Способ и устройство для управления генератором гидроимпульсов, и способ определения уравнения, управляющего вращением ротора генератора гидроимпульсов
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING A HYDROPULSE GENERATOR, AND A METHOD FOR DETERMINING THE EQUATION THAT CONTROLS THE ROTATION OF THE HYDROPULSE GENERATOR ROTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится без ограничения к области каротажа, в частности к способу управления, способу определения управляющего уравнения, устройству управления и носителю данных.
Предпосылки изобретения
Технология передачи гидроимпульсных телеметрических данных широко используется в таких областях, как наклонно-направленное бурение и каротаж в процессе бурения, технология передачи гидроимпульсных телеметрических данных является основным техническим средством для обеспечения передачи данных между скважинным каротажным прибором и наземной системой сбора данных. Генератор гидроимпульсов в качестве источника сигналов системы передачи гидроимпульсных телеметрических данных генерирует сигналы волн давления бурового раствора, необходимые для передачи данных. В соответствии с формами генерируемых волн давления бурового раствора генераторы гидроимпульсов можно разделить на генераторы отрицательных импульсов, положительных импульсов, непрерывных волн и других типов. Между тем, генератор непрерывных волн (CWG) имеет такие преимущества, как высокая скорость передачи и мощная помехозащищенность, CWG является основным компонентом высокоскоростной системы передачи гидроимпульсных телеметрических данных.
В некоторых технологиях CWG использует конструкцию срезного клапана, состоящую из статора и ротора, заставляя ротор непрерывно вращаться или поворачиваться, причем площадь сечения потока циркуляции бурового раствора изменяется, таким образом генерируя непрерывную волну давления в канале циркуляции бурового раствора, которая используется в качестве несущего сигнала для передачи данных. Поскольку синусоидальный сигнал занимает наименьшую полосу пропускания канала и меньше всего затухает в процессе распространения, идеальной формой волны сигнала волны давления, генерируемого с помощью CWG, является синусоидальная волна.
Статорно-роторная конструкция в срезном клапане включает статорно-роторную конструкцию с веерообразным радиальным сечением и статорно-роторную конструкцию с изогнутой кромкой. При использовании статорно-роторной конструкции с изогнутой кромкой CWG может генерировать синусоидальные волны давления, когда ротор вращается с постоянной скоростью. Однако эта конструкция с изогнутой кромкой имеет проблемы, связанные со сложностью и высокой стоимостью обработки статора и ротора, а также существует проблема, состоящая в том, что при изменении скорости ротора генерируемая волна давления не является синусоидальной волной. Таким образом, статорно-роторная конструкция с изогнутой кромкой не подходит для конструкций CWG с поворотным клапаном, а также не способствует поддержанию выходного сигнала синусоидальной формы волны давления, когда CWG изменяет скорость ротора в результате модуляции данных.
Когда в CWG используется статорно-роторная конструкция с веерообразным радиальным сечением, форма волны, представляющей собой волну давления, генерируемую с помощью CWG, определяется функцией управления углом вращения (или поворота) его ротора, когда статорно-роторная конструкция определена. Для разных статорно-роторных конструкций для CWG требуются разные функции управления углом для генерирования синусоидальных волн давления. Когда его ротор вращается с постоянной скоростью или управляет своим движением в соответствии с элементарными функциями, такими как синусоидальная функция, форма волны, представляющей собой волну давления, генерируемую с помощью CWG, явно отличается от формы синусоидальной волны.
Вышеупомянутые технологии известны из документов RU 2671376 C1, RU 2682828 C2, RU 2617759 C2, RU 2017133420 A, GB 2458395 B, US 2006/0118334 A1 и CN 105422029 B.
Сущность изобретения
Ниже следует краткое описание объектов изобретения, подробно описанных в данном документе. Это краткое описание не предназначено для ограничения объема правовой охраны формулы изобретения.
В одном аспекте вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает способ управления, применимый к генератору гидроимпульсов, причем генератор гидроимпульсов содержит срезной клапан, содержащий статор и ротор с веерообразными радиальными сечениями, и способ управления включает:
получение угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане;
определение интервала, которому принадлежит полученный угол поворота, среди нескольких предопределенных интервалов угла поворота; и
управление движением ротора путем использования функции управления, соответствующей интервалу, которому принадлежит угол поворота;
при этом деление на несколько предопределенных интервалов угла поворота осуществляют заранее в соответствии с диапазоном угла поворота, и каждый интервал угла поворота соответствует одной функции управления соответствующим образом.
Вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает способ управления, при котором волна давления с синусоидальной формой волны может быть получена путем посегментного управления углом поворота ротора генератора гидроимпульсов.
