混砂車流量控制模塊的研究與仿真

張可可，張曉麗，唐美，韓致信

(1. 蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2. 河南汝陽縣農村公路管理所，河南 汝陽 471200)

混砂車流量控制模塊的研究與仿真

張可可1，張曉麗2，唐美1，韓致信1

(1. 蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2. 河南汝陽縣農村公路管理所，河南 汝陽 471200)

摘要：為了解決混砂車流量模塊在換向過程中或在流量突變時出現波動的現象，利用Matlab軟件來仿真混砂車流量模塊的控制系統，確定更佳的PID控制算法。可使流量模塊在作業過程中更加平穩、快速, 并為解決此類問題提供了理論依據。

關鍵詞：混砂車；流量控制；PID控制；Matlab；仿真

Research on Flow Control Module of Fracturing Blender Truck and Its Simulation

ZHANG Keke1,ZHANG Xiaoli2,TANG Mei1,HAN Zhixin1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China;

2. Highway Management Department of Ruyang,Ruyang 471200,China)

Abstract:In order to solve the fluctuating phenomenon of flow control module of fracturing blender truck during reversing valves or a sudden change of flow quantity, this thesis utilizes Matlab software for simulating the control system of the flow control module and for getting a better PID control algorithm which is used to make the work process of the flow control module more quick and smooth. The theoretical basis is provided for solving the problem.

Keywords:flow module; flow control; PID control; Matlab; simulation

0引言

在油田資源的開采中，為了提高單井油氣的開采價值，壓裂技術成為單井油氣增產、增效的有效手段之一[1]。壓裂設備由儀表車、混砂車、壓裂車和管匯車組成，其中混砂車是壓裂設備中不可或缺的設備之一，其功能是為壓裂車提供壓裂作業的混合液[2]。為了實現混砂車的自動化控制功能，必須實現發動機、流量、輸砂器等模塊的自動化控制[3]。

流量模塊是混砂車的主要模塊之一，其功能是為壓裂車輸送混沙液，其自動化的程度優劣直接影響到整個壓裂設備的自動化程度[4]。流量控制模塊包括硬件和軟件兩個部分[5]，硬件部分采用改進的閉式液壓回路和PLC控制器來控制，軟件部分采用優化的PID控制算法，來實現流量模塊硬件和軟件的最優化控制[6]。

1對混砂車流量控制模塊的要求

流量模塊包括水流、砂子、流量輸出、砂比和混合罐的液面等子模塊[4]。

水流和砂子，是作為混合液的基液。其特點：為保證混合罐的供給流量穩定，混合罐吸入端不能有過高的壓頭，一般壓力不超過0.05MPa。由于管路存在流量的損失和突變，須使吸入泵的總流量大于排出泵的總流量。

流量輸出，是混合液流量輸出部分。根據工作需要，輸出端的流量需隨工作環境的改變而改變。為了使混砂車管路上的流量能正常供應和保證壓裂車輸入端流量穩定，需使混砂車輸出管路的工作壓力在0.3～0.6MPa之間[2-5]。

砂比部分，是水流量和砂流量的比例控制部分。為滿足在各種情況下壓裂作業的需求，需配置出不同砂比的壓裂混合液，以提高壓裂作業的高效性和適用型。

混合罐液面高度的突變,作為水流量、砂流量和混合液排出量的干擾量。控制混合罐的液面高度，來保證流量模塊的排出量和輸入量相匹配，使液壓作業正常進行。

2混砂車流量控制模塊的硬件

2.1流量模塊的硬件整體構成

流量模塊的硬件控制部分采用在PLC控制器的作用下，結合閉式液壓系統，來實現其控制功能。其整體構成見圖1。

2.2液壓控制部分

混砂車流量模塊采用閉式液壓系統和電液比例換向閥相互結合的方法來共同控制。在本模塊的液壓控制部分中包括4個子模塊，即吸入子模塊、吸砂子模塊(左攪龍、右攪龍)、排出子模塊，均是通過控制電液比例換向閥的電流大小來控制變量泵的流量。流量模塊的液壓控制部分主要有變量泵、電液比例換向閥、溢流閥、冷卻器、定量液壓馬達等液壓元件構成(圖1(b))。主要控制部分有：輸送砂子、輸送水流、輸送混合液、補油、過壓保護、冷卻等子部分。輸送砂子部分依靠吸砂子模塊來實現；輸送水流子部分依靠吸水子模塊來實現；輸送混合液子部分依靠排出子模塊來實現。吸砂子模塊、吸水子模塊、排出子模塊主要有變量泵、電液比例換向閥、定量馬達等液壓元件構成。補油裝置子部分主要有溢流閥等液壓元件構成，其功能為：由于在油路、泵體、液壓馬達中存在著泄露問題，需在油路中添加了補油裝置；冷卻子部分主要有冷卻器等元件構成，其功能為：以防液壓油的溫度過高，影響液壓油的性能；吸砂子模塊分為兩個部分，即左右攪龍，其功能為：單獨提供動力，效率更高，動力更大，使子模塊的使用范圍更寬。

