摘要
煤层气作为与煤炭伴生的非常规天然气资源，在我国储量丰富，但是与其他国家相比，我国煤层气开采起步较晚。多年来，煤层气的直接排放不仅加剧了全球温室效应，而且造成煤炭开采行业瓦斯事故频繁发生。我国构造煤煤层气因地质条件特殊，传统的疏水降压理论并不适用，亟待理论创新。煤层气直井混合物的举升与排采直接影响着该煤层气井的产量。因此保障煤层气直井混合物的稳定举升和排水采气工作的有序进行具有重要意义。 本文依托于构造煤原位煤层气水平井洞穴卸压开发模拟试验系统，以直井混合物举升系统为研究对象，建立了直井混合物举升系统的数学模型。采用Smith预估补偿、精确反馈线性化和滑模变结构控制实现了对该复杂时滞非线性系统的稳定控制，并基于LabVIEW和PLC开发了煤层气直井混合物举升控制系统的数据采集与监控软件，具体研究如下。 首先，以井筒中的煤粉为研究对象，分析了单个煤粉与群体煤粉在沉降过程中的运移规律，计算了煤粉在自由沉降过程中所能达到的最大速度。其次，对于直井混合物举升设备，采用离心泵与控制阀作为控制与执行机构，运用恒压节流调节方式，结合理论与实验推导出了该离心泵与管路的参数特性。最后，对该泵-阀控制系统进行了数学建模，得出该系统为带有时间滞后的耦合双输入双输出的非线性模型。该模型采用传统的PID控制效果不佳，需要针对时间滞后、耦合、非线性等特性设计新型控制器。 针对上述控制器的设计要求，首先采用Smith预估器对时间滞后进行补偿，将原模型转化为不带时间滞后的耦合双输入双输出的非线性模型。其次，利用精确反馈线性化将非线性问题转化为线性问题，同时完成对模型的解耦。原模型经过两次处理后变为双输入双输出的非耦合线性模型。虽然对于该模型可直接控制流量与压差，但是因为建模误差和扰动因素的影响，加之实际控制器无法达到精确计算，模型与实际系统的误差可能造成实际控制效果呈发散趋势。考虑到滑模变结构控制对系统建模依赖程度较低，且具有较强的抗干扰能力，因此采用滑模变结构控制。仿真结果表明，系统抗干扰能力明显增强，但是因为滑模带来的抖振可能影响系统的稳定运行，因此还需对该滑模算法做进一步的改进。针对一般滑模控制器带来的收敛时间慢、抖振严重等问题，本文设计了一种新的复合型非奇异终端滑模控制器。仿真结果表明，新型滑模控制器在缩短收敛时间、降低输出抖振方面优于一般滑模控制，满足系统的实际需求。 最后，本文基于实验室设备开展了举升系统模拟实验，验证了所提出的复合型非奇异终端滑模控制器具有良好的控制效果。结合LabVIEW与PLC开发了数据采集与监控系统，利用工业OPC通讯标准，实现了LabVIEW与PLC间的数据互传。将各种类型的传感器与NI机箱中的数据采集板卡相连，满足系统的多物理量多通道的监控要求。
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