主動式鉆柱升沉補(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)，船體會隨著海浪起伏做升沉運(yùn)動，從而使鉆桿產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動引起井底鉆壓變化。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)主要有被動式、主動式和半主動式3種形式［2］，目前國外已有不少廠商生產(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)合了主動式與被動式升沉補(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，我國對升沉補(bǔ)償系統(tǒng)尤其是主動式及半主動式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究還有差距。作者根據(jù)主動式鉆柱升沉補(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，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，為主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理

圖1為主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理簡圖［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、動力頭等與鉆柱連接，傳感器可以把檢測到的船體和鉆柱的位移信息送到控制器，其偏差信號經(jīng)過處理又作為伺服閥的控制信號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。

圖1 主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)簡圖

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

主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)臺的工作原理和實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示，其中，液壓缸8的運(yùn)動及動作即為補(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，工作臺9的動作則為船體升沉運(yùn)動的模擬。液壓缸的缸體與工作臺連接在一起，以保證兩者的運(yùn)動狀態(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和液壓缸的活塞桿上，以分別獲得工作臺(即液壓缸缸體)和液壓缸活塞桿的絕對位移量。

圖2 補(bǔ)償系統(tǒng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)臺簡圖

圖3 實(shí)驗(yàn)臺實(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)置簡單、在工業(yè)控制領(lǐng)域使用廣泛的PID控制器［7］。選取HCD庫中brp4和brp2兩種元件組成一個(gè)缸體可以移動的液壓缸。為了能更簡單地觀測到系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)置對補(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。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)后的信號作為電液伺服閥的控制信號控制電液伺服閥的動作。

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，正弦信號源頻率0．13;因?yàn)槲闹袝翰簧婕暗角梆伩刂?，將圖4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)，以直觀地觀測這3個(gè)參數(shù)的取值對補(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)動時(shí)，活塞桿的最大波動范圍僅為±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號口采集的工作臺位移信號經(jīng)Gain模塊放大，轉(zhuǎn)換成工作臺實(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號口采集的活塞桿位移信號經(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)際位移信號與設(shè)定位移零點(diǎn)進(jìn)行對比，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數(shù)值，輸入到數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出1號口，控制伺服閥的動作。

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)動時(shí)，活塞桿的波動范圍為±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仍然存在一定的干擾，導(dǎo)致電液伺服閥的閥芯動作不夠平穩(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，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平臺搭建實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，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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