科研動(dòng)態(tài)
基于高壓鹽水溢流過(guò)程的自適應(yīng)控制方法
論文題目：基于高壓鹽水溢流過(guò)程的自適應(yīng)控制方法
錄用期刊/會(huì)議：中國(guó)控制會(huì)議, (CCF A類(lèi)會(huì)議.)
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024.7.28-31
作者列表：
(1) 孟卓然 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博20
(2) 徐寶昌 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 教師
(3) 胡 松 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 研20
(4) 陳怡祺 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博21
(5) 尹士軒 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博23
摘要:
本文致力于解決一類(lèi)應(yīng)用于巨厚鹽膏層的雙曲型PDEs系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)與控制問(wèn)題。首先，基于swapping design的自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)器被建立以辨識(shí)估計(jì)模型中的未知參數(shù)，并證明了該估計(jì)器的穩(wěn)定性。其次，根據(jù)辨識(shí)后的模型和無(wú)限維backstepping方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器。最后，這個(gè)結(jié)果被應(yīng)用在某鹽膏層地區(qū)的鉆井過(guò)程中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在已知井底初值的情況下，鉆井液密度的辨識(shí)結(jié)果可在10s內(nèi)收斂至真值，而在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器更具有魯棒性。
背景與動(dòng)機(jī):
鹽膏層是指以鹽或石膏為主要成分的地層。在中國(guó)塔里木盆地DB、KS、BZ等區(qū)塊，大量鹽膏層被發(fā)育且層間發(fā)育高壓鹽水。在鉆井過(guò)程中，鉆井液體系對(duì)穩(wěn)定井底壓力具有至關(guān)重要的作用。當(dāng)高壓鹽水層中大量鹽水侵入并溶解到鉆井液后，鉆井液本身的聚結(jié)穩(wěn)定性被破壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響鉆井安全。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
（1）研究?jī)?nèi)容:
該模型經(jīng)過(guò)等價(jià)坐標(biāo)變換，可轉(zhuǎn)化為雙曲型線(xiàn)性PDE系統(tǒng)。
其中，
、
、
、
均為未知參數(shù)，保證
且有
，并假設(shè)存在已知的初始狀態(tài)
和
滿(mǎn)足
、
。
圖1 系統(tǒng)框圖
（2）參數(shù)辨識(shí)
將系統(tǒng)分別拆解為輸入濾波器與參數(shù)濾波器系統(tǒng)。
輸入濾波器系統(tǒng)：
參數(shù)濾波器系統(tǒng)：
其中
與
為大于零的設(shè)計(jì)增益。
建立狀態(tài)、輸入濾波器和參數(shù)濾波器之間的靜態(tài)組合，形成非自適應(yīng)狀態(tài)與參數(shù)估計(jì)：
使用歸一化梯度下降法可得：
其中
、
、
、
均為大于零的增益向量。值得說(shuō)明的是，求得上述未知參數(shù)后，只需將對(duì)角變換(附錄)過(guò)程進(jìn)行逆變換即可得到鉆井液密度的估計(jì)值。
為了方便描述，將參數(shù)和增益向量寫(xiě)為矩陣形式，令：
，
，
，
，
，
且有
，
。
令
，
，
，簡(jiǎn)化兩相流模型可改寫(xiě)為如下?tīng)顟B(tài)空間形式，其中
均為常數(shù)。
原系統(tǒng)(2)是一個(gè)一階線(xiàn)性雙曲PDE系統(tǒng)，其中包含兩種狀態(tài)相互耦合。該系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，并且具有瞬態(tài)響應(yīng)。但由于系統(tǒng)狀態(tài)的強(qiáng)耦合性，難以得到該P(yáng)DE的解析解，所以在原系統(tǒng)上直接進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)并不可取?？紤]以下Volterra變換(backstepping transformation)：
在三角域內(nèi)有如下邊界條件：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
井的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示：
表1 井的參數(shù)給定
Table 1 well parameters given
圖2 井底壓力跟蹤效果對(duì)比圖
圖3 井底壓力跟蹤效果對(duì)比細(xì)節(jié)圖
圖2呈現(xiàn)了三種不同的控制器對(duì)井底循環(huán)壓力的跟蹤效果，圖3是該圖像的細(xì)節(jié)展示，由圖可知，自適應(yīng)控制器相較于狀態(tài)反饋控制器和輸出反饋控制器有更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，并且壓力波動(dòng)范圍也有所增加，但該控制器更符合工程實(shí)際背景，并且當(dāng)段鉆井液密度出現(xiàn)降低時(shí)，該控制器不會(huì)如狀態(tài)反饋控制器與輸出反饋控制器一樣出現(xiàn)壓力突變，而是依據(jù)辨識(shí)出的鉆井液密度估計(jì)量逐步下降，另外，該處的壓力波動(dòng)量更小部分所示）?？傮w而言該自適應(yīng)控制器能準(zhǔn)確的辨識(shí)出井內(nèi)變化的鉆井液密度，對(duì)井底循環(huán)壓力進(jìn)行跟蹤并能在有限時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定至目標(biāo)設(shè)定值，其波動(dòng)范圍與響應(yīng)時(shí)間均在窄壓力安全窗口鉆井系統(tǒng)的閾值范圍。
作者簡(jiǎn)介:
徐寶昌，教授，博士生導(dǎo)師/碩士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事復(fù)雜系統(tǒng)的建模與先進(jìn)控制；鉆井過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)；井下信號(hào)的測(cè)量與處理；多傳感器信息融合與軟測(cè)量技術(shù)等方面的研究工作?，F(xiàn)為中國(guó)石油學(xué)會(huì)會(huì)員，中國(guó)化工學(xué)會(huì)信息技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員。曾參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研課題的科研工作，并在國(guó)內(nèi)外核心刊物發(fā)表了論文70余篇；其中被SCI、EI、ISTP收錄30余篇。