一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法及装置，属于钻井装备技术领域。所述故障估计方法包括以下步骤：S1：建立旋转导向钻井系统测控装置状态模型；S2：基于所述旋转导向钻井系统测控装置状态模型建立了无故障模型滤波器和故障模型滤波器，并初始化无故障模型滤波器和故障模型滤波器；S3：检测所述旋转导向钻井系统测控装置是否存在故障；S4：若检测结果为无故障，则使用无故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化故障模型滤波器；若检测结果为有故障，则使用故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化无故障模型滤波器；故障模型滤波器对故障进行实时估计，并获得估计值。。。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法及装置


[0001]本专利技术属于钻井装备
，具体涉及一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法及装置。

技术介绍

[0002]旋转导向钻井系统在钻柱连续转动的情况下实现了钻头的钻进方向控制，是20世纪90年代以来定向钻井技术的重大变革。
[0003]为了高精度的导向钻进，旋转导向钻井系统的控制装置需要多种类型的传感器用于测量和反馈钻井工具的工作参数。但是，井下高温、高压和强振动的恶劣环境容易导致传感器发生损坏，进而影响钻井的施工效率。目前，传感器的井下故障处理方法多采用硬件冗余和元器件性能筛选的方式，通过元器件的数量冗余或性能冗余来保证钻井工具电子电路系统的可靠性。然而，冗余的方式不仅增加了旋转导向控制装置的成本，而且伴随着元器件数量的不断增多和可靠性要求的提高，冗余布置的方法已经难以满足当前系统可靠性要求。此外，钻具测控系统在井下通过总线进行数据通信，受通信总线的带宽限制和信号转换精度限制，不可避免地会产生传感器数据量化误差，必须要充分考虑该误差对故障诊断性能的影响。当前的传感故障处理手段还处于硬件冗余和停钻检修阶段，亟需构建更为行之有效的井下传感器故障处理方法以适应现代化高性能钻井系统的可靠性需求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法及装置，本技术方案在单一及并发传感器故障的情况下，均能准确判断传感器故障，并根据传感器测量值、系统控制输入值和建立的系统模型计算出传感器故障值和未知输入值。
[0005]一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，包括以下步骤：
[0006]S1：建立旋转导向钻井系统测控装置状态模型：
[0007][0008][0009]其中，为旋转导向钻井系统测控装置的原始状态量，为稳定平台电机轴电流，为稳定平台驱动电机转速，为陀螺仪转速，为工具面角角度，为时刻的状态估计值，为时刻的状态估计值，为控制器输出控制量； 为未知输入量，为时刻负载力矩，为时刻钻铤转速，为时刻的测控装置的测量输出值，为传感器测
量故障，是电流测量故障，是陀螺仪测量故障，是工具面角测量故障; 为时刻的过程噪声，为时刻的传感器测量噪声，为时刻的量化误差。、和分别为系统矩阵，控制矩阵和输出矩阵。，分别为未知输入量和传感器测量故障的分布矩阵;
[0010]S2：基于所述旋转导向钻井系统测控装置状态模型建立无故障模型滤波器和故障模型滤波器，并初始化无故障模型滤波器和故障模型滤波器；
[0011]S3：根据噪声特性，选择故障检测滤波器方法，检测所述旋转导向钻井系统测控装置是否存在故障；
[0012]S4：若检测结果为无故障，则使用无故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化故障模型滤波器；若检测结果为有故障，则使用故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化无故障模型滤波器；故障模型滤波器对故障进行实时估计，并获得状态估计值。
[0013]进一步的，通过利用稳定平台驱动电机转速、陀螺仪转速，钻铤转速变量之间确定的约束关系，构造均值方差均为0的虚拟测量值建立了伪测量公式：
[0014][0015]其中，为设置的伪测量传感器值，β为常数。
[0016]进一步的，当系统噪声概率分布已知情况下，所述步骤S3中故障检测方法为：分别计算无故障模型滤波器和故障模型滤波器的条件概率、,若，则认为系统无故障;若,则认为系统有故障。
[0017]进一步的，所述无故障模型滤波器为在旋转导向测控装置模型的基础上增广未知输入和作为系统的状态，为负载力矩，为钻铤转速；无故障模型滤波器的模型状态为：
[0018][0019][0020]其中，，，，，
，，，为传感器测量噪声，为传感器量化误差，表示无故障；
[0021]所述的故障模型滤波器为在所述无故障模型滤波器的基础上增加电流测量故障、陀螺仪测量故障、工具面角测量故障，故障模型滤波器状态为：
[0022][0023][0024]其中，，，，，，表示故障。
[0025]进一步的，当系统噪声概率分布已知情况下，所述的滤波器模型的假设条件概率为，且和分别对应无故障模型滤波器模型和故障模型滤波器模型:
[0026][0027]则两个滤波器的条件概率迭代更新公式为：
[0028][0029]其中，是传感器测量历史数据，第步模型的概率密度函数为：
[0030][0031]其中，是测量输出的个数，表示矩阵的行列式，表示第步的新息协方差矩阵，表示第步的新息。
[0032]进一步的，所述的无故障模型滤波器和故障模型滤波器为Kalman滤波器，所述步骤S4中，使用无故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化故障模型滤波器时，由于两个滤波器状态维数不同，电流测量故障、陀螺仪测量故障、工具面角测量故障的状态赋值需要给定初始值，即
