主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)及仿真

張萌，李相遠(yuǎn)，朱顯宇

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 前言

海洋鉆探船在作業(yè)時(shí)處于漂浮狀態(tài)，船體會(huì)隨著海浪起伏做升沉運(yùn)動(dòng)，從而使鉆桿產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起井底鉆壓變化。作為鉆井設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的主要作用是減小船體升沉對(duì)鉆柱的影響，使鉆壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，以提高鉆進(jìn)效率，降低鉆井成本，保障人員及設(shè)備安全［1］。鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要有被動(dòng)式、主動(dòng)式和半主動(dòng)式3種形式［2］，目前國(guó)外已有不少?gòu)S商生產(chǎn)出了比較成熟的產(chǎn)品，其中，IHC公司和力士樂公司聯(lián)合開發(fā)的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)合了主動(dòng)式與被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)償效果可以達(dá)到90%以上［3-5］。比較之下，我國(guó)對(duì)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)尤其是主動(dòng)式及半主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究還有差距。作者根據(jù)主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)并搭建了其室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用AMESim軟件進(jìn)行了仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，為主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理

圖1為主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖［6］，該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖中，補(bǔ)償缸的缸體通過游動(dòng)滑車與塔架相連，進(jìn)而與船體連接，補(bǔ)償缸的活塞桿通過大鉤、動(dòng)力頭等與鉆柱連接，傳感器可以把檢測(cè)到的船體和鉆柱的位移信息送到控制器，其偏差信號(hào)經(jīng)過處理又作為伺服閥的控制信號(hào)以控制油液的流向和流量，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償缸活塞桿的補(bǔ)償動(dòng)作:船體和補(bǔ)償缸缸體隨著海浪升沉?xí)r，補(bǔ)償缸的活塞桿盡量保持其原位不動(dòng)。

圖1 主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作原理和實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示，其中，液壓缸8的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作即為補(bǔ)償系統(tǒng)中補(bǔ)償缸的模擬;液壓缸所接負(fù)載的大小可以通過改變實(shí)物圖中所示機(jī)構(gòu)的傾角調(diào)節(jié);滾珠絲杠副4通過聯(lián)軸器2由伺服電機(jī)1驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)9的動(dòng)作則為船體升沉運(yùn)動(dòng)的模擬。液壓缸的缸體與工作臺(tái)連接在一起，以保證兩者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，拉桿式直線位移傳感器3和5的拉桿通過連接板分別接到工作臺(tái)和液壓缸的活塞桿上，以分別獲得工作臺(tái)(即液壓缸缸體)和液壓缸活塞桿的絕對(duì)位移量。

圖2 補(bǔ)償系統(tǒng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3．1 AMESim建模與仿真

首先在草圖模式下建立系統(tǒng)的仿真模型。主動(dòng)式升沉補(bǔ)償室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的AMESim仿真模型如圖4所示。

圖4 AMESim仿真模型

在該系統(tǒng)中控制器采用的是設(shè)置簡(jiǎn)單、在工業(yè)控制領(lǐng)域使用廣泛的PID控制器［7］。選取HCD庫(kù)中brp4和brp2兩種元件組成一個(gè)缸體可以移動(dòng)的液壓缸。為了能更簡(jiǎn)單地觀測(cè)到系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)置對(duì)補(bǔ)償效果的影響，在文中沒有專門建立伺服電機(jī)和滾珠絲杠副的仿真模型，而是用圖4中升沉信號(hào)源模塊4直接連到液壓缸的缸體上，使液壓缸缸體產(chǎn)生周期性的正弦運(yùn)動(dòng)。位移傳感器1和2分別采集到液壓缸活塞桿和缸體的位移信息送到PID控制器，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后的信號(hào)作為電液伺服閥的控制信號(hào)控制電液伺服閥的動(dòng)作。

在子模型模式下，需要根據(jù)實(shí)際情況為每個(gè)元件和連線分配一個(gè)合適的子模型。為了簡(jiǎn)化設(shè)置步驟，可以先單擊首選子模型按鈕給所有元件和連線指派最簡(jiǎn)單的可能子模型，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。在該系統(tǒng)中，在單擊首選子模型后，需要把伺服閥和補(bǔ)償缸之間的連接管道設(shè)置為考慮油液可壓縮性和阻尼的子模型HL03，以及把連接伺服閥進(jìn)油口P和液壓節(jié)點(diǎn)的管道設(shè)置為僅考慮油液可壓縮性的子模型HL000。

