基于AMESim與Simulink的液壓牽引器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真

洪詩益，吳 偉，劉 斌

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

井下牽引器是依靠自身所攜帶的動(dòng)力源，具有一定自主操控能力并能在井下特殊環(huán)境中完成特定工作任務(wù)的機(jī)電一體化裝置。牽引器的主要任務(wù)是將所需要送進(jìn)的測(cè)井或修井儀器輸送到預(yù)定位置，在水平井測(cè)井中應(yīng)用廣泛[1]。牽引器按爬行方式分類，可分為輪式牽引器、伸縮式牽引器、履帶式牽引器等；由攜帶動(dòng)力源來看，以攜帶電機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)為主。雖然輪式牽引器技術(shù)相對(duì)成熟，但是復(fù)雜的水平井工況也給輪式牽引器帶來新的難題。一方面，在射孔作業(yè)完成后，地底的巖石沙礫等就會(huì)進(jìn)入套管內(nèi)，伴隨著上下井操作，巖石沙礫就會(huì)堆積起來形成大塊雜質(zhì)，這就會(huì)造成牽引器爬行輪無法完全貼靠套管，出現(xiàn)牽引器打滑，牽引力變小甚至無法工作的情況；另一方面，水平段的套管受到地層擠壓和其他因素影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)套管變形、狗腿度大的問題，這會(huì)造成爬行輪與套管內(nèi)壁之間出現(xiàn)空隙，牽引器無法完成指定工作的情況。在復(fù)雜的水平井工況下，尺寸相對(duì)固定的機(jī)械驅(qū)動(dòng)式牽引器經(jīng)常出現(xiàn)卡井或者無法正常牽引的情況。液壓式牽引器的出現(xiàn)，給水平井開發(fā)提供了更好的解決方案[2]。液壓牽引器與機(jī)械式牽引器最大的區(qū)別在于液壓牽引器在推靠系統(tǒng)中用液壓缸代替了機(jī)械式中滾珠絲杠與離合器的組合。通過液壓缸的靈活性與可控性，實(shí)現(xiàn)了牽引器可調(diào)節(jié)的推靠系統(tǒng)。當(dāng)牽引器遇到套管變化，就可以通過地面指令和一系列控制調(diào)整液壓缸活塞的位移來適應(yīng)套管的變化。

1 液壓牽引器工作原理

液壓牽引器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)控制和推靠控制，在本文中只對(duì)其推靠系統(tǒng)進(jìn)行分析，由于牽引器向前或向后的運(yùn)動(dòng)是通過爬行輪和套管壁之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)的，需要將對(duì)稱分布的爬行輪完全接觸管道的內(nèi)壁，這就需要液壓推靠系統(tǒng)來完成。如圖1所示為牽引器推靠控制液壓系統(tǒng)原理圖。當(dāng)牽引器進(jìn)入水平段時(shí)，馬達(dá)開始工作，液壓泵從油缸中吸油，并為蓄能器充能，將電磁換向閥通電打開，液壓油持續(xù)供入液壓缸，液壓缸活塞推出將爬行輪與套管壁緊緊貼合。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪需要調(diào)整時(shí)，電磁換向球閥通電打開，液壓缸在電磁換向閥調(diào)節(jié)下進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到位后電磁換向球閥關(guān)閉。