В иллюстративном варианте осуществления функция управления, соответствующая каждому интервалу угла поворота, является синусоидальной функцией.
В иллюстративном варианте осуществления частоты синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, функции управления, соответствующие трем интервалам угла поворота, формируют следующее управляющее уравнение:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором;  Т - продолжительность цикла поворота ротора; θ представляет максимальный угол отверстия ротора; n=0, 1, 2…, n - целое число; а>1, b<1, где а и b - предустановленные константы;
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота; ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора; t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора;
В иллюстративном варианте осуществления параметры синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, устанавливают следующим образом:
установка нескольких разных значений констант а и b;
определение соответствующим образом параметров синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, определяемым каждым набором констант а и b;
определение управляющего уравнения зависимости угла поворота ротора от времени в цикле путем использования параметров синусоидальных функций и получение сигнала давления в отверстии срезного клапана в соответствии с управляющим уравнением; и
выбор набора параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота.
В другом аспекте вариант осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривает способ определения управляющего уравнения, применимый к генератору гидроимпульсов, причем генератор гидроимпульсов содержит срезной клапан, содержащий статор и ротор с веерообразными радиальными сечениями, и способ включает:
деление диапазона угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане на N интервалов угла поворота и определение функций управления, соответствующим образом соответствующих нескольким интервалам угла поворота, при этом параметры функций управления, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются, и N представляет собой положительное целое число, которое больше или равно 2;
среди нескольких предустановленных наборов параметров для каждого набора параметров получение соответствующим образом сигнала давления в отверстии срезного клапана, когда в функции управления используют набор параметров, при этом набор параметров содержит N параметров, которые соответствующим образом используют для функции управления, соответствующей каждому из N интервалов угла поворота;
определение набора параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров функции управления; и
получение управляющего уравнения ротора в соответствии с несколькими функциями управления с определенными параметрами.
Вариант осуществления настоящего изобретения также предусматривает способ определения управляющего уравнения, причем управляющее уравнение для управления вращением ротора получают путем деления угла поворота ротора генератора гидроимпульсов на несколько интервалов угла поворота.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, функции управления, соответствующие трем интервалам угла поворота, формируют следующее управляющее уравнение:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором;  Т - продолжительность цикла поворота ротора; θ представляет максимальный угол отверстия ротора; n=0, 1, 2…, n - целое число; а>1, b<1, где а и b - предустановленные константы;
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота; ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора; t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора;
В другом аспекте вариант осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривает устройство управления, применимое к генератору гидроимпульсов, причем генератор импульсов содержит срезной клапан, содержащий статор и ротор с веерообразными радиальными сечениями, и устройство управления содержит запоминающее устройство и процессор;
запоминающее устройство выполнено с возможностью хранения программы для управления;
процессор выполнен с возможностью чтения и исполнения программы для управления, а также исполнения следующих операций:
получения угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане;
определения интервала, которому принадлежит полученный угол поворота, среди нескольких предопределенных интервалов угла поворота; и
управления движением ротора путем использования функции управления, соответствующей интервалу, которому принадлежит угол поворота;
при этом деление на несколько предопределенных интервалов угла поворота осуществлено заранее в соответствии с диапазоном угла поворота, и каждый интервал угла поворота соответствует одной функции управления соответствующим образом.
В иллюстративном варианте осуществления функция управления, соответствующая каждому интервалу угла поворота, является синусоидальной функцией.
В иллюстративном варианте осуществления частоты синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, функции управления, соответствующие трем интервалам угла поворота, формируют следующее управляющее уравнение:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором;  Т - продолжительность цикла поворота ротора; θ представляет максимальный угол отверстия ротора; n=0, 1, 2…, n - целое число; а>1, b<1, где а и b - предустановленные константы;
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота; ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора; t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора;
В иллюстративном варианте осуществления установлены несколько разных значений констант а и b;
определены соответствующим образом параметры синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, определяемым каждым набором констант а и b;
параметры синусоидальных функций использованы для определения управляющего уравнения зависимости угла поворота ротора от времени в цикле, и сигнал давления в отверстии срезного клапана получен в соответствии с управляющим уравнением; и
набор параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, выбран в качестве параметров синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота.
