修井機液壓缸過程控制分析

金嘉琦，江 濤

1 引言

隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，石油產業(yè)的需求量不斷提高，將導致地層下石油儲存量急劇下降。目前，我國多數(shù)地域油田開采已進入中、后期階段，而且地下土質結構復雜難以測量，對石油產業(yè)開采帶來很大難度。因此，為了保證石油工業(yè)的穩(wěn)定開采，需要研制集成度高、自動化程度強、過程控制穩(wěn)定的修井設備，來提高井下石油開采效率、開采過程的安全性以及減少對環(huán)境的破壞。

穩(wěn)定、可靠的液壓控制系統(tǒng)是修井機作業(yè)的一個重要保障，通過完成對整體系統(tǒng)中的動作與功能控制，實現(xiàn)石油工業(yè)向智能化、高性能化、高可靠性化和自動化等方向發(fā)展[1]，改進傳統(tǒng)石油開采的不足之處，將石油產業(yè)提升到一個新的高度。主要針對過程控制中卡瓦夾緊液壓缸控制功能進行優(yōu)化分析。

2 修井機控制系統(tǒng)的工作原理

不壓井修井機是一種集成度高、作業(yè)效率高、安全可靠、操作方便的先進設備。設備控制系統(tǒng)中液壓控制是設備的主要動力，作用機構為液壓缸和液壓馬達，液壓控制系統(tǒng)主要通過液壓缸進行控制作業(yè)，其應用在井架作業(yè)平臺、井架平移與翻轉裝置、井架上下移動裝置、高溫防噴器以及卡瓦夾緊裝置等系統(tǒng)內。

設備工作原理：先將修井設備連接在井口上。控制系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)驅動井架翻轉裝置中液壓缸作用井架，將井架系統(tǒng)翻轉豎立，接著控制井架平移與上下移動裝置中的液壓缸運作完成井架系統(tǒng)與井口對接。修井作業(yè)以起升管柱操作為例，由吊卡帶動管柱以一定的速度上提，當下端處的感應器監(jiān)測到管柱的管箍時，將信號傳給控制中心，通過液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機構打開下端防噴器，同時關閉上端防噴器，另外，在兩個防噴器之間裝有壓力、溫度和氣體檢測器，以檢測井下氣體的壓力、溫度變化情況以及氣體中是否含有有毒氣體，若含有則需要進行處理后再排放。繼續(xù)上提管柱，當上端處的感應器監(jiān)測到管柱的管箍時，同樣將信號傳給控制中心，通過液壓系統(tǒng)中執(zhí)行機構打開上端防噴器，同時關閉下端防噴器。當上一節(jié)管柱完全可以卸載時，移動卡瓦機構夾緊下一節(jié)管柱管箍下端處，接著液壓大鉗完成卸載管柱，同時機械手進行扶持管柱并將其運送到地面。設備下放管柱過程與之相反。

3 數(shù)字PID控制算法理論

PID控制器由比例、積分和微分構成，通過對偏差的比例、積分和微分運算后，用計算所得的控制量來控制被控對象[2]，PID控制算法原理，如圖1所示。

圖1 PID控制算法原理Fig.1 PID Control Algorithm Principle

圖中：r（t）—給定值；e（t）—控制偏差；y（t）—實際輸出值。系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成，其控制方程為：

具有比例+積分+微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分控制，又稱為PID控制。其控制規(guī)律為：

式中：Kp—比例系數(shù)；Ti—積分常數(shù)；Td—微分常數(shù)。

PID控制主要通過積分作用消除誤差及微分作用縮小超越量[3]，改善系統(tǒng)特性。比例系數(shù)Kp主要在于加快系統(tǒng)的響應速度，以提高系統(tǒng)調節(jié)精度；積分常數(shù)Ti主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分常數(shù)Td主要用于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

