何忠盛

(中國石油測(cè)井有限公司吐哈事業(yè)部 新疆鄯善)

可控偏心器定位總成雙向液壓控制系統(tǒng)的建模和分析＊

何忠盛

(中國石油測(cè)井有限公司吐哈事業(yè)部 新疆鄯善)

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器中,定位總成是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。為了方便地研究定位總成的雙向液壓控制系統(tǒng),文章介紹通過對(duì)其進(jìn)行建模和分析,得到理論計(jì)算結(jié)果;并且與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比,得出了這套建模的有效性結(jié)論。

定位總成;建模;傳遞函數(shù);雙向液壓控制系統(tǒng)

0 引 言

西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所已經(jīng)研制出的Ⅰ型、Ⅱ型可控偏心器XTCS樣機(jī)的定位總成,只能控制翼肋的伸出,也就是只能實(shí)現(xiàn)位移的單向控制,在泥漿泵工作時(shí)翼肋無法收回,在停泵時(shí)才能收回翼肋。如果需要進(jìn)行位移合矢量的重新調(diào)整,必須關(guān)泵將翼肋完全收回,重新進(jìn)行調(diào)整。這種控制方案,不能實(shí)現(xiàn)位移的真正閉環(huán)調(diào)節(jié)與控制,增加了鉆井工具的使用難度。針對(duì)該問題在Ⅲ型可控偏心器的研制方案中進(jìn)行改進(jìn)提出井下控制系統(tǒng)采用雙向控制方案,能夠在不停泵的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)偏心位移矢量的雙向控制,此方案將可以減少關(guān)泵次數(shù),大大提高鉆井效率[1]。

1 定位總成雙向液壓控制系統(tǒng)的構(gòu)成

定位總成是一套液壓定位控制系統(tǒng),它由機(jī)械、液壓和電氣三部分構(gòu)成,系統(tǒng)原理如圖1所示。機(jī)械部分包括隔離膜、定位缸、平衡囊、單向閥和工作密封腔,電氣部分包括電磁閥、位移傳感器、壓力傳感器和微控制單元。機(jī)械的微控制單元是一塊采集存儲(chǔ)和電磁閥控制電路,可以實(shí)現(xiàn)壓力傳感器、位移傳感器數(shù)據(jù)的測(cè)量和電磁閥開關(guān)狀態(tài)的控制。定位總成的核心部件是電磁閥和定位活塞缸,驅(qū)動(dòng)三個(gè)翼肋的定位總成的結(jié)構(gòu)是相同的[2]。

2 定位總成雙向液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

圖1 定位總成系統(tǒng)原理圖

在實(shí)際的鉆井過程中系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)壓力由泥漿動(dòng)力提供,電磁閥的開閥時(shí)間是預(yù)先設(shè)定的鉆井工作參數(shù),在驅(qū)動(dòng)壓力發(fā)生變化的過程中電磁閥開閥時(shí)間保持不變。為了能夠更好的分析系統(tǒng)的性能,先對(duì)系統(tǒng)輸出影響較大的電磁閥和定位缸進(jìn)行建模,然后再建立雙向控制系統(tǒng)的模型,如圖2所示。

可控偏心器的定位控制系統(tǒng)主要由控制器、電磁閥和定位缸組成,整個(gè)的液壓系統(tǒng)與我們的電氣單元通過執(zhí)行元件(或稱機(jī)電轉(zhuǎn)換元件,即電磁閥)和反饋測(cè)量元件(位移傳感器)有機(jī)的結(jié)合,組成了一個(gè)完整的閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)[3]。

圖2 控制系統(tǒng)閉環(huán)模型

要建立該整個(gè)液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就有必要對(duì)這套液壓控制系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)給予適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)描述,即傳遞函數(shù)的建立,如圖2所示,然后應(yīng)用理論知識(shí)將所有環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)通過推導(dǎo)與組合,最終合并成為一個(gè)總的描述整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),這樣我們就可以對(duì)它運(yùn)用控制理論進(jìn)行特性分析與系統(tǒng)評(píng)估。