В другом аспекте вариант осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривает устройство для определения управляющего уравнения, применимое к генератору гидроимпульсов, причем генератор гидроимпульсов содержит срезной клапан, содержащий статор и ротор с веерообразными радиальными сечениями, и устройство для определения управляющего уравнения содержит запоминающее устройство и процессор;
запоминающее устройство выполнено с возможностью хранения программы для определения управляющего уравнения;
процессор выполнен с возможностью чтения и исполнения программы для определения управляющего уравнения, а также исполнения следующих операций:
деления диапазона угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане на N интервалов угла поворота и определения функций управления, соответствующим образом соответствующих нескольким интервалам угла поворота, при этом параметры функций управления, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются, и N представляет собой положительное целое число, которое больше или равно 2;
среди нескольких предустановленных наборов параметров для каждого набора параметров получения соответствующим образом сигнала давления в отверстии срезного клапана, когда в функции управления использован набор параметров, при этом набор параметров содержит N параметров, которые соответствующим образом использованы для функции управления, соответствующей каждому из N интервалов угла поворота;
определения набора параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров функции управления; и
получения управляющего уравнения ротора в соответствии с несколькими функциями управления с определенными параметрами.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, функции управления, соответствующие трем интервалам угла поворота, формируют следующее управляющее уравнение:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором;  Т - продолжительность цикла поворота ротора; θ представляет максимальный угол отверстия ротора; n=0, 1, 2…, n - целое число; а>1, b<1, где а и b - предустановленные константы;
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота; ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора; t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора;
Читаемый носитель данных хранит исполняемые команды, при этом исполняемые команды исполняются процессором для выполнения операций в рамках описанного выше способа управления или любого из иллюстративных вариантов осуществления.
Читаемый носитель данных хранит исполняемые команды, при этом исполняемые команды исполняются процессором для выполнения операций в рамках описанного выше способа определения управляющего уравнения.
Другие аспекты будут понятны после прочтения и понимания графических материалов и подробного описания.
Краткое описание графических материалов
Прилагаемые графические материалы используются для обеспечения понимания технических решений настоящей заявки и составляют часть спецификации, они используются вместе с вариантами осуществления данной заявки для пояснения технических решений настоящей заявки и не являются ограничением технических решений настоящей заявки.
На фиг. 1 представлен схематический вид в разрезе статора и ротора в рамках одной технологии.
s
На фиг. 2 представлено схематическое изображение взаимосвязи между давлением p(α) отверстия клапана и углом отверстия клапана при разных конструкционных параметрах R в рамках одной технологии.
На фиг. 3 представлен отклик нормализованного синусоидального сигнала давления и соответствующей ему нормализованной функции угла отверстия клапана на оси времени в рамках одной технологии.
На фиг. 4 представлен отклик нормализованной функции угла отверстия клапана, соответствующей нормализованному синусоидальному сигналу давления на оси времени, при разных конструкционных параметрах R статора и ротора в рамках одной технологии.
На фиг. 5 представлена блок-схема способа управления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6 представлено схематическое изображение деления интервалов угла поворота в пределах цикла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 представлено схематическое изображение сравнения между функцией угла отверстия клапана и функцией управляющего уравнения в некоторых иллюстративных вариантах осуществления.
На фиг. 8 представлено схематическое изображение сравнения между углом ϕ(t) вращения ротора относительно статора и θ-α(t) в некоторых иллюстративных вариантах осуществления.
На фиг. 9 представлено схематическое изображение устройства управления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 10 представлена блок-схема способа определения управляющего уравнения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 11 представлено схематическое изображение устройства для определения управляющего уравнения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Далее в данном документе варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Варианты осуществления в настоящем изобретении и признаки в вариантах осуществления могут быть объединены друг с другом случайным образом, если не противоречат друг другу.
Этапы, показанные на блок-схемах графических материалов, могут быть исполнены в компьютерной системе, например, в виде набора исполняемых компьютером команд. Кроме того, несмотря на то что на блок-схемах показаны логические порядки, в некоторых случаях показанные или описанные этапы можно исполнять в порядке, отличном от описанного в настоящем документе.
На фиг. 5 представлена блок-схема способа управления согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, включающего этапы 500-502.
Этап 500: получение угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане;
Этап 501: определение интервала, которому принадлежит полученный угол поворота, среди нескольких предопределенных интервалов угла поворота; и
Этап 502: управление движением ротора путем использования функции управления, соответствующей интервалу, которому принадлежит угол поворота.
Техническое решение способа управления согласно варианту осуществления настоящего изобретения применимо к генератору гидроимпульсов, при этом генератор гидроимпульсов содержит срезной клапан, и срезной клапан состоит из статора и ротора с веерообразными радиальными сечениями. Схематическое представление в разрезе статора и ротора генератора гидроимпульсов показано на фиг. 1, циркулирующий буровой раствор течет в осевом направлении через канал для потока, образованный отверстиями статора и ротора. На схематической фиг. 1 максимальные углы отверстия статора и ротора равны θ, угол поворота (или непрерывного вращения) ротора относительно статора равен ϕ, и угол отверстия клапана, образуемый статором и ротором, равен α, где α ∈ [0°, θ]. Например, все лопасти статора и ротора имеют секторы по 36°, а максимальные углы отверстия как статора, так и ротора равны 24°. Исходя из того что канал для потока отверстий статора и ротора не открывается в обратном направлении, максимальный угол поворота ротора от исходного положения (0°) составляет 36°, что означает, что при полном открытии отверстия клапана, угол поворота ротора составляет 24°, и когда угол поворота ротора составляет от 24° до 36°, статор и ротор перекрывают друг друга, и отверстие клапана полностью открыто, а когда угол поворота ротора больше 36 градусов, отверстие клапана закрыто в обратном направлении.
