修井機(jī)起升系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真方法

吳修德 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

蘇一凡 （中海石油 （中國）有限公司湛江分公司生產(chǎn)部，廣東 湛江524057）

吳文秀 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

修井機(jī)的起升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著起升與下放鉆具、鉆頭進(jìn)給、鉆壓控制、處理井下復(fù)雜事故等工作，主要由絞車、天車、游車以及鉆桿等部分組成，在絞車中常采用液壓盤式制動(dòng)器構(gòu)成制動(dòng)控制系統(tǒng)。修井機(jī)起升系統(tǒng)的制動(dòng)控制是典型的機(jī)電液一體化控制。通過系統(tǒng)仿真分析可以獲得起升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[1，2]。為了提高系統(tǒng)仿真分析的效率，筆者構(gòu)建了修井機(jī)起升系統(tǒng)的機(jī)電液多領(lǐng)域的聯(lián)合仿真分析方法。

1 機(jī)電液聯(lián)合仿真總體方案

以XJ250修井機(jī)的起升系統(tǒng)為研究對象，通過實(shí)體建模軟件PRO/ENGINEER和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，建立包含液壓盤式剎車在內(nèi)的起升系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)簡化模型，對提升工況、下入工況的工作制動(dòng)和緊急制動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可以得到起升系統(tǒng)各關(guān)鍵元件所承受的動(dòng)載荷大小及其變化規(guī)律。利用AMESim軟件液壓系統(tǒng)建模的優(yōu)勢，建立液壓盤式剎車的精準(zhǔn)模型，然后用采用AMESim和 Matlab/Simulink聯(lián)合的方法，建立液壓盤式剎車制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，通過 Matlab/Simulink和AMESim聯(lián)合仿真，可分析或驗(yàn)證起升系統(tǒng)的制動(dòng)控制性能。修井機(jī)起升系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真的總體方案如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真總體方案示意圖

2 機(jī)電聯(lián)合仿真

利用ADAMS的Controls模塊，可以將復(fù)雜的控制添加到機(jī)械系統(tǒng)的樣機(jī)模型中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)仿真分析工具與控制系統(tǒng)仿真軟件有機(jī)連接，便于對系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。主要的建模步驟：①在Matlab程序中輸入ADAMS模塊；②在Matlab/Simulink模塊中設(shè)置仿真參數(shù) （采用PIPE （DDE）交互訪問默認(rèn)方式）；③利用Simulink工具進(jìn)行控制系統(tǒng)建模。在進(jìn)行控制系統(tǒng)建模時(shí)，要考慮下入工況的變加速段和勻加速段。鉆柱桿主動(dòng)力矩為常數(shù)，工作鉗剎車力矩變化與時(shí)間有關(guān)，利用階躍函數(shù)來表示其由平衡狀態(tài)力矩增加到最大力矩。當(dāng)角速度等于0時(shí)，系統(tǒng)仿真結(jié)束，需要在Simulink中添加一個(gè)比較器 （Relational Operator）。

在Simulink中建立的修井機(jī)起升系統(tǒng)機(jī)電聯(lián)合仿真模型如圖2所示。

輸入為工作鉗制動(dòng)矩為隨時(shí)間變化的信號(hào)，輸出為角加速度大小，通過積分計(jì)算并考慮初始條件可得速度與角位移仿真結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析存在多種影響因素以及要求輸入復(fù)雜方程和信號(hào) （如，不規(guī)則曲線及復(fù)雜周期函數(shù)）時(shí)，利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，添加往往比較麻煩，不容易更改；而通過與Simulink聯(lián)合仿真，易于實(shí)現(xiàn)初始條件的更改及復(fù)雜控制信號(hào)的輸入，并可在交互模式中動(dòng)態(tài)觀察仿真結(jié)果。

圖2 機(jī)電聯(lián)合仿真模型

3 機(jī)液聯(lián)合仿真

ADAMS和 AMESim的軟件接口 （ADAMS－AMESim Interface）包含了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與液壓模型發(fā)生聯(lián)系的相關(guān)狀態(tài)變量與參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的ADAMS動(dòng)力學(xué)模型與AMESim液壓模型之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞，將動(dòng)力學(xué)仿真與液壓系統(tǒng)仿真聯(lián)合起來。