轉(zhuǎn)換后的傳遞函數(shù)(簡(jiǎn)化后)如圖3所示。

圖3 液壓控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

3 求解具體的傳遞函數(shù)數(shù)值

經(jīng)過查找和計(jì)算,得到以下參數(shù)[4]：

控制腔活塞截面積：Ah=3.14×10-4m2;初始油腔體積：V0=1.273 3×10-5m3;活塞及負(fù)載折算質(zhì)量：Mc=1.056 78×10-3kg;油液的等效彈性系數(shù)為：取經(jīng)驗(yàn)值為βe=700 MPa;其粘性阻尼系數(shù)Bp=1.095×104kg/s;位移-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù) kf=43.036 68 v/m;比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù) ks=106。Yk為電磁閥隨開閥時(shí)間不同的比例系數(shù)：代入數(shù)值后由于三階的系數(shù)非常小,因此我們忽略掉三階因素對(duì)系統(tǒng)的影響,最終可以近似為二階振蕩環(huán)節(jié),化簡(jiǎn)后得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具體數(shù)值：

4 數(shù)值分析

對(duì)以上三個(gè)不同參數(shù)下的傳遞函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,求它們的階躍響應(yīng),如圖4、5、6所示。

圖4 供給壓力1 MPa的傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)

圖5 供給壓力2 MPa的傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)

圖6 供給壓力3 MPa的傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)

傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)在2 MPa時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了4.33%的超調(diào)量,而實(shí)際位移控制曲線在2 MPa時(shí),并未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,這是因?yàn)樵陂]環(huán)的比較環(huán)節(jié)中設(shè)定了一個(gè)容差帶(的量化臺(tái)階容差帶,約為),針對(duì)2 MPa的實(shí)際位移控制曲線,這個(gè)容差帶為[49.814 mm,50.186 mm],當(dāng)某一次開閥執(zhí)行后,位移剛好進(jìn)入這個(gè)帶中,CPU即認(rèn)為調(diào)整到目標(biāo)位移值,整個(gè)系統(tǒng)停止位移調(diào)整,只要系統(tǒng)的密封性良好,位移不受擾動(dòng),位移就一直保持下去,從而在一定程度上避免了超調(diào)量的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

通過理論與實(shí)際的對(duì)比分析,我們發(fā)現(xiàn)通過理論建立的傳遞函數(shù)在發(fā)生變化時(shí),理論上階躍響應(yīng)的變化趨勢(shì)和實(shí)際設(shè)置對(duì)應(yīng)的供給壓力參數(shù)測(cè)得的位移曲線有很好的一致性,這就從很大程度上證明我們建立的這套液壓控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的有效性。

[1] 姚文彬.電機(jī)-泵動(dòng)力可控偏心器可控性和穩(wěn)定性研究[D].西安：西安石油大學(xué),2006

[2] 李安編.電機(jī)泵動(dòng)力可控偏心器控制研究報(bào)告[R].西安：CNPC井下測(cè)控重點(diǎn)研究室內(nèi)部資料,2004

[3] 張晉凱.泥漿動(dòng)力導(dǎo)向工具貼井壁力的雙向控制系統(tǒng)研究[D].西安：西安石油大學(xué),2007

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002

Modeling and analyzing of a two-way hydraulic system of the positioning assembly of controlled eccentric.

He Zhongsheng.

The positioning assembly is a core component of the rotation controllable eccentric.To facilitate of study the twoway hydraulic control system of positioning assembly,this paper acquires theoretical results through modeling and analysis of the two-way hydraulic system of the positioning assembly of controlled eccentric.Compared with the actual situation,the conclusions is that this modeling is effective.

positioning assembly;modeling;transfer function;two-way hydraulic control system

P631.8+1

B

1004-9134(2011)06-0014-02

國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向可控偏心器工程化技術(shù)研究”(編號(hào)：2007AA090801-01)和國家科技重大專項(xiàng)課題“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”項(xiàng)目子課題“電機(jī)泵動(dòng)力旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具及配套技術(shù)研究”(編號(hào)：2008ZX05024-003-05)

何忠盛,男,1965年生,工程師,1988年畢業(yè)于西安石油大學(xué),現(xiàn)在中國石油測(cè)井有限公司吐哈事業(yè)部?jī)x修中心工作。郵編：838202

2011-05-21

高紅霞)

PI,2011,25(6)：14～15,18

·方法研究·