L
H
L
Определяются угол отверстия каждого из статора и ротора и угол поворота ротора в срезном клапане генератора импульсов, и определяются максимальное значение и минимальное значение площади сечения потока в соответствии с углами отверстия и углом поворота. Например, когда оба угла отверстия статора и ротора равны θ, угол поворота (или непрерывного вращения) ротора относительно статора равен ϕ, и угол отверстия клапана, образуемый статором и ротором, равен α ∈ [0°, θ]. При α=0° отверстие клапана закрыто, и эквивалентная площадь сечения потока канала для потока имеет минимальное значение S. При α=θ отверстие клапана полностью открыто, и эквивалентная площадь сечения потока канала для потока имеет максимальное значение S. Поскольку диаметр ротора меньше диаметра статора, и между статором и ротором имеется осевой зазор, минимальное значение эквивалентной площади сечения потока канала для потока составляет S>0. Конструкционный параметр статора и ротора определяется в соответствии с максимальным значением и минимальным значением эквивалентной площади сечения потока канала для потока, и конструкционный параметр R можно рассчитать по формуле расчета конструкционного параметра:
H
L
R=S/S;
H
L
s
в формуле расчета конструкционного параметра R представляет конструкционный параметр, S представляет максимальное значение площади сечения потока, и S представляет минимальное значение площади сечения потока. Конструкционный параметр R включает осевой зазор и диаметры статора и ротора, и степень влияния конструкционного параметра на давление p(α) отверстия клапана показана на фиг. 2.
Исходя из конструкционного параметра статора и ротора, основной принцип для определения управляющего уравнения, используемого для управления углом поворота ротора, заключается в следующем.
Когда угол отверстия клапана равен α, соответствующая площадь сечения потока равна s, согласно гидродинамической теории отверстия тонкостенного клапана, перепад Δр давлений между входом и выходом отверстия клапана рассчитывается следующим образом:
d
В приведенной выше формуле для расчета перепада Δр давлений между входом и выходом отверстия клапана ρ - плотность бурового раствора, Q - расход бурового раствора, и C - предустановленный коэффициент расхода, связанный с конструкциями статора и ротора. Расход бурового раствора является установленным параметром бурового насоса, согласно расходу бурового раствора, и буровой раствор во время бурения выводится с постоянным рабочим объемом через специальный буровой насос. Кроме того, при фиксированном размере скважины расход бурового раствора является фиксированной величиной. После получения конструкций статора и ротора  является приблизительно константой, в случае если характеристики бурового раствора и поток бурового раствора фиксированы. Характеристики бурового раствора связаны с составом бурового раствора, включая относительную плотность, вязкость, содержание песка, интенсивность коллоидизации, скорость потери воды, статическую сдвигающую силу, значение рН и т.п. бурового раствора, характеристики бурового раствора обычно не изменяются в течение одного бурения. Исходя из описанной выше ситуации, когда отверстие клапана полностью открыто или закрыто, перепад Ар давления между входом и выходом отверстия клапана достигает минимального значения  или максимального значения  соответственно.
Нормализованное давление отверстия клапана определяется как:
При конструкции статора и ротора, показанной на фиг. 1, площадь сечения потока может быть выражена как функция угла а отверстия клапана:
Наряду с уравнением (2), когда угол отверстия клапана равен α, давление отверстия клапана составляет:
s
s
Как показано на фиг. 2, p(α) представляет собой нелинейную зависимость отклика по отношению к углу α отверстия клапана, и конструкционный параметр, обозначенный как R, например, осевой зазор и диаметры статора и ротора, оказывает влияние на p(α).
Во временном разрезе идеальный сигнал давления, генерируемый с помощью отверстия клапана, представляет собой синусоидальный сигнал, и нормализованный сигнал давления в отверстии клапана P(t) выражается как:
max
min
H
L
-2
где p=1, и p=R, которые являются максимальным значением и минимальным значением P(t) соответственно, и со является угловой частотой P(t), R=S/S. Наряду с уравнениями (2) и (3) функция угла отверстия клапана, соответствующая P(t), представляет собой:
Как показано на фиг. 3, здесь представлен отклик нормализованного синусоидального сигнала P(t) давления и соответствующая ему нормализованная функция α(t)/θ угла отверстия клапана на оси времени при R=3. Как показано на фиг. 4, видно, что при разных конструкционных параметрах R статора и ротора отклики нормализованной функции α(t)/θ угла отверстия клапана, соответствующей нормализованному синусоидальному сигналу давления на оси времени, отличаются.