圖1　流量模塊的整體構成圖

2.3PLC控制部分

為了實現混砂車的自動化控制，其控制器選用功能強大、控制可靠的可編程邏輯控制器(簡稱PLC)。流量模塊的PLC部分主要有PLC控制器、流量傳感器、密度傳感器、液面傳感器、蝶閥、脈沖放大器等構成。其主要控制模塊有：吸砂子模塊、吸水子模塊、排出子模塊。流量傳感器的功能是監測吸水子模塊、吸砂子模塊、排出子模塊的流量大小；液面傳感器的功能是監測混合罐的液面高低，密度傳感器的功能是監測輸出混合液的含砂比大小。其工作原理為：通過對吸入子模塊前置或排出子模塊后置流量傳感器的監測，得到電流信號，把電流信號通過脈沖放大器之后得到放大后的標準電流信號；把其數據送到PLC經過處理之后來控制蝶閥的截止、變量泵的流量變化等功能，見圖1(a)。

3流量模塊在PLC中的控制算法及仿真

由于在流量模塊的控制系統中，對左右攪龍、吸入泵、

排出泵的流量控制，采用的是通過控制電液比例換向閥的電壓大小來實現活塞缸的活塞位移變化，進而控制變量泵的流量改變，其三位四通電液比例換向閥控制活塞缸的動力結構見圖2[7]。

圖2　三位四通電液比例換向閥的動力結構

對閥控缸的結構分析，以電液比例換向閥的輸入電壓u作為子模塊的輸入，以液壓缸的直線位移y0作為子模塊的輸出，可知此控制子模塊的傳遞函數[6-7]為：

(1)

式中：Kwv為電液比例換向閥的輸入電壓-活塞缸的速度增益(m.s-1.V-1)；

TR為時間常數(s)，一般不考慮，即為0；

Tx為電液比例換向閥閥芯的時間常數(s)；

ωn為機構的固有頻率(rad/s)；

ξ為機構的阻尼比。

此子模塊采用的三位四通比例閥型號為4WRAE6E1-15，該閥屬于不對稱閥。液壓缸選用用HSG#01-50/dE，把相關參數帶入式(1)，可得：

(2)

在此子模塊中對控制算法的選擇，由于傳遞函數是可知的，根據PID和模糊控制算法的特點，在傳遞函數可知的情況下，可以采用PID控制算法。對于很難建立起具體的數學模型的復雜系統，可以采用模糊控制算法，所以此子模塊選用PID控制算法要優于模糊控制算法。其PID控制流量的仿真模塊圖見圖3。

圖3　加入PID控制流量的仿真模塊圖

在PID控制算法中，采用Ziegler-Nichor的方法來整定PID參數，在Matlab環境下，通過編寫仿真程序，可以得到KP= 1.8191e+04；KI=1.9634e+06；KD=42.1363。結合傳遞函數，在節躍響應的作用下，通過編寫程序，在Matlab環境下進行仿真，可得到響應圖像見圖4。

通過對閥控缸的控制子模塊仿真結果分析可知：子模塊的超調量為82.1%，調整時間為0.113s，上升時間為0.00316s。可知采用整定后PID參數使子模塊的超調量稍大，響應很快，使子模塊在流量改變的情況下存在著波動的可能。

根據整定后PID響應圖像和PID的P、I、D參數的特點，需對PID的相應參數進行改進。由于整定后仿真圖像的超調量過大，可知設置的K和I稍大，所以可進對K和I的值進行優化。最后調整PID各個參數值為kp'=1.8191e+03；ki'=1.9634e+03；kd'=42.1363。通過Matlab仿真，可以得到閥控缸的仿真圖像(圖4)。

圖4　閥控缸的仿真圖像

4結語

提出在流量模塊控制系統中，硬件部分采用改進的液壓閉環控制回路，使流量模塊的結構更加緊湊；在反饋方面，采用了前置控制，使模塊的響應更加快捷。在變量泵控制系統軟件部分，通過Ziegler-Nichor的方法整定，得到的整定后的P、I、D參數，通過仿真得到圖像可知，其超調量過大，會使電液比例換向閥在換向過程出現波動，需要對PID參數進行優化。通過優化后的PID參數，可得到的仿真圖像，沒有超調量，調整的時間也很短。所以選用改進后的PID參數，可使三位四通比例換向閥在換向調速的時候更加平穩和快速，為解決混砂車流量模塊在換向過程出現波動或流量出現突變的現象提供了理論依據。

參考文獻:

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收稿日期：2014-01-14

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0086-02

作者簡介：張可可(1987-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向為機械控制系統。