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龙图腾网获悉中国矿业大学申请的专利面向复杂地层钻进的救援钻机多模型预测控制方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN119288425B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-08-22发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411535044.4，技术领域涉及：E21B44/00；该发明授权面向复杂地层钻进的救援钻机多模型预测控制方法是由张淇瑞;赵丹铭;代伟;赵继云;曹超;黄笛;王云飞设计研发完成，并于2024-10-31向国家知识产权局提交的专利申请。

本面向复杂地层钻进的救援钻机多模型预测控制方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种面向复杂地层钻进的救援钻机多模型预测控制方法，包括如下步骤：基于有限元法对每个地层分别建立以电压为输入、钻压为输出的救援钻机的钻压控制系统模型；基于频域分析法将每个地层的钻压控制系统模型进行刚柔模态分离，建立每个地层的钻压控制系统模型的降阶模型；在每个地层下确定对应的给进阻尼系数，并将多个地层与多个降阶模型一一对应，其中，每个地层预先配置有控制器；当地层情况发生变化时，根据地层情况，切换对应的控制器对钻压进行预测控制。本发明的方法能够快速响应地层变化，调整钻压，以保持钻进过程的稳定性和效率，从而使得钻压能够在不同地层下始终稳定在设定值的安全范围内。

本发明授权面向复杂地层钻进的救援钻机多模型预测控制方法在权利要求书中公布了：1.一种面向复杂地层钻进的救援钻机多模型预测控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 基于有限元法对每个地层分别建立以电压为输入、钻压为输出的救援钻机的钻压控制系统模型，所述钻压控制系统模型包括比例溢流阀模型、液压缸系统模型、钻柱轴向模型和钻头岩石作用模型； 基于频域分析法将每个地层的所述钻压控制系统模型进行刚柔模态分离，建立每个地层的所述钻压控制系统模型的降阶模型； 在每个地层下确定对应的给进阻尼系数，并将多个地层与多个所述降阶模型一一对应，其中，每个地层预先配置有控制器； 当地层情况发生变化时，根据所述地层情况，切换对应的所述控制器对钻压进行预测控制，其中，基于有限元法对每个地层分别建立以电压为输入、钻压为输出的救援钻机的钻压控制系统模型，包括： 确定所述钻压控制系统的控制输入、输出和状态变量； 根据所述钻压控制系统的输入、输出和状态变量建立所述钻压控制系统的状态空间模型； 所述钻压控制系统的控制输入用下述表达式表示： 其中，u为所述钻压控制系统的控制输入，v为所述比例溢流阀的指令电压，qr为通过所述比例溢流阀的流量； 所述钻压控制系统的输出为钻柱顶端钻压，用下述表达式表示： ys＝Fs 其中，ys为所述钻压控制系统的输出，Fs为所述钻柱顶端钻压； 所述钻压控制系统的状态变量用下述表达式表示： 其中，xs为状态变量，pr为比例溢流阀的输出压力，Rn表示n维欧几里得空间，xn表示为第n个广义节点的位移，表示为第n个广义节点的速度； 根据下述公式建立所述钻压控制系统的状态空间模型： 其中，为状态变量的一阶导数，表示系统状态随时间的变化；ut为系统的控制输入，As为系统矩阵，Bs为输入矩阵，yst为系统的输出，Cs为输出矩阵； 根据下述公式确定所述钻压控制系统的状态空间模型中的参数As、Bs、Cs： As＝Asr+HkrT Cs＝C1-n1mQAs-n1bQ 其中，kr表示给进阻尼系数，表示单位钻速下钻头所受阻尼的大小，是和地层强度相关的不确定参数；常数n1为给进机构的系数，表示井上钻压和液压缸输出压力的关系，由滑轮结构确定；b为黏性阻尼系数，由液压缸运动试验中获取；m为钻柱总质量，Oi×j为元素均为0的i×j维矩阵； 参数A、B、C1、Da、E1、H、H1、Kt、Ma、T、Q用下述公式表示： C1＝[n1AaO1×2N+4] Da＝αM+βK+n1bE0Q Kt＝KE3 Ma＝M+n1mE0Q T＝[00...1]∈R1×2N+5 Q＝[O1×N+41O1×N] 其中，Aa为无杆腔的作用面积，K为全局刚度矩阵，M为全局质量矩阵，常数α和β是利用瑞利阻尼模型得到的全局阻尼模型的模型系数； 参数A1、A2、A3、B1、B2、B3、E0、E2、E3、W、K、M用下述公式表示： E0＝[10...0]T∈RN+1 E2＝[00...1]T∈RN+1 其中，Kcr表示比例溢流阀等效流量压力系数，ωrv表示主阀运动主导转折频率，ζry表示先导阀阻尼比、ωry表示先导阀固有频率、Kqr表示流量压力增益、ωrm表示主阀等效固有频率、ζrm表示主阀等效阻尼比，P∈RN×N是主对角线及主对角线上方元素均为1的矩阵； 全局刚度矩阵K和全局质量矩阵M由每个离散单元的单元质量矩阵Mi和单元刚度矩阵Ki联立得到，Mi和Ki分别为： 其中，ρ为每根钻杆的密度，S为每根钻杆的横截面积，E为每根钻杆的杨氏模量，l为每根钻杆的长度； 当地层情况发生变化时，根据所述地层情况，切换对应的所述控制器对钻压进行预测控制，包括： 根据每个地层的所述钻压控制系统模型的降阶模型的传递函数，确定每个地层的所述钻压控制系统模型的模型参数； 根据每个地层的所述钻压控制系统模型的模型参数和当前地层输出的现时误差和历史误差，确定指标切换函数，并通过所述指标切换函数来评判每个地层的所述钻压控制系统模型和当前地层的匹配程度； 当所述钻压控制系统模型和当前地层的匹配程度符合预设条件时，确定当前时刻对应的钻压控制系统模型为目标模型； 使用所述目标模型对应的控制器对钻压进行预测控制； 根据下述公式确定所述指标切换函数： eik＝yik-yk 其中，yik为第i个地层的所述钻压控制系统模型的输出值，yk为钻压控制系统的真实输出，eik为第i个地层的所述钻压控制系统模型输出值与实际系统输出值的差值；λ1为当前时刻的权值，λ2为历史时刻误差的权值，λ10,λ20；θ为遗忘因子，表示对历史误差信息的记忆效应，0θ1；h为所取历史误差的长度。

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