Кривые зависимости давления от расхода устойчивой текучей среды в отверстии тонкостенного клапана описаны в уравнении (1) выше, уравнение (6) представляет собой приблизительную форму зависимости угла отверстия клапана от давления для переходной текучей среды, образованной непрерывным движением ротора. Следовательно, когда функция управления углом отверстия клапана удовлетворяет формуле (6), сигнал давления, генерируемый с помощью отверстия клапана, является приблизительно синусоидальным сигналом.
На этапе 500 получают угол поворота ротора относительно статора в срезном клапане.
В этом варианте осуществления получают угол отверстия каждого из статора и ротора в срезном клапане генератора гидроимпульсов и угол поворота ротора. В соответствии с фактической конструкцией принятого генератора гидроимпульсов, как показано на фиг. 1, определяют угол поворота ротора относительно статора.
На этапе 501 определяют интервал, которому принадлежит полученный угол поворота, среди нескольких предопределенных интервалов угла поворота.
В этом варианте осуществления деление на несколько предопределенных интервалов угла поворота осуществляют в соответствии с диапазоном угла поворота заранее, и каждый интервал угла поворота соответствует одной функции управления соответствующим образом. При получении диапазона угла поворота ротора диапазон угла поворота ротора в одном цикле поворота делят на несколько интервалов, т.е. несколько сегментов, при этом деление на несколько предопределенных интервалов угла поворота, т.е. несколько сегментов угла поворота, в каждом цикле может быть получено с помощью измерений экспериментальных данных. Например, угол поворота ротора равен (A1, А2), и амплитуда поворота ΔА=А2-А1, когда интервал угла поворота делят на три сегмента: первый сегмент представляет собой нижнюю половину сегмента амплитуды поворота, второй сегмент занимает интервал 1/2~3/4 сегмента амплитуды поворота, а третий сегмент занимает интервал 3/4~1 сегмента амплитуды поворота. Когда интервал угла поворота делят на два сегмента: первый сегмент занимает 3/4 сегмента амплитуды поворота, а второй сегмент занимает интервал 3/4~1 сегмента амплитуды поворота, что соответствует фактической конструкции генератора гидроимпульсов. Когда все лопасти статора и ротора находятся в секторах по 36°, а максимальные углы отверстия как статора, так и ротора равны 24°, интервал угла поворота делят на два сегмента, т.е. (0-18°) и (18-24°).
В иллюстративном варианте осуществления функция управления, соответствующая каждому интервалу угла поворота, является синусоидальной функцией.
В иллюстративном варианте осуществления частоты синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, функции управления, соответствующие трем интервалам угла поворота, формируют следующее управляющее уравнение:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором;  где Т - продолжительность цикла поворота ротора; θ представляет максимальный угол отверстия ротора. Максимальный угол отверстия является углом, при котором генератор импульсов полностью открыт, n=0, 1, 2…, где n - целое число; а>1, b<1, где а и b - предустановленные константы.  a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота; ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора, например,  t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора
Как показано на фиг. 6 на примере одного цикла поворота ротора, абсцисса t представляет собой ось времени, ордината θ представляет собой угол поворота. Один цикл поворота соответствует повороту ротора от минимального угла (например, 0°) до максимального угла (например, 24°) и от максимального угла (например, 24°) до минимального угла (например, 0°), а цикл поворота разделен на три интервала, т.е. на три сегмента от минимального угла (например, 0°) до максимального угла (например, 24°).
В иллюстративном варианте осуществления параметры синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, установлены следующим образом: установка нескольких разных значений констант а и b; определение соответствующим образом параметров синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, определяемым каждым набором констант а и b; определение управляющего уравнения зависимости угла поворота ротора от времени в цикле путем использования параметров синусоидальных функций и получение сигнала давления в отверстии срезного клапана в соответствии с управляющим уравнением; выбор набора параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота.
