PID控制在不壓井作業(yè)機(jī)舉升液壓控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

陳歡 朱凱輝

摘? 要：舉升液壓控制系統(tǒng)是不壓井作業(yè)機(jī)液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，決定著作業(yè)機(jī)的作業(yè)效率。在一般工程應(yīng)用中，舉升控制存在著控制穩(wěn)定性差，管柱在大負(fù)載情況下會(huì)產(chǎn)生沖擊等現(xiàn)象。本文在電液伺服液壓控制的基礎(chǔ)上引入閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程中對(duì)管柱位置的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)也降低了管柱的沖擊、震動(dòng)現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：不壓井作業(yè)機(jī)? 液壓控制系統(tǒng)? PID? 管柱

中圖分類號(hào)：TH137 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（c）-0070-04

The Application of PID Control in the Lifting Hydraulic Control System of Snubbing Operation Machine

CHEN Huan*? ZHU Kaihui

（School of Mechanical Engineering， Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province，434023 China）

Abstract： The lifting hydraulic control system is the key control link of the hydraulic control system of the snubbing operation machine， which determines the operation efficiency of the operation machine. In general engineering applications， the lift control has poor control stability， and the pipe string will produce shocks under heavy loads. In this paper， a closed-loop PID control system is introduced on the basis of electro-hydraulic servo-hydraulic control， which realizes real-time control of the position of the pipe string during operation， and also reduces the impact and vibration of the pipe string.

Key Words： Snubbing operation machine; Hydraulic control system; PID; Pipe string

不壓井作業(yè)技術(shù)是一項(xiàng)能夠在工程作業(yè)過程中保護(hù)油、氣產(chǎn)層的同時(shí)提高油、氣生產(chǎn)效率的新技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于石油行業(yè)中，因此，優(yōu)化提升不壓井作業(yè)機(jī)液壓控制系統(tǒng)成為當(dāng)前的一項(xiàng)重要技術(shù)難關(guān)[1]。針對(duì)當(dāng)前不壓井作業(yè)機(jī)舉升液壓控制系統(tǒng)存在的管線抖動(dòng)，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，采用PID控制接入電液比例伺服控制系統(tǒng)中使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。液壓控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)控管柱的位置、起升下放的速度、加速度，減小大載荷下管柱產(chǎn)生的抖動(dòng)。該控制系統(tǒng)具有操作簡單、可靠性高、工作效率高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)不壓井作業(yè)機(jī)的舉升液壓控制系統(tǒng)的研究具有重大意義[2]。

1? 新型不壓井作業(yè)機(jī)

1.1 新型不壓井作業(yè)機(jī)舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1，新型不壓井作業(yè)機(jī)舉升液壓控制系統(tǒng)主要由舉升機(jī)、轉(zhuǎn)盤、固定卡瓦、游動(dòng)承重卡瓦、游動(dòng)防頂卡瓦、旋轉(zhuǎn)卡瓦、底座及支撐架構(gòu)成。舉升機(jī)帶轉(zhuǎn)盤、游動(dòng)承重卡瓦、游動(dòng)防頂卡瓦（如有需要）一起上行、下行。轉(zhuǎn)盤位于移動(dòng)面板上部，與移動(dòng)承重卡瓦和移動(dòng)防頂卡瓦相連，轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)過程中可以承受載荷，一般采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)或鏈條傳動(dòng)。固定卡瓦安裝在支撐架上，一般有2個(gè)或者3個(gè)，用于卡緊管柱。游動(dòng)卡瓦有2個(gè)，包括移動(dòng)承重卡瓦和移動(dòng)防頂卡瓦，用于起下油管。旋轉(zhuǎn)卡瓦主要是在管柱下放過程中配合管柱實(shí)現(xiàn)管柱的旋轉(zhuǎn)[3]。

