中文題目：基于旋變反饋的受擾擺動閥脈沖器滑模跟蹤控制

論文題目：Resolver to digital conversion-based sliding mode tracking control for oscillating valve pulser with disturbances

錄用期刊/會議：Journal of vibration and control (中科院大類3區)

錄用時間：2025年3月29日

作者列表：

1） 王新鵬  中國石油大學（北京）人工智能學院 新一代電子信息技術 碩21

2） 劉得軍  中國石油大學（北京）人工智能學院 電子系教授

3） 陳曉暉  中國石化石油工程技術研究院有限公司

4） 楊書博  中國石化石油工程技術研究院有限公司

5） 張良臣  中國石化石油工程技術研究院有限公司

摘要:

研究了泥漿連續波傳輸過程中使用的擺動閥脈沖器的控制問題。構造了一種固定時間收斂的動態方程，在雙環架構下提出了一種旋變傳感器的角度估計方法，利用該方法得到轉子狀態信息并將其反饋至控制器和觀測器中使用；證明了約束收斂時間、角度估計精度及整體閉環系統的穩定性；通過幾種不同的角度估計方法的比較說明了所提方法的性能，最后通過兩組高頻調制軌跡的集成跟蹤測試，證實了其能夠產生清晰的泥漿壓力信號。

背景與動機:

為實時了解井下工況、儀器狀態和地層信息，需要獲取大量的數據，連續波傳輸技術是實現高速數據傳輸的重要手段之一。對于旋轉閥脈沖器和擺動閥脈沖器，前者需要對轉子的轉速進行控制，而后者需要對轉子位置進行控制，相關研究多集中在旋轉閥脈沖器的轉速控制上，關于擺動閥脈沖器的位置控制研究鮮有報道。轉子在進行高頻振蕩時會引起周期性的和非衰減性擾動，由此將導致控制精度的損失，此外，由于使用成本和高溫環境壓力，使用基于硬件的RDC方法給OVP系統帶來了挑戰，而基于軟件的RDC方法，不同的解調和角度估計方法將導致不同的解算精度，而解算精度將直接影響控制系統的性能。

主要內容:

基于固定時間收斂方程設計了一種旋變傳感器的角度估計方法，通過RDC所獲取的角度和轉速被用于控制器和觀測器中使用，控制器和觀測器基于super-twisting滑模和有限時間擾動觀測器進行設計，有效抑制了參數不確定和高頻水力轉矩干擾所帶來的影響，最后以RDC提供的角度和轉速在高頻擾動情況下進行了兩條調制軌跡的跟蹤測試，結果表明誤差能夠在有限時間收斂至平衡點附近的微小鄰域內。

 

圖1 旋變解碼流程

圖1表示旋變的輸出首先經過解調模塊得到帶有解調誤差的包絡信號，隨后送入角度估計模塊，通過角度估計得到實際的轉子角度和轉速。

 

圖2 角度估計方法的比較

脈沖發生器的轉子需要頻繁地啟停，因此在實際應用中要求超調量盡可能小且響應快。圖2表明CFNTSM具有更高的跟蹤精度和響應速度，誤差在有限時間內收斂到平衡點的小鄰域內，且該方法能夠保證RDC系統的穩定性?？刂破骶C合設計為：

該控制結構可以使OVP系統在干擾下的跟蹤誤差快速收斂到平衡點的小鄰域內，并保證電流內環參考信號抖振的有效減弱。

 

 (a)

 

(b)

圖3軌跡跟蹤結果 (a) FSK軌跡 (b) PSK軌跡

圖3表明在初始階段和頻率或相位變化時刻，STA-FTDO能夠迅速符合期望軌跡，超調量小且保持最小的瞬態誤差。即使存在高頻干擾，STA-FTDO能夠在兩種不同的軌跡上保持最小的跟蹤誤差。在RDC反饋下，轉子能夠以較小的誤差執行啟停、頻率切換、相位切換等調制命令，保證了轉子在參數不確定和水力轉矩擾動的情況下準確地跟蹤兩條理想的振蕩軌跡，即產生清晰的壓力信號。

結論:

研究解決了與擺動閥脈沖發生器相關的控制挑戰。為此，介紹了一種新的 RDC 角度估計方法，實現了控制系統的雙回路配置。在 RDC 反饋下，采用兩種不同的調制策略進行了軌跡跟蹤測試。結果表明，該控制方案能夠保持較高的跟蹤精度，在干擾條件下仍能產生連續的泥漿壓力波動。在未來，擺動閥脈沖器將注重故障重構技術和驅動電壓的優化分配，以適應更加具有挑戰性的深地和深海環境。

作者簡介:

劉得軍，教授，中國石油大學（北京），人工智能學院電子信息工程系，博士生導師。研究方向：電磁測量方法與數值模擬技術、電纜高速數據傳輸理論與技術、機電測量系統虛擬樣機設計等?？傆嫲l表科學論文150余篇。

聯系方式：Email: liudj65@163.com