在參數(shù)設(shè)置模式下可以設(shè)置仿真模型中各元件的參數(shù)以及指定批運(yùn)行［8］。元件參數(shù)的設(shè)置應(yīng)盡可能與實(shí)際情況一致，參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確與否直接決定著仿真結(jié)果的可靠性。根據(jù)圖3中的實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置參數(shù)如下:液壓缸活塞直徑D為40 mm，活塞桿直徑d為22 mm;通過鋼絲繩及滑輪組與液壓缸活塞桿相連的配重質(zhì)量m為80 kg，inclination為90°，同實(shí)驗(yàn)臺(tái)類似，AMESim參數(shù)設(shè)置中可以通過改變inclination的值來調(diào)節(jié)活塞桿的負(fù)載力大小;滾珠絲杠的最大行程為300 mm，螺母的最大設(shè)計(jì)速度vmax為0．33 m/s，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 430 r/min，液壓泵排量16 mL/r，溢流閥開啟壓力2 MPa，正弦信號(hào)源頻率0．13;因?yàn)槲闹袝翰簧婕暗角梆伩刂疲瑢D4中位移傳感器2的增益設(shè)置為0，則PID控制器獲得的信號(hào)則為活塞桿位移與零點(diǎn)位移的差值。其他參數(shù)采取默認(rèn)值后，選取PID控制器中Proportional Gain、Integral Gain和Derivative Gain作為批運(yùn)行參數(shù)，以直觀地觀測(cè)這3個(gè)參數(shù)的取值對(duì)補(bǔ)償效果的影響。

進(jìn)入仿真模式，設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間為30 s，選擇批處理方式運(yùn)行仿真，比較后選取補(bǔ)償效果較好的一組PID參數(shù)為:Proportional Gain為10，Integral Gain為2，Derivative Gain為0．2。液壓缸缸體和活塞桿的位移仿真結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5 位移仿真曲線

由仿真結(jié)果可以看出，主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)采用PID控制可以取得較好的補(bǔ)償效果，當(dāng)液壓缸的缸體做振幅為±150 mm、周期為7．7 s的正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿的最大波動(dòng)范圍僅為±18．7 mm，補(bǔ)償效果可以達(dá)到87．5%。

3．2 模擬實(shí)驗(yàn)

利用Matlab/Simulink在主機(jī)上搭建xPC Target實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，把Simulink程序編譯成C代碼，通過網(wǎng)線或者串口下載到輔機(jī)上，執(zhí)行輔機(jī)上的控制程序進(jìn)行信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集并把采集到的數(shù)據(jù)傳輸回主機(jī)，控制程序如圖6所示。其中輔機(jī)上的PCI-6221/37數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入1號(hào)口采集的工作臺(tái)位移信號(hào)經(jīng)Gain模塊放大，轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)實(shí)際位移，經(jīng)Analog Filter Design數(shù)字濾波器模塊進(jìn)行低通濾波，濾波后的實(shí)際位移信號(hào)通過Target Scope模塊顯示在輔機(jī)顯示器上。數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入2號(hào)口采集的活塞桿位移信號(hào)經(jīng)Gain模塊放大，轉(zhuǎn)換成活塞桿實(shí)際位移，再經(jīng)Analog Filter Design數(shù)字濾波器模塊進(jìn)行低通濾波，濾波后的實(shí)際位移信號(hào)與設(shè)定位移零點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，通過Target Scope模塊顯示在輔機(jī)顯示器上。實(shí)際與位移設(shè)定位移零點(diǎn)相減獲得活塞桿位移偏差，經(jīng)過Discrete PID Controller離散PID控制器調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)換成實(shí)際伺服閥控制電壓信號(hào)數(shù)值，輸入到數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出1號(hào)口，控制伺服閥的動(dòng)作。

圖6 Simulink控制程序

設(shè)置PID參數(shù)和AMESim仿真中參數(shù)一致，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。

可以看出，同一組PID參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果具有較好的一致性，當(dāng)液壓缸的缸體做振幅為±150 mm、周期為7．7 s的正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿的波動(dòng)范圍為±22 mm，實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)償效果為85．3%。但是在實(shí)驗(yàn)中，活塞桿會(huì)出現(xiàn)小幅度的震蕩，這是由于經(jīng)過Analog Filter Design數(shù)字濾波器濾波的信號(hào)仍然存在一定的干擾，導(dǎo)致電液伺服閥的閥芯動(dòng)作不夠平穩(wěn)造成的，接下來的實(shí)驗(yàn)中，還需要繼續(xù)優(yōu)化Analog Filter Design數(shù)字濾波器的參數(shù)，以取得良好的濾波效果。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

同時(shí)還可以看出，不管是仿真還是實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)償效果還有提高的空間，但僅僅通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)是不夠的。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，考慮引入前饋控制，采取前饋控制和PID控制相結(jié)合的控制策略，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

(1)AMESim作為一種多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，可以直觀地建立液壓控制系統(tǒng)的模型、方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并仿真，其仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性。AMESim軟件的應(yīng)用可以提高液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

(2)利用xPC Target平臺(tái)搭建實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，可方便地調(diào)節(jié)PID參數(shù)，達(dá)到所需要的控制效果。(3)通過仿真和實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，采用PID控制的主動(dòng)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)具有較高的補(bǔ)償性能。

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