圖1 牽引器推靠控制液壓系統(tǒng)原理圖

牽引器的液壓系統(tǒng)必須處于密閉環(huán)境中，避免與井液發(fā)生接觸，否則水平井中的各種雜質(zhì)可能進(jìn)入到牽引器，污染液壓系統(tǒng)，可能導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法工作，甚至對(duì)牽引器本身帶來損壞。液壓系統(tǒng)中液壓油的流動(dòng)性使?fàn)恳骶哂辛艘欢ǖ淖赃m應(yīng)的特性，避免了經(jīng)常調(diào)節(jié)儀器的繁瑣工作，方便了人員在地面的操作[3]。液壓牽引器不僅可以提供更高的、可調(diào)節(jié)的推靠壓力，而且可以通過保壓回路使?fàn)恳髟谝欢▔毫ο路€(wěn)定工作，以應(yīng)對(duì)牽引器在工作過程中出現(xiàn)的打滑情況。當(dāng)牽引器爬行輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象時(shí)，可以由地面發(fā)送指令，加大液壓泵的輸出，適當(dāng)提升液壓系統(tǒng)中液壓缸的工作壓力，同時(shí)開啟保壓回路，保證液壓缸維持一定的工作壓力使?fàn)恳髡恳ㄟ^打滑路段。當(dāng)牽引器完成指定工作后，地面人員發(fā)出信號(hào)給牽引器液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥，使液壓油流回至液壓油箱，液壓缸壓力降至0 MPa，推靠臂在連接彈簧回復(fù)力的作用回收至牽引器內(nèi)部，避免了牽引器出現(xiàn)卡井風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工安全[4]。

2 基于AMEsim/Simulink 的液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真與分析

本文選擇常用的輪式液壓牽引器作為研究對(duì)象，采用AMEsim-simulink聯(lián)合仿真的方法對(duì)牽引器液壓推靠系統(tǒng)控制進(jìn)行研究。首先在液壓仿真軟件AMESim中草圖模式下，根據(jù)牽引器液壓推靠系統(tǒng)原理圖，在液壓庫、機(jī)械庫及信號(hào)庫中，選擇相對(duì)應(yīng)的模型，建立牽引器液壓推靠系統(tǒng)仿真模型，再聯(lián)合Matlab/Simulink 創(chuàng)建Simulink 聯(lián)合仿真模塊的SimuCosim，然后在Matlab/Simulink中搭建PID控制和模糊PID 控制基礎(chǔ)模型，通過S-Function 函數(shù)的調(diào)用語法與AMESim 中的聯(lián)合進(jìn)行仿真，這樣就可以將AMESim液壓系統(tǒng)建模的專業(yè)性和Simulink 控制設(shè)計(jì)算法的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，對(duì)液壓牽引器的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行更加深入地仿真研究[5]。

2.1 仿真建模

2.1.1 基于AMESim下的液壓系統(tǒng)仿真建模

根據(jù)前面所述的牽引器推靠液壓控制系統(tǒng)原理圖，在AMESim 軟件進(jìn)行建模如圖2 所示。根據(jù)AMEsim 與MATLAB/Simulink 軟件聯(lián)合仿真技術(shù)，在AMEsim 中建立一個(gè)Simulink 接口模塊Simu?Cosim，在AMEsim/parameter 模式下設(shè)定具體參數(shù)。根據(jù)某公司液壓牽引器相關(guān)數(shù)據(jù)建立仿真模型，其中主要原件參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)個(gè)元件參數(shù)

圖2 液壓牽引器推靠系統(tǒng)液壓模型

2.1.2 基于Simulink下液壓推靠系統(tǒng)建模

在AMESim 仿真模式下打開工具欄下的MAT?LAB，在Simulink 調(diào)用S-函數(shù)，并在S-函數(shù)里進(jìn)行PID 控制和模糊PID 控制的程序編寫，如圖3～4 所示。模糊PID 算法的最大優(yōu)勢(shì)是不破壞原有PID 的控制效果，依據(jù)系統(tǒng)的跟蹤誤差、跟蹤誤差變化率對(duì)PID 參數(shù)按照所制定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行增量調(diào)節(jié)（增量可正可負(fù)），使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能。模糊控制主要由模糊化、模糊推理、解模糊化組成[6-7]。在MATLAB 的模糊邏輯工作箱中進(jìn)行模糊化處理，設(shè)置誤差e、誤差變化率ec、模糊PID 的增量調(diào)節(jié)參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的模糊論域。在檢查液壓模型和PID&模糊PID程序無誤后，在AMESim在仿真模式前提下，在Simulink中運(yùn)行程序得到仿真結(jié)果[8]。

