度，n为钻柱数量。

3.根据权利要求2所述方法构造的一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，包括触摸屏、一个可编程控制器PLC和一个带编码器的电机；所述的触摸屏与可编程控制器PLC相互连接，用于显示电机速度的给定值和实际值、电机扭矩实际值和限制值、操作状态信息及钻柱设置参数；所述的可编程控制器PLC用于通过控制电机的速度来消除钻柱粘滑现象；所述的电机用于取得钻柱系统运动，所述的电机转速、扭矩由可编程控制器PLC进行实时控制；

其特征在于：还包括一个变频器VFD；所述的变频器VFD从编码器采集脉冲数据，实时计算电机的实际速度，再通过可编程控制器PLC从变频器VFD读取电机的实际速度。

4.根据权利要求3所述的一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，其特征在于：所述的变频器VFD包括有PI调节控制器，所述的PI调节控制器用于计算电机扭矩给定值和电机速度给定值。

5.根据权利要求4所述的一种消除钻柱粘滑振动的控制系统，其特征在于：所述的可编程控制器PLC通过以下两种方式中的任意一种来控制电机速度：

方式一：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机速度实际值，与给定的电机速度值进行比较，经过PI调节控制器得到电机扭矩给定值，再附加到变频器VFD的速度PI输出值上，从而实现控制电机速度；

方式二：可编程控制器PLC从变频器VFD采集电机扭矩实际值，经PI调节控制器的反运算计算出一个速度值，附加到变频器VFD速度PI输入值上，从而实现控制电机速度。