4 液壓缸的選取與強度校核

不壓井修井機控制系統(tǒng)主要由電氣控制和液壓控制組成，兩者協(xié)同作用，實現(xiàn)修井設備自動控制作業(yè)的功能。

設備中液壓缸內活塞的運作是液壓控制系統(tǒng)主要的執(zhí)行元件，它主要是利用油液內部的壓力來傳遞動力的，將液壓能轉化為機械能，然后傳遞給設備，實現(xiàn)裝置運作。以不壓井修井機結構中的卡瓦壓緊液壓缸為例[4]，如圖2所示。通過電腦PLC程序或手動控制液壓缸內部活塞的伸出與回縮運作，活塞桿帶動凸輪旋轉，同時凸輪作用在卡瓦體上，實現(xiàn)卡瓦夾緊與放松功能。因此，作業(yè)過程中需要保證卡瓦夾緊液壓缸提供凸輪的動力大于卡瓦夾緊管柱的最大阻力。

圖2 卡瓦系統(tǒng)結構Fig.2 Slip System Structure

卡瓦夾緊液壓缸系統(tǒng)由兩組液壓缸構成，采用兩組液壓缸同步驅動[5]，管柱四周可同時承受作用力，保證夾緊力最大。卡瓦結構中液壓缸缸體與活塞的材料均選用為Q235結構鋼，液壓缸行程設定為145mm，推力為5000N，工作壓力為3MPa，根據(jù)設備需求，選取合適液壓缸提供動力，完成相應動作與功能。由液壓缸內徑方程得：

式中：D—缸體內徑；F—作用力；p—壓力。

由于此液壓缸運作速度較慢[6]，提供的動力較小，因此選用缸體內徑為50mm，活塞桿的直徑為28mm的液壓缸即可。設備作業(yè)過程中，卡瓦夾緊液壓缸主要通過凸輪作用卡瓦體上，實現(xiàn)夾緊管柱作業(yè)，保證上裝與接卸管柱作業(yè)的順利完成，因此，液壓缸活塞桿主要承受軸向推力或拉力作用，，而受到的彎曲應力即可忽略不計。

作業(yè)時，活塞桿如果只承受軸向推力或拉力作用時，活塞桿的強度計算公式為：

式中：σ—活塞桿強度；F—作用力；d—活塞桿直徑；σp—材料許用應力。

經計算活塞桿的強度小于其材料許用應力，完全滿足設備的工藝要求，因此，選用缸徑為50mm的液壓缸可完成運作。

5 液壓缸優(yōu)化仿真

液壓缸往復運動過程中，液壓能作為正向輸入，比例流量閥的通徑大小為反向輸入，實現(xiàn)對液壓缸的運作速度及推力大小的控制。基于Simulink仿真分析，液壓缸內活塞運動時，需討論液壓缸腔內液體壓力與流量的關系、活塞啟動時的速度及穩(wěn)定運作時的速度，才能更好的分析液壓系統(tǒng)的運行效果。

卡瓦夾緊液壓缸的運作速度與推力大小，主要由液壓缸腔內液體的壓力p、液壓的流量q兩者來決定。其中，液壓缸負載作業(yè)時，兩者是在不斷地變化的，根據(jù)液壓的動力學原理[7]，得卡瓦夾緊液壓缸腔內的流量連續(xù)方程為：

式中：A1—活塞桿的截面積；v1—腔內油液的流速；k—腔內壓腔泄露系數(shù)；V—腔內的容積；E—油液的體積彈性模量。

根據(jù)液壓缸實現(xiàn)功能及結構特性，通過改變液壓缸腔內液體的壓力大小，來改變腔內液體的流量，運用PID控制算法理論，經過仿真分析，找到適合的流速，以實現(xiàn)液壓缸的運作速度的平穩(wěn)及提供穩(wěn)定的動力。使用PID控制理論能夠更加明顯的分析系統(tǒng)的現(xiàn)狀[8]，通過消除誤差方法使系統(tǒng)達到最佳狀態(tài)。同時PID算法需要借助MATLAB軟件仿真，借助MATLAB可使復雜的液壓控制系統(tǒng)變簡單易用、可靠，提高系統(tǒng)的控制效果[