圖3所示為修井機(jī)起升系統(tǒng)的液壓盤式制動(dòng)器的機(jī)械、液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。力矩傳感器將剎車系統(tǒng)的接觸正應(yīng)力轉(zhuǎn)化為工作鉗制動(dòng)力矩信號(hào)，然后與鉆柱等的主動(dòng)矩做差分運(yùn)算，通過力矩產(chǎn)生器作為輸入力矩輸入到ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中；利用信號(hào)的差分、比例及飽和運(yùn)算，建立了輸出系統(tǒng)角速度與輸入壓力調(diào)節(jié)閥信號(hào)的實(shí)時(shí)變化關(guān)系。通過ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真，可以觀察在盤式剎車的液壓力作用下絞車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而可隨時(shí)了解起升系統(tǒng)的制動(dòng)性能，并可方便地改變液壓模型系統(tǒng)參數(shù)來對比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 盤式剎車機(jī)液聯(lián)合仿真模型

4 電液聯(lián)合仿真

液壓盤式剎車既包括液壓部分又有控制部分，如果單純利用Simulink進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模及仿真，需做較多簡化工作，仿真結(jié)果誤差較大，系統(tǒng)將會(huì)變得非常復(fù)雜。而將液壓盤式剎車的液壓部分在AMESim中仿真，控制部分利用Simulink仿真，采用AMESim提供的接口將2個(gè)仿真聯(lián)合起來，既發(fā)揮了AMESim突出的流體機(jī)械的仿真效能，又可借助MATLAB/Simulink強(qiáng)大的數(shù)值處理能力，使系統(tǒng)的仿真效果更加完善。

圖4 AMESim環(huán)境下的液控系統(tǒng)模型

在AMESim中經(jīng)過系統(tǒng)編譯、參數(shù)設(shè)置等生成供Simulink使用的S函數(shù)，在Simulink環(huán)境中將建好的AMESim模型當(dāng)作一個(gè)普通S函數(shù)來對待，加入系統(tǒng)的Simulink模型中，從而實(shí)現(xiàn)二者的聯(lián)合仿真。

根據(jù)盤式剎車系統(tǒng)的物理模型，可將其分為液壓系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型2個(gè)部分，其中液壓模型在AMESim環(huán)境下構(gòu)造，而控制模型部分則在Matlab中完成。在AMESim環(huán)境下的液壓系統(tǒng)模型如圖4所示。其中，13為接觸正應(yīng)力傳感器，14為液控聯(lián)合仿真模塊。

盤式剎車液壓系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的反饋控制系統(tǒng)模型如圖5所示。通過Simulink中的S功能模塊將AMESim產(chǎn)生的S函數(shù)加入到Simulink的模型中，同時(shí)也將Simulink中的控制算法模型連接到AMESim中的控制模塊內(nèi)。

通過在AMESim中建立輸出接觸正應(yīng)力與輸入壓力調(diào)節(jié)閥電流信號(hào)關(guān)系，可搭建盤式剎車液控聯(lián)合仿真模型。采用AMESim和Simulink聯(lián)合仿真，可以獲得剎車盤制動(dòng)正壓力大小，并可將其作為反饋信號(hào)，來調(diào)制壓力調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)，從而構(gòu)成力反饋控制系統(tǒng)，便于對液壓盤式剎車系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)性能分析，并有助于獲得理想的壓力調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)。

圖5 Simulink環(huán)境下的控制系統(tǒng)模型

5 結(jié) 語

通過引入機(jī)電、機(jī)液及液壓與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真方法，構(gòu)建修井機(jī)起升系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，可以較方便地獲得起升系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性參數(shù)及其變化規(guī)律，有助于更加真實(shí)、準(zhǔn)確、有效地研究液壓盤式剎車制動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)特性，并獲得有效的系統(tǒng)控制方案，為盤式剎車系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化、控制算法的測試、故障預(yù)測與診斷等奠定了基礎(chǔ)。

[1]董懷榮，王聯(lián)合，李海營，等 .交流變頻電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)起升系統(tǒng)的模擬 [J].石油鉆探技術(shù)，2009，37（3）：69～73.

[2]王瑜，林立，姜建勝 .基于AMESim液壓盤式剎車系統(tǒng)建模與仿真研究 [J].石油機(jī)械，2008，36（9）：31～35.