石油钻机系统的永磁同步电机模型预测控制研究

发布时间：2020-07-22 02:37

【摘要】：能源对于我们人类社会当前生存和未来发展的重要性毋庸置疑,在任何国家和地区能源都有着最重要的战略地位。当今世界,在人类社会消费的能源中,石油牢牢占据着最重要的地位,而用来对石油资源进行先前勘探以及规模开发的装置就是石油钻机。它是成套的设备,作为一个联合机组,由众多的系统和配套的设备所组成。其中,动力系统设备为石油钻机的运行提供动力。由于永磁同步电机结构简单、体积小、重量轻,与其它电机相比,永磁同步电机在结构方面的灵活性使其在驱动负载、精简设备方面有明显优势。除此之外,永磁同步电机还具有高功率密度、高效率、高可靠性等优点。因此本文将永磁同步电机作为石油钻机系统的动力设备,研究其控制策略。本文分析了石油钻机系统中绞车、钻井泵和转盘这三大工作机组的运行情况,之后对永磁同步电机的基本机构、常见分类和三大坐标系下的数学模型及三者之间的坐标变换进行介绍。对于三个坐标系间的坐标变换进行了详细的分析,并建立了dq坐标系下的数学模型,在此基础上建立了永磁同步电机的矢量控制模型。针对石油钻机过程具有的非线性、不确定性和时变的特点,将模型预测控制算法中的动态矩阵预测控制算法应用于永磁同步电机的速度环控制中,经过对被控对象的模型预测、对控制量的滚动优化和最后的反馈校正,最终实现对电机转速的控制,在Matlab/Simulink环境下建立模型进行仿真,并与传统的速度环PI控制进行对比,证明了基于动态矩阵预测控制的永磁同步电机系统在动态响应和鲁棒性方面的优越性。在分析石油钻机系统工作机组运行情况时,又考虑到钻机系统工作环境及工作状况的复杂性,当发生未知且不可预测的外部扰动或者模型失配较严重的情况时,会使整个系统的转速控制性能出现明显的下降,同时电机自身的参数也会发生变化,进而影响整个钻机系统的正常工作。因此针对复杂工况下的负载扰动、电机参数变化等问题,设计了基于扩展状态观测器的扰动前馈补偿装置,将动态矩阵预测控制和扩展状态观测器相结合。通过仿真分析对比,证明了具有扰动前馈补偿装置的动态矩阵预测控制具有更好的动态响应性能,并且在负载干扰下转速的稳定性更高,说明该控制策略更能匹配石油钻机系统在复杂工况下对于驱动电机的控制要求。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE922

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本文编号：2765194