广义预测控制在煤层气水平井开发中的研究

作     者：黄翌川 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李自成

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 082002[工学-油气田开发工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：煤层气水平井 PLC 广义预测控制 单值广义预测控制 

摘      要：中国煤层气资源丰富是我国煤矿资源储量的显著特征,为充分利用我国的煤层气资源,近年来中国政府加大了对煤层气开发技术的研究力度。在国际能源形式日趋紧张和环保意识不断增强的今天,如何安全高效的对煤层气资源进行开采是一项艰巨的任务。其中钻井扩孔的控制是煤层气开采过程中的关键技术,它直接影响到开采是否成功。本文以基于煤层气开发自动化控制系统为研究对象,设计了PLC和组态王的过程控制系统,采用上位机和下位机的结构完成系统的开发。主要内容包括控制系统的总体设计、硬件设计、软件设计以及对钻井扩孔系统控制策略的仿真和实验。钻井扩孔过程是一个复杂的工业对象,很难得到一个精确的数学模型,常规的控制策略难以达到理想的控制效果。为进一步改善钻井扩孔系统的控制性能,选择广义预测控制策略实现了对钻井扩孔系统的控制。在煤层气开发自动化控制系统设计的基础上,建立了钻井扩孔系统的数学模型,同时针对煤层气开发钻井扩孔系统和广义预测控制理论的特点设计控制器,并通过MATLAB软件分析了系统的动态响应特性,仿真结果表明,广义预测控制策略对钻井扩孔系统过程的干扰具有较强的鲁棒性。在一般广义预测控制的基础上,引入单值广义预测控制策略,大幅减少在线计算量,提高系统的响应速度,将该算法应用到钻井扩孔系统,并与广义预测控制和模型预测控制进行仿真对比,最后搭建钻井扩孔控制系统模拟平台,基于组态王软件开发了煤层气水平井上位机监控系统,设计了基于PLC的控制系统下位机软件,并进行了上述控制算法的模拟实验。模拟实验结果表明单值广义预测控制策略能有效抑制各种扰动对系统控制性能的影响,具有更强的鲁棒性,且响应速度更快,使控制效果得到较大改善。