圖3 液壓牽引器推靠系統(tǒng)PID控制模型

圖4 液壓牽引器推靠系統(tǒng)模糊PID控制模型

2.2 仿真分析

液壓缸在工作時(shí)若壓力不穩(wěn)定，則牽引器運(yùn)行中爬行輪就會(huì)有抖動(dòng)，不僅會(huì)減小爬行輪的牽引力，還可能會(huì)對(duì)牽引器本身造成損害，所以液壓缸在工作時(shí)需要保持一定壓力。常見的保壓方式主要有蓄能器保壓、液壓泵保壓和液控單向閥保壓，本文牽引器采用的是液控單向閥保壓[9]。

液壓缸壓力曲線如圖5所示。液壓缸初始?jí)毫εc蓄能器壓力相同為2.1 MPa，液壓缸設(shè)置開始工作時(shí)間為1 s，在1 s時(shí)給三位四通閥電信號(hào)使其移動(dòng)到右位，液壓缸開始進(jìn)油，液壓油推動(dòng)液壓缸活塞快速向外伸出，此時(shí)由于蓄能器和液壓泵同時(shí)工作，液壓缸壓力超過2.1 MPa，增大到2.4 MPa左右，通過位移傳感器檢測(cè)到在活塞桿位移達(dá)到設(shè)定值0.3 m 時(shí)，三位四通閥移動(dòng)到中位，液壓缸壓力恢復(fù)平穩(wěn)，保持在2.1 MPa壓力下工作，在4 s時(shí)三位四通閥移動(dòng)到左位，液壓缸開始泄壓，壓力降低至0，液壓缸工作結(jié)束。

圖5 液壓缸仿真壓力曲線

圖6 同一正弦信號(hào)下的仿真曲線

為了對(duì)比PID 控制和模糊PID 控制的控制效果，需要選擇對(duì)所需電液伺服系統(tǒng)最佳的PID 控制參數(shù)。利用試湊法對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行確定，按照先比例、后積分、再微分的整定步驟，先將比例參數(shù)由小到大調(diào)整，并觀察系統(tǒng)的仿真曲線，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果效果始終無法滿足要求，則調(diào)整積分環(huán)節(jié)，減小積分環(huán)節(jié)參數(shù)。若仍達(dá)不到目標(biāo)則調(diào)整微分環(huán)節(jié)，反復(fù)改變參數(shù)以得到滿意的控制過程[10-12]。最終比例參數(shù)為kp=150，ki=10，kd=20。

如圖6 所示為同一正弦信號(hào)在不同控制方法下的液壓缸位移仿真曲線，從液壓缸位移仿真曲線分析中可以看出模糊PID 控制比PID 控制提前0.1 s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而且模糊PID 控制反應(yīng)速度更快，而常規(guī)PID 控制有一定程度的滯后。但無論是PID控制還是模糊PID 控制，在接受到位移傳感器的反饋信號(hào)后，都能對(duì)三位四通閥進(jìn)行調(diào)整，使液壓缸位移能跟蹤期望信號(hào)。這兩種控制方法都能達(dá)到較好地控制效果。綜上，模糊PID 控制有響應(yīng)度快、幾乎無超調(diào)、調(diào)整時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語

本文選擇常用的輪式液壓牽引器作為研究對(duì)象，通過液壓仿真軟件AMESim 建立牽引器液壓推靠系統(tǒng)仿真模型，再聯(lián)合Matlab/Simulink對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行PID 和模糊PID 仿真建模。通過AMEsim/Simulink 聯(lián)合仿真對(duì)液壓牽引器推靠系統(tǒng)進(jìn)行研究。仿真分析了液壓牽引器保壓回路的工作原理和對(duì)比了在同一曲線下模糊PID 和PID 控制的效果。仿真結(jié)果表明，模糊PID和PID控制都有很不錯(cuò)的控制效果，但是模糊PID控制更加擬合曲線，具有更好的控制效果，所以模糊PID控制方案的精確性和可靠性更適合液壓牽引器推靠系統(tǒng)，為牽引器推靠控制提供技術(shù)支持。