基于FluidSIM的鐵鉆工控制系統的建模及仿真

崔志誠

（西安石油大學，西安710065）

0 引言

鐵鉆工是鉆機在自動化鉆井過程中的配套設備，能在完成鉆具高效率地上扣、卸扣及緊扣、沖扣等工作的同時保證工人的安全。鐵鉆工控制系統的自動化程度會影響到其操作的方便程度，工人的勞動強度及工作效率等性能[1]。目前，鐵鉆工的液壓控制系統多數是電液比例控制系統，即通過控制滑閥的開度來實現對液壓系統的控制[2]。針對這種情況，提出采用PID控制，PID控制器具有參數在線整定的功能，利用這一功能進行對電液比例系統的PID控制。首先建立系統的數學模型，然后利用FluidSIM軟件進行仿真，從而分析電液比例壓力系統的PID控制效果。

1 鐵鉆工電液比例控制系統的組成

鐵鉆工主要由底座、運移裝置、鉗體（旋扣鉗、扣鉗、背鉗）及夾緊油缸、沖扣油缸、旋扣馬達等組成的，是一個多液壓缸電液比例壓力控制系統[3]。由于每一個液壓缸都是一個獨立的壓力控制系統，所以本文只選擇其中一個液壓缸的壓力控制進行研究，對該液壓缸系統進行數學建模，然后再進行仿真分析。電液比例壓力控制系統的原理如圖1所示。

圖1 壓力控制系統原理框圖

系統收到指令裝置給定的一個電壓信號ur，此時液壓缸的輸出壓力為Fg，壓力傳感器在測到該壓力后，將其轉換為電壓信號uf并將其反饋到輸入端。PID控制器將uf與ur進行比較，當兩個值不相等時，控制器對得出的偏差信號ue進行運算，并輸出相應的調節信號，該信號經放大器放大，然后輸入電液比例閥，驅動閥輸出壓差，壓差作用在液壓缸上[4]，使其輸出的驅動力向著偏差減少的方向變化，直到偏差為零為止。

2 鐵鉆工電液比例控制系統的數學模型

（1）PID控制器

PID控制系統原理框圖如圖2所示。

PID控制器通過比較給定值r(t)和實際輸出值c(t)得出控制偏差：

e(t)=r(t)-c(t)

將偏差通過線性運算得出控制量，從而控制被控對象。其控制規律為：

式中Kp—比例系數；

T1—積分時間常數；

TD—微分時間常數。

（2）比例放大器

u(t)=Kfe(t)

式中Kf—為比例放大器的增益。

圖2 PID控制系統原理框圖

（3）電液比例閥

液壓油在電液比例閥里流動的過程會造成局部的壓力損失，利用這一原理，電信號可以使閥的出口及入口間的壓差成比例地變化。在系統固有頻率遠小于電液比例閥的頻帶寬度這一前提下，電液比例閥的輸出壓力為：

p(t)=Kbi(t)

式中Kb為電液比例閥的增益。

（4）液壓缸

①滑閥負載流量方程

qL=kqxv-kcpL

式中kq—滑閥流量增益；

xv—閥芯位移；

kc—滑閥流量壓力系數；

pL—負載壓差。

②活塞流量方程

式中Ap—液壓缸活塞面積；

xp—液壓缸輸出位移；

t—時間變量。

③活塞力平衡方程

液壓缸的輸出驅動力：

式中mt—活塞及負載質量；

Bp—活塞及負載的黏性阻尼系數；

k—負載的液壓彈簧剛度。

（5）壓力傳感器

uf(t)=kfppL

式中kfp—壓力傳感器的增益；

pL—液壓缸進油腔內壓力。

3 基于FluidSIM的仿真分析

3.1 建立仿真模型

基于對電液比例控制系統進行數學建模，現利用FluidSIM軟件對其進行PID控制仿真及分析，電液比例PID控制系統仿真模型如圖3所示。

圖3 電液比例PID控制系統仿真模型

3.2 仿真結果和分析

采用PID控制時，系統的單位階躍響應曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在輸出值還沒有達到穩定狀態的時候，系統沒有出現明顯的振蕩現象，具有平穩的控制過程。PID控制系統的響應時間為0.1s，具有較快的響應速度，無靜態誤差。由此得出，PID控制方法的超調量及穩定時間小，控制性能高，動態性能好。

為測試系統的隨動性能，對系統輸入正弦信號，仿真結果見圖5。

液壓缸、模擬壓力傳感器、信號發生器的正弦響應曲線如圖5所示?？梢钥闯?，當液壓缸活塞完全伸出后，負載加載到液壓缸上，在穩態誤差內能以較高精度跟隨輸入控制信號的變化而變化。當活塞桿縮回的瞬間，由于壓力的瞬時變化，壓力傳感器的輸出信號會出現瞬時振蕩，屬正?，F象。

圖4 PID控制系統階躍響應曲線

圖5 正弦響應曲線

4 結語

由于鐵鉆工的液壓比例系統參數變化程度較大且有負載干擾，性能要求無法通過一般控制方法得到全部滿足。通過建立PID控制器，根據偏差的變化和偏差變化率的大小，使PID參數自適應變化，這樣可以省去繁瑣的人為參數調試過程。該系統具有自適應調整能力，能夠很好地適應不同的環境，增強了系統可靠性。

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