深海超高壓模擬裝置卸壓系統設計與仿真

陳春俊　周建容　楊槐　張云　強克勇

摘要：為確保深海設備在海水載荷作用時的安全可靠性，設計一套壓力高達180MPa的深海超高壓模擬試驗裝置卸壓控制系統，模擬深海設備上升過程中受到的海水載荷作用。采用多系統建模軟件AMEsim建立該模擬試驗裝置的流體系統模型，與simulink建立的控制系統模型聯合求解。通過迭代學習優化算法對卸壓系統進行模擬。結果表明，經過22次迭代過程，試壓容器中實測壓力能較好追蹤期望軌跡，此時系統最大誤差不超過1%，滿足系統設計要求，驗證所設計系統的準確性與可靠性。

關鍵詞：深海超高壓；模擬試驗裝置；卸壓控制系統；AMEsim與simulink聯合仿真；迭代學習

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0067-05

0引言

隨著深海資源開發以及軍事發展需要，對深海設備提出了更高的要求，為確保設備在深海下受到海水載荷作用時的安全可靠性，亟需設計一套模擬試驗裝置模擬設備在深海下受到的海水載荷作用。

目前國內在深海環境模擬試驗裝置設計研究中已有一些研究成果，其中文獻研制了一套壓力在0～20mPa范圍內的深海環境模擬試驗裝置壓力控制系統，控制誤差在±2%FS，可實現壓力的精確穩定控制與連續可調。文獻建立了一套設計壓力為10MPa的深海壓力環境模擬試驗裝置，設計了以伺服電機為驅動的恒壓控制系統。研制了一套壓力可大范圍連續變化的深海模擬試驗裝置，其控制系統采用PID算法實現動態壓力控制，仿真試驗壓力達4.5mPa。總之，目前深海模擬試驗裝置由于試驗條件有限、深海下極端環境的影響，其設計壓力均太低，基本在幾十兆帕以內，難以模擬深海超高壓環境：并且一般的PID控制器其響應速度較慢，動態控制效果不理想，因此亟需設計一套超高壓的模擬試驗裝置控制系統，同時保證壓力的快速穩定控制。

為此，本文設計了一套壓力高達180mPa的深海超高壓模擬試驗裝置的壓力卸載控制系統，并通過AMESim與Simulink聯合仿真模擬試壓容器內壓力從180MPa卸壓至2MPa的過程，仿真驗證了該系統的可靠性，為全深海下的深海設備壓力試驗精確性及安全可靠性提供保障。

1壓力卸載流體控制系統設計

1.1技術指標

深海設備在深海下受到的海水載荷作用大，不僅要求超高壓模擬試驗裝置需要耐高壓性能，其液壓控制系統更要保證高的精確性與穩定性，以確保深海設備在水下作業時的安全可靠。本文設計了一套深海超高壓模擬試驗裝置卸壓控制系統，壓力可從180MPa卸載至2mPa，卸載速率在0～2mPa/min范圍內。為了確保模擬試驗裝置在壓力卸載過程中系統的高準確度與高穩定性，需要保證壓力的卸載誤差在±2%FS以內。

1.2流體控制系統設計

該模擬試驗裝置實現卸壓過程，是通過將模擬裝置內試壓容器中的液體由泄壓閥排出至水箱，其設計壓力高達180mPa，不僅對試壓容器材料需要耐高溫高壓的特性有很高的要求，還應保證足夠的容器容積，因此設計試壓容器容積為25.8m3。由于試壓容器內壓力變化范圍大，為了便于調節與控制容器內的壓力變化，該模擬裝置設計了3組不同閥芯直徑的液控泄壓閥，3組閥芯直徑分別為1，0.6，0.4mm，這3組泄壓閥可同時、也可分別組合使用，以便于容器內壓力的局部調節。液控泄壓閥輸出流量值將會由試壓容器內的壓力直接影響，若泄壓閥排出的流量太多，導致試壓容器內壓力下降太快，超過容器內壓力卸載速率，此時系統應該自動補壓，因此對該模擬試驗裝置同時設計了3組加壓系統，以供試壓容器在壓力下降過快時進行補償。每組加壓系統由變量泵、電磁換向閥、增壓器以及安全保護閥、單向閥等組成，每個變量泵經兩個3位4通電磁換向閥向兩組雙向增壓器同時提供動力，推動增壓器中的活塞桿移動，當增壓器達到行程位移時，電磁換向閥接收到反向信號，油液從增壓器另一端輸入，增壓器反向，水將注入到容器中給容器加壓。

最終設計的模擬試驗裝置包括3組泄壓閥、3組加壓系統、試壓容器以及水箱、油箱、管路等，其流體系統設計結構圖如圖1所示。其中，閥門1、閥門2、閥門3分別是3組加壓系統中變量泵的控制閥門；閥門4、閥門5、閥門6分別是3組不同閥芯直徑液控泄壓閥的控制閥門。

該模擬試驗裝置最大壓力為180mPa，卸壓控制過程中通過量程為250mPa的壓力傳感器實時監測試壓容器中壓力情況，當傳感器檢測到試壓容器內的實際壓力小于期望壓力時，表明泄壓閥輸出流量多于期望值，此時可通過組合調節加壓系統閥門1、閥門2、閥門3向容器補壓，以平衡泄壓閥輸出流量，使得容器內實際壓力貼近期望壓力。若容器內的實際壓力大于或等于期望壓力時，加壓系統不工作。

