Моделювання багатоконтурної системи автоматизованого керування процесом буріння свердловин на основі під контролерів.
No Thumbnail Available
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
СНУ ім. В. Даля
Abstract
Децентралізовані системи автоматизованого керування (САК) на основі пропорційно-інтегрально-диференціальних (ПІД) контролерів залишаються найпоширенішим рішенням для керування промисловими процесами з кількома входами та виходами (MIMO). Це пов'язано з їхньою гнучкістю, простотою та властивою стійкістю до відмов порівняно з централізованими структурами керування. Навіть коли застосовуються більш досконалі стратегії, наприклад, модельно-прогнозуючого керування (MPC), ПІД контролери зазвичай використовуються на нижчих рінях керування відповідних систем. Розглянуто автоматизовану систему керування процесом буріння свердловин, реалізовану на основі електроприводу. У досліджуваній ієрархічній САК на її нижньому рівні використана структура, що включає три контури на основі пропорційно-інтегрально-диференціальних (ПІД) контролерів, які забезпечують регулювання швидкості обертання долота RPM, навантаження на долото WOB та параметрів системи очистки свердловини (перш за все, її продуктивності). Моделювання процесу буріння засвідчує тісний зв'язок між зазначеними параметрами, що потребує відповідного налаштування кожного контуру керування. Оптимальне налаштування децентралізованих ПІД-контролерів у багатоконтурних САК залишається складним і комплексним завданням. Більшість відомих методів налаштування багатоконтурних ПІД-контролерів схожі тим, що вони використовують правила налаштування одного контуру для отримання початкових значень для окремих контролерів, а потім розлаштовують окремі контури для збереження стабільності всієї системи. В умовах реального виробничого процесу такий підхід на завжди дозволяє досягнути бажаних показників продуктивності та надійності керування. Досліджено алгоритм налаштування багатоконтурних САК на основі ПІД контролерів, що реалізує узагальнений метод із внутрішньою моделлю (IMC). Застосовується критерій, що базується на визначенні параметрів частотної характеристики замкнутого контуру для досягнення бажаних показників продуктивності та надійності керування. Частотна характеристика замкнутого контуру САК отримується в результаті розрахунку вихідного сигналу системи у відповідь на синусоїдальний вхід. Отримані результати свідчать про те, що налаштування триконтурної САК на основі ПІД контролерів із застосуванням дослідженого методу дозволяє досягнути максимально точної відповідності бажаним показникам продуктивності та надійності керування. Досліджений метод може бути застосований до динамічних моделей будь-якого порядку. При цьому характеристики зворотної реакції замкнутого контуру керування задаються заздалегідь. Крім того, в результаті виконання відповідного алгоритму надається інформація про запаси стійкості та характеристики чутливості САК.
Decentralized automated control systems (ACS) based on proportional-integral-differential (PID) controllers remain the most common solution for controlling industrial processes with multiple inputs and outputs (MIMO). This is due to their flexibility, simplicity, and inherent fault tolerance compared to centralized control structures. Even when more sophisticated strategies, such as model predictive control (MPC), are applied, PID controllers are usually used at lower control levels of the respective systems. The paper considers an automated control system for the well drilling process implemented on the basis of an electric drive. In the studied hierarchical ACS, a structure is used at its lower level that includes three circuits based on proportional-integral-differential (PID) controllers that provide control of the bit rotation speed RPM, the bit load WOB, and the parameters of the well cleaning system (primarily its performance). Drilling process modeling shows a close relationship between these parameters, which requires appropriate adjustment of each control loop. The optimal tuning of decentralized PID controllers in multi-loop ACS remains a difficult and complex task. Most of the known methods of tuning multi-loop PID controllers are similar in that they use the tuning rules of one loop to obtain initial values for individual controllers, and then detune the individual loops to maintain the stability of the entire system. In the conditions of a real production process, this approach does not always allow achieving the desired performance and control reliability. An algorithm for tuning multicircuit SACs based on PID controllers, which implements the generalized internal model method (IMC), is investigated. A criterion based on determining the parameters of the closed-loop frequency response is used to achieve the desired performance and control reliability. The frequency response of the closed-loop ACS is obtained by calculating the system output signal in response to a sinusoidal input. The results obtained indicate that the tuning of a three-circuit ACS based on PID controllers using the investigated method allows achieving the most accurate compliance with the desired performance and control reliability. The investigated method can be applied to dynamic models of any order. In this case, the feedback characteristics of the closed-loop control are set in advance. In addition, as a result of the corresponding algorithm, information is provided on the stability margins and sensitivity characteristics of the ACS.
Decentralized automated control systems (ACS) based on proportional-integral-differential (PID) controllers remain the most common solution for controlling industrial processes with multiple inputs and outputs (MIMO). This is due to their flexibility, simplicity, and inherent fault tolerance compared to centralized control structures. Even when more sophisticated strategies, such as model predictive control (MPC), are applied, PID controllers are usually used at lower control levels of the respective systems. The paper considers an automated control system for the well drilling process implemented on the basis of an electric drive. In the studied hierarchical ACS, a structure is used at its lower level that includes three circuits based on proportional-integral-differential (PID) controllers that provide control of the bit rotation speed RPM, the bit load WOB, and the parameters of the well cleaning system (primarily its performance). Drilling process modeling shows a close relationship between these parameters, which requires appropriate adjustment of each control loop. The optimal tuning of decentralized PID controllers in multi-loop ACS remains a difficult and complex task. Most of the known methods of tuning multi-loop PID controllers are similar in that they use the tuning rules of one loop to obtain initial values for individual controllers, and then detune the individual loops to maintain the stability of the entire system. In the conditions of a real production process, this approach does not always allow achieving the desired performance and control reliability. An algorithm for tuning multicircuit SACs based on PID controllers, which implements the generalized internal model method (IMC), is investigated. A criterion based on determining the parameters of the closed-loop frequency response is used to achieve the desired performance and control reliability. The frequency response of the closed-loop ACS is obtained by calculating the system output signal in response to a sinusoidal input. The results obtained indicate that the tuning of a three-circuit ACS based on PID controllers using the investigated method allows achieving the most accurate compliance with the desired performance and control reliability. The investigated method can be applied to dynamic models of any order. In this case, the feedback characteristics of the closed-loop control are set in advance. In addition, as a result of the corresponding algorithm, information is provided on the stability margins and sensitivity characteristics of the ACS.
Description
Keywords
буріння, моделювання, автоматизоване керування, багатоконтурна система, контролер, drilling, modeling, automated control, multi-loop system, controller
Citation
Моделювання багатоконтурної системи автоматизованого керування процесом буріння свердловин на основі під контролерів / Моркун В. С., Моркун Н. В., Бобров Є. Ю., Грищенко Я. О. Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. 2025. № 5 (291). С. 45-52.