В этом варианте осуществления несколько разных значений а и b установлены заранее, и выбор этих значений основан на соображении, что параметры синусоидальной функции связаны с механической конструкцией генератора импульсов и характеристиками бурового раствора. Таким образом, наряду с конструкцией генератора гидроимпульсов, используемого на объекте, и характеристиками бурового раствора, в результате экспериментальных испытаний может быть получен ряд значений а и b. Определены параметры синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, определяемым каждым набором констант а и b. После определения управляющего уравнения зависимости угла поворота ротора от времени в цикле путем использования параметров синусоидальных функций управляющее уравнение используется для управления поворотом генератора гидроимпульсов с поворотным клапаном, а сигнал формы волны давления в отверстии срезного клапана измеряется экспериментально. Набор параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, выбран в качестве параметров синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота. В этом варианте осуществления сигнал давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления может быть выбран двумя способами: во-первых, коэффициент корреляции между сигналом давления и сигналом стандартной синусоидальной формы волны может быть получен с помощью синусоидальной аппроксимации, и чем ближе коэффициент корреляции к «1», тем лучше корреляция и тем ближе сигнал к сигналу давления с характеристиками синусоидальной формы волны; во-вторых, анализируя величины гармонических составляющих сигнала давления посредством спектрального анализа, если гармонические составляющие меньше, это означает, что сигнал давления лучше соответствует характеристикам синусоидальной формы волны. Оптимальный набор значений а и b среди нескольких наборов значений а и b может быть в итоге выбран любым из вышеперечисленных способов в качестве параметров синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, а итоговое управляющее уравнение зависимости угла поворота ротора от времени в цикле определяют в соответствии с параметрами.
Этот способ используют для фактического имитационного испытания, например, при R=3 выбрано а=2 и b=0,8, сравнение между функцией угла отверстия клапана, показанной в формуле (6), и управляющим уравнением показано на фиг. 7, где управляющее уравнение формируют с помощью функций управления, соответствующих трем интервалам угла поворота. На практике управление обычно основано на угле ϕ поворота ротора относительно статора (как показано на фиг. 1), где ϕ(t)=θ-β(t). Например, когда θ=30°, как показано на фиг. 8, на которой представлено схематическое изображение сравнения между углом ϕ(t) вращения ротора относительно статора и θ-α(t). В этом варианте осуществления предложен способ управления, который может быть применим к углу поворота ротора волнового генератора гидроимпульсов непрерывного действия, и генератор гидроимпульсов имеет конструкцию срезного клапана, состоящую из статора и ротора, при этом радиальные сечения статора и ротора являются веерообразными, а волны давления, генерируемые с помощью способа управления, являются синусоидальными.
Как показано на фиг. 9, вариант осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривает устройство управления, применимое к генератору импульсов, причем генератор импульсов содержит срезной клапан, при этом срезной клапан состоит из статора и ротора с веерообразными радиальными сечениями, и устройство содержит запоминающее устройство и процессор.
Запоминающее устройство выполнено с возможностью хранения программы для управления.
Процессор выполнен с возможностью чтения и исполнения программы для управления, а также исполнения следующих операций:
получения угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане;
определения интервала, которому принадлежит полученный угол поворота, среди нескольких предопределенных интервалов угла поворота;
управления движением ротора путем использования функции управления, соответствующей интервалу, которому принадлежит угол поворота;
при этом деление на несколько предопределенных интервалов угла поворота осуществлено в соответствии с диапазоном угла поворота заранее, и каждый интервал угла поворота соответствует одной функции управления соответствующим образом.
В иллюстративном варианте осуществления функция управления, соответствующая каждому интервалу угла поворота, является синусоидальной функцией.
В иллюстративном варианте осуществления частоты синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, функции управления, соответствующие трем интервалам угла поворота, формируют следующее управляющее уравнение:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора, n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором.  Т - продолжительность цикла поворота ротора. θ представляет максимальный угол отверстия ротора, n=0, 1, 2…, n - целое число. а>1, b<1, а и b - предустановленные константы.
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота, ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора, t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора;
В иллюстративном варианте осуществления установлены несколько разных значений констант а и b. Определены соответствующим образом параметры синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, определяемым каждым набором констант а и b. Параметры синусоидальных функций использованы для определения управляющего уравнения зависимости угла поворота ротора от времени в цикле. Сигнал давления в отверстии срезного клапана получен в соответствии с управляющим уравнением. Набор параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, выбран в качестве параметров синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота.
Как показано на фиг. 10, вариант осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривает способ определения управляющего уравнения, включающий этапы 1000-1003:
этап 1000: деление диапазона угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане на N интервалов угла поворота и определение функций управления, соответствующим образом соответствующих нескольким интервалам угла поворота, при этом параметры функций управления, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются, и N представляет собой положительное целое число, которое больше или равно 2;
этап 1001: среди нескольких предустановленных наборов параметров для каждого набора параметров получение соответствующим образом сигнала давления в отверстии срезного клапана, когда в функции управления используют набор параметров, при этом один набор параметров содержит N параметров, которые соответствующим образом используют для функции управления, соответствующей каждому из N интервалов угла поворота;
этап 1002: определение одного набора параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров функции управления; и
этап 1003: получение управляющего уравнения ротора в соответствии с несколькими функциями управления с определенными параметрами.