2控制系統仿真設計

2.1流體仿真模型建立

通過多系統建模軟件AMESim建立該深海超高壓模擬裝置流體系統模型，核心元器件主要包括3組加壓系統元器件、3組泄壓閥和試壓容器，圖2分別列出了單組加壓系統以及單個泄壓閥、試壓容器在AMESim中搭建的子模型。

其中，圖2（a）中搭建的是單組加壓系統模型，包括兩組雙向增壓器，可同時動作，也可分別動作。每組增壓器由3位4通電磁換向閥導通換向，增壓器的行程位移由位移傳感器分別檢測。圖2（a）中標注為1、2、3、4的4條線分別為位移傳感器檢測到增壓器的位移信號、兩個電磁換向閥的控制信號以及變量泵的控制信號。

圖2（b）為單個液控泄壓閥子模型，圖2（c）為試壓容器和壓力傳感器的子模型，其中試壓容器采用容積腔模型BHC11，壓力傳感器采用PT001模型。

模型建立后，對該液壓系統各個元器件按照選定的實際元件進行參數設置，以及對管路的布置。部分元器件的參數設置見表1。

2.2迭代控制優化算法設計

該模擬試驗裝置試壓容器中壓力從180mPa卸壓至2mPa，同時卸壓速度在0-2mPa/min范圍內。在卸壓初期，容器中壓力較高，泄壓閥的輸出流量較大，可實現大速率卸壓。隨著容器壓力下降，泄壓閥的輸出流量變小，只能以小斜率卸壓。因此在卸壓全程中不能均以相同斜率卸壓，為了保證卸壓系統的工作效率以及節省能量資源，采取分段斜率卸壓的方式，分段斜率見表2。

在壓力控制過程中，壓力傳感器檢測到容器中壓力，經模擬量輸入輸出模塊轉換，控制算法調節，分別向3組泄壓閥的控制閥門輸出控制信號以及3組加壓系統中3個變量泵的控制閥門輸出控制信號，分別控制各泄壓閥的開閉狀態以及各變量泵的輸出流量。可見，閥門控制數量多，控制較復雜，簡單的PTD控制難以滿足控制要求，基于迭代學習控制思想，將卸壓從180mPa至2mPa這一過程當作可重復周期，設計迭代學習優化算法，以實現高準確度的軌跡追蹤。

系統所設計的迭代學習優化算法是基于迭代學習控制的開環PD型學習律思想，將單次卸壓過程當作一次可重復周期，每次的控制輸入由上一次卸壓過程所得的誤差以及控制量得到，而誤差是由存儲的上一次容器內實際壓力值與期望軌跡之差所得。該系統控制原理圖如圖3所示，其學習律可以寫作：

3聯合仿真與參數優化

該深海超高壓模擬試驗裝置通過在AMESim中建立流體模型，在Simulink中建立控制算法，采用AMESim-Simulink聯合仿真求解。模擬試驗裝置中試壓容器內壓力按照表2中的4段斜率分段下降，壓力控制過程中，需要控制3組加壓系統變量泵閥門以及3組泄壓閥閥門。經模擬仿真測試，模擬試驗裝置經過22次迭代，試壓容器內的壓力能較好追蹤期望軌跡，完整的壓力卸載仿真曲線圖如圖4所示。

從圖中可看出，在第22次迭代時，試壓容器中的實際壓力已經十分接近期望壓力，計算出相對誤差曲線如圖5所示。

從圖中可知，隨著迭代次數增加，壓力誤差越小，當迭代次數達到第22次時，系統誤差較小，在±1%以內，完全能滿足系統設計要求。同時在斜率轉折點處，誤差增大，在每段斜率中，隨著時間的增加，系統誤差逐漸減小，趨于穩定。

第22次迭代時泄壓閥總的輸出流量，即容器的輸出流量曲線圖如圖6所示。在840s時，容器的輸出流量突然增大，是因此時卸壓系統中工作的泄壓閥由2個變為3個。

在整個加載過程中，各個不同閥芯直徑的泄壓閥的輸出流量如圖7所示。從圖中可以觀察到，不同閥芯直徑的泄壓閥輸出流量不同，且在卸壓過程中，各泄壓閥輸出流量均在不斷減小。此時由加壓系統向試壓容器補壓的流量曲線，即容器進口流量曲線如圖8所示，最大容器進口流量達到近8L/min，則至少需要2組加壓系統工作，故在補壓過程中，根據實際流量需求以及節約資源考慮，可以合適地調整加壓系統的工作組數。

4結束語

為保證深海設備的安全可靠，本文設計了一套壓力高達180mPa的深海超高壓模擬試驗裝置卸壓控制系統，并通過AMESim與Simulink聯合仿真方式對系統進行了仿真驗證。運用迭代控制優化算法，模擬了試壓容器中壓力從180mPa以0-2mPa/min的速率下降至2MPa的過程，結果表明，經過22次迭代過程，系統誤差不超過1%，完全能滿足系統設計要求。驗證了所設計系統的精確性與可靠性，為全深海壓力試驗提供保障，具有十分重要的工程意義；同時為現場調試提供依據。