[0033][0034][0035]其中，j表示向量的第j个元素，矩阵的第j行第j列。
[0036]进一步的，所述的系统模型中的未知输入和故障为随机游走过程，即
[0037][0038][0039]其中,和分别是方差为和的过程噪声变量，和是未知输入和故障的过程噪声协方差矩阵，所述未知输入包括负载力矩和钻铤转速，所述故障包括电流测量故障、陀螺仪测量故障、工具面角测量故障。
[0040]进一步的，所述使用自适应的方法计算，具体如下：
[0041][0042]其中，是用于补偿非最佳取值而对状态估计造成的影响，使用近似其影响；
[0043]理论新息协方差为：
[0044][0045]实际新息协方差为：
[0046][0047][0048][0049]其中噪声矩阵、为常数，为滑动时间窗口，由于系统对恒偏差故障进行估计，所以为0。
[0050]进一步的，当系统噪声概率分布未知但有界情况下，所述步骤S3中故障检测方法为使用如下集员故障检测滤波器检测系统故障：
[0051][0052]其中，和分别表示误差和残差；和分别表示集合的中心和生成矩阵；和分别为需要设计的滤波器矩阵；滤波器矩阵参数通过，以及半径最小化等
定理计算；若所有残差集合都包含零点，则判定系统无故障发生，若任一残差集合不包含零点，则判定系统发生故障：
[0053][0054]其中，，，和分别表示中心向量的第个元素和生成矩阵的第行；和分别表示集合的下边界和上边界。
[0055]本专利技术还提供了一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计装置，所述旋转导向钻井系统测控装置包括稳定平台、与稳定平台连接的电机、传感器单元、与电机连接的电机驱动板和电机电压控制器，所述传感器单元包括安装在电机上的电机转速传感器、安装在电机驱动板上的电机电流传感器、安装在稳定平台上的陀螺仪和工具面角测量单元，所述故障估计装置包括数据交互单元、故障检测器、无故障模型滤波器、故障模型滤波器和状态初始化器；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，其特征在于包括以下步骤：S1：建立旋转导向钻井系统测控装置状态模型：建立旋转导向钻井系统测控装置状态模型：其中，为旋转导向钻井系统测控装置的原始状态量，为稳定平台电机轴电流，为稳定平台驱动电机转速，为陀螺仪转速，为工具面角角度，为时刻的状态估计值，为时刻的状态估计值，为控制器输出控制量，为未知输入量，为时刻负载力矩，为时刻钻铤转速，为时刻的测控装置的测量输出值，为传感器测量故障，是电流测量故障，是陀螺仪测量故障，是工具面角测量故障; 为时刻的过程噪声，为时刻的传感器测量噪声，为时刻的量化误差,、和分别为系统矩阵，控制矩阵和输出矩阵，，分别为未知输入量和传感器测量故障的分布矩阵;S2：基于所述旋转导向钻井系统测控装置状态模型建立无故障模型滤波器和故障模型滤波器，并初始化无故障模型滤波器和故障模型滤波器；S3：根据噪声特性，选择故障检测滤波器方法，检测所述旋转导向钻井系统测控装置是否存在故障；S4：若检测结果为无故障，则使用无故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化故障模型滤波器；若检测结果为有故障，则使用故障模型滤波器的状态估计值和状态误差协方差矩阵重新初始化无故障模型滤波器；故障模型滤波器对故障进行实时估计，并获得状态估计值。2.根据权利要求1所述的一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，其特征在于通过利用稳定平台驱动电机转速、陀螺仪转速，钻铤转速之间的约束关系构造均值方差均为0的虚拟测量值，建立的伪测量公式：其中，为设置的伪测量传感器值，β为常数。3.根据权利要求2所述的一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，其特征在于当系统噪声概率分布已知情况下，所述步骤S3中故障检测方法为：分别计算无故障模型滤波器和故障模型滤波器的条件概率、, 若，则认为系统无故障; 若,则认为系统有故障。4.根据权利要求3所述的一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，其特征在于所述无故障模型滤波器为在旋转导向测控装置模型的基础上增广未知输入和作为系统的状态，为负载力矩，为钻铤转速；无故障模型滤波器的模型状态为：
其中，，，，，，，，为传感器测量噪声，为传感器量化误差，表示无故障；所述的故障模型滤波器为在所述无故障模型滤波器的基础上增加电流测量故障、陀螺仪测量故障、工具面角测量故障，故障模型滤波器状态为：故障模型滤波器状态为：其中，，，，，，表示故障。5.根据权利要求4所述的一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，其特征在于当系统噪声概率分布已知情况下，所述的滤波器模型的假设条件概率为，且和分别对应无故障模型滤波器模型和故障模型滤波器模型:则两个滤波器的条件概率迭代更新公式为：其中，是传感器测量历史数据，第步模型的概率密度函数为：其中，是测量输出的个数，表示矩阵的行列式，表示第步的新息协方差矩阵，表示第步的新息。6.根据权利要求4所述的一种旋转导向钻井系统测控装置的故障估计方法，其特征在于所述的无故障模型滤波器和故障模型滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟亮，耿艳峰，邵明珠，徐慧洁，涂梦雨，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：