В этом варианте осуществления способ определения управляющего уравнения применим к генератору гидроимпульсов, причем генератор гидроимпульсов содержит срезной клапан, содержащий статор и ротор с веерообразными радиальными сечениями.
Получают угол отверстия каждого из статора и ротора в срезном клапане генератора гидроимпульсов и угол поворота ротора. Как показано на фиг. 1, в соответствии с конструкцией принятого генератора гидроимпульсов определяют угол поворота ротора относительно статора.
На этапе 1000 делят диапазон угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане на N интервалов угла поворота и определяют функции управления, соответствующим образом соответствующие нескольким интервалам угла поворота, при этом параметры функций управления, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются. N представляет собой положительное целое число, которое больше или равно 2, причем диапазон может быть разделен на два или три сегмента, которые могут быть определены в соответствии с фактической конструкцией генератора гидроимпульсов и характеристиками бурового раствора. Когда интервал угла поворота делят на три сегмента, N=3.
На этапе 1001 среди нескольких предустановленных наборов параметров для каждого набора параметров соответствующим образом получают сигналы давления в отверстии срезного клапана, когда в функции управления используют набор параметров. В этом варианте осуществления, например, предустановленные параметры определяют с помощью одного набора из а и b, устанавливают заранее несколько разных значений а и b, и выбор этих значений основан на соображении, что параметры синусоидальной функции связаны с механической конструкцией генератора импульсов и характеристиками бурового раствора, и наряду с конструкцией генератора гидроимпульсов, используемого на объекте, и характеристиками бурового раствора, в результате экспериментальных испытаний может быть получен ряд значений а и b.
На этапе 1002 определяют набор параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров функции управления. Определяют параметры синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, определяемым каждым набором констант а и b. После использования параметров синусоидальных функций для определения управляющего уравнения зависимости угла поворота ротора от времени в цикле управляющее уравнение используют для управления поворотом генератора гидроимпульсов с поворотным клапаном, а сигнал формы волны давления в отверстии срезного клапана измеряют экспериментально. Набор параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, выбирают в качестве параметров синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота. В этом варианте осуществления сигнал давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления может быть выбран двумя способами: во-первых, коэффициент корреляции между сигналом давления и сигналом стандартной синусоидальной формы волны может быть получен с помощью синусоидальной аппроксимации, и чем ближе коэффициент корреляции к «1», тем лучше корреляция и тем ближе сигнал давления к сигналу давления с характеристиками синусоидальной формы волны; во-вторых, величины гармонических составляющих сигнала давления анализируют посредством спектрального анализа, если гармонические составляющие меньше, это означает, что сигнал давления лучше соответствует характеристикам синусоидальной формы волны.
На этапе 1003 получают управляющее уравнение ротора в соответствии с несколькими функциями управления с определенными параметрами. Оптимальный набор значений а и b среди несколько наборов значений а и b, определенных на этапе 1002, используют в качестве итоговых параметров синусоидальных функций, соответствующих разным интервалам угла поворота, а итоговое управляющее уравнение зависимости угла поворота ротора от времени в цикле определяют в соответствии с параметрами. То есть функции управления нескольких сегментов определяют с использованием выбранного оптимального набора значений а и b, и функции управления нескольких сегментов синтезируют в уравнение управления углом ротора.
На этом этапе 1003, когда несколько интервалов угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, согласно функциям управления, соответствующим трем интервалам угла поворота, уравнение управления ротором формируют следующим образом:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором.  Т - продолжительность цикла поворота ротора. θ представляет максимальный угол отверстия ротора, n=0, 1, 2…, n - целое число. а>1, b<1, а и b - предустановленные константы.
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота. ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора, t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора;
Как показано на фиг. 11, вариант осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривает устройство для определения управляющего уравнения, применимое к генератору гидроимпульсов, причем генератор гидроимпульсов содержит срезной клапан, при этом срезной клапан содержит статор и ротор с веерообразными радиальными сечениями, и устройство для определения управляющего уравнения содержит запоминающее устройство и процессор. Запоминающее устройство выполнено с возможностью хранения программы для определения управляющего уравнения. Процессор выполнен с возможностью чтения и исполнения программы для определения управляющего уравнения, а также исполнения следующих операций:
деления диапазона угла поворота ротора относительно статора в срезном клапане на N интервалов угла поворота и определения функций управления, соответствующим образом соответствующих нескольким интервалам угла поворота, при этом параметры функций управления, соответствующих разным интервалам угла поворота, отличаются, и N представляет собой положительное целое число, которое больше или равно 2;
среди нескольких предустановленных наборов параметров для каждого набора параметров получения соответствующим образом сигнала давления в отверстии срезного клапана, когда в функции управления использован набор параметров, при этом один набор параметров содержит N параметров, которые соответствующим образом использованы для функции управления, соответствующей каждому из N интервалов угла поворота;
определения набора параметров, соответствующих сигналу давления, который соответствует характеристикам синусоидальной формы волны, среди нескольких сигналов давления, в качестве параметров функции управления; и
получения управляющего уравнения ротора в соответствии с несколькими функциями управления с определенными параметрами.
В иллюстративном варианте осуществления, когда несколько интервалов N угла поворота представляют собой три интервала угла поворота, управляющее уравнение ротора, сформированное функциями управления, соответствующими трем интервалам угла поворота, имеет вид:
в приведенном выше управляющем уравнении: β(t) представляет функцию угла ротора от времени; t-nT представляет момент, соответствующий углу поворота в текущем цикле ротора; t представляет время, соответствующее углу поворота ротора; n представляет количество циклов поворота, совершенных ротором.  Т - продолжительность цикла поворота ротора. θ представляет максимальный угол отверстия ротора, n=0, 1, 2…, n - целое число; а>1, b<1, а и b - предустановленные константы.
a, b и m представляют параметры синусоидальной функции, соответствующей интервалу угла поворота, ω представляет целевую угловую скорость функции угла ротора, t1, t2, t3 и t4 соответствующим образом относятся к моментам, соответствующим углам пересечения смежных интервалов поворота в текущем цикле ротора.
Вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает читаемый носитель данных, хранящий исполняемые команды, которые исполняются процессором для выполнения операций в рамках описанного выше способа управления или любого из иллюстративных вариантов осуществления. Исполняемые команды запускаются в блоке микроконтроллера (MCU) или процессоре цифровых сигналов (DSP).
Вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает читаемый носитель данных, хранящий исполняемые команды, и исполняемые команды исполняются процессором для выполнения операций в рамках описанного выше способа определения управляющего уравнения. Исполняемые команды запускаются в блоке микроконтроллера (MCU) или процессоре цифровых сигналов (DSP).
В этом варианте осуществления способ определения управляющего уравнения для управления углом вращения ротора применим к ротору генератора гидроимпульсов непрерывного действия. Генератор гидроимпульсов имеет конструкцию со срезным клапаном, состоящую из статора и ротора, при этом радиальные сечения статора и ротора являются веерообразными. Управляющее уравнение получают с помощью способа определения управляющего уравнения, и управляющее уравнение используют для управления вращением ротора таким образом, чтобы волны давления, генерируемые ротором, были приблизительно синусоидальными.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что все или некоторые этапы способов, функциональных модулей/блоков в системах и устройствах, раскрытых выше, могут быть реализованы в виде программного обеспечения, аппаратно-программного обеспечения, аппаратного обеспечения и их соответствующих комбинаций. В аппаратной реализации разделение между функциональными модулями/блоками, упоминаемое в описании выше, не обязательно соответствует разделению физических компонентов. Например, физический компонент может иметь несколько функций, или функция или этап могут исполняться несколькими физическими компонентами совместно. Некоторые или все компоненты могут быть реализованы как программное обеспечение, исполняемое процессором, таким как процессор цифровой обработки сигналов или микропроцессор, или как аппаратное обеспечение, или как интегральная микросхема, например, интегральная микросхема специализированного применения. Такое программное обеспечение может распространяться на машиночитаемых носителях, которые могут включать компьютерные носители данных (или постоянные носители) и средства связи (или временные носители). Как хорошо известно специалистам в данной области техники, термин «компьютерные носители данных» включает энергозависимые и энергонезависимые, съемные и несъемные носители, реализованные любым способом или по любой технологии, для хранения информации, такой как машиночитаемые команды, структуры данных, программные модули или другие данные. Компьютерные носители данных включают, но без ограничения, RAM, ROM, EEPROM, флеш-память или другие технологии запоминающих устройств, CD-ROM, универсальные цифровые диски (DVD) или другой накопитель на оптических дисках, магнитные кассеты, ленты, накопитель на магнитных дисках или другие магнитные запоминающие устройства или любые другие носители, которые можно использовать для хранения нужной информации, и доступ к которым можно получить через компьютер. Кроме того, специалистам в данной области техники хорошо известно, что средства связи обычно содержат машиночитаемые команды, структуры данных, программные модули или другие данные в виде модулированных сигналов данных, таких как несущие волны или другие механизмы передачи, и могут включать любые средства доставки информации.