1.2 舉升系統(tǒng)工作原理

不壓井作業(yè)機(jī)的作業(yè)工況主要分為管柱起升和管柱下放兩種工況。管柱起升作業(yè)前，舉升機(jī)液缸處于壓縮狀態(tài)，固定卡瓦卡緊管柱。開始起升作業(yè)時(shí)，即當(dāng)油管全部位于井筒中時(shí)，油管豎直方向的合力向下處于“管重的“狀態(tài)。隨著管柱的起升，油管豎直方向向下的合力逐漸減小最終變?yōu)?，此時(shí)油管受力達(dá)到靜平衡狀態(tài)。再對(duì)油管進(jìn)行起升作業(yè)時(shí)，油管所受的合力向上，處于”管輕“狀態(tài)。以油管上行為例講述起升液壓控制系統(tǒng)的工作原理。管柱起升作業(yè)前，起升液壓控制系統(tǒng)的油缸處于低位壓縮狀態(tài)，固定卡瓦卡緊管柱。起升作業(yè)時(shí)，下端固定卡瓦松開，游動(dòng)卡瓦抱緊管柱。通過操作平臺(tái)的控制面板對(duì)起升液壓控制系統(tǒng)的三位四通電磁換向閥輸入控制信號(hào)，電磁鐵將閥芯吸到左位，左位通電，換向閥執(zhí)行左位機(jī)能，液壓油壓入油缸無桿腔，活塞上行驅(qū)動(dòng)舉升機(jī)上行。舉升機(jī)帶動(dòng)游動(dòng)卡瓦卡住油管上行，使油管上行。當(dāng)控制系統(tǒng)的傳感器檢測到接箍信號(hào)時(shí)，反饋信號(hào)使換向閥斷電切換到中位，執(zhí)行0位機(jī)能，斷開供油回路。待接箍頭通過，換向閥左位通電使得管柱繼續(xù)上行，當(dāng)達(dá)到PID期望信號(hào)時(shí)，即活塞達(dá)到指定位移，游動(dòng)卡瓦松開，上端固定卡瓦抱緊管柱，控制信號(hào)讓換向閥執(zhí)行右位機(jī)能，此時(shí)液壓缸空載回復(fù)，恢復(fù)至壓縮低位，重復(fù)之前操作，直到完成一根油管的起升[4-6]。

2? PID位置控制

PID是比例、積分、微分控制的簡稱，通過比例、積分的環(huán)節(jié)的調(diào)控控制油缸速度，并對(duì)控制對(duì)象的結(jié)果作一個(gè)負(fù)反饋。整個(gè)控制流程是PID控制函數(shù)與被控對(duì)象油缸的傳遞函數(shù)、一個(gè)負(fù)反饋結(jié)合完成的，保證控制對(duì)象的傳遞函數(shù)與負(fù)反饋結(jié)合的閉環(huán)系統(tǒng)能夠在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的期望[7]。

3? AMEsim仿真

3.1 仿真參數(shù)與建模

如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過圖2和圖3管柱提升曲線中，我們可知PID控制能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控管柱的速度、位移。開環(huán)控制下管柱位移曲線表現(xiàn)為勻速直線上升，速度曲線表現(xiàn)為加速、勻速、減速，在接近3.05m處管柱速度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，即有明顯的沖擊現(xiàn)象。在PID閉環(huán)控制系統(tǒng)中，管柱在接近3.05m處會(huì)有一段緩慢的減速過程，降低管柱所產(chǎn)生的震動(dòng)，提升了管柱運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

通過圖4和圖5的油缸進(jìn)口壓力、流量曲線，更好地反映出閉環(huán)PID控制與傳統(tǒng)開環(huán)控制的區(qū)別。開環(huán)控制下油缸進(jìn)口的油壓在到達(dá)油缸行程終點(diǎn)時(shí)，油缸內(nèi)的壓力會(huì)急劇上升，不具備回油功能，油缸進(jìn)油口流量會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定波動(dòng)。而閉環(huán)PID控制下，油缸具備較好的回油功能，壓力到達(dá)2.5MPa后降低至初始?jí)毫?，且流量曲線呈勻速下降，無波動(dòng)現(xiàn)象。

4? 結(jié)語

（1）提供了一種新型不壓井作業(yè)機(jī)起升液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

（2）在PID閉環(huán)控制方法下，油缸壓力減小，管柱運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的位置得到實(shí)時(shí)的控制，顯著減小了舉升液壓控制系統(tǒng)在工程作業(yè)過程中所遇到的管柱震動(dòng)、沖擊現(xiàn)象。降低了事故發(fā)生的概率，對(duì)不壓井作業(yè)機(jī)的起升控制系統(tǒng)的研究具有指導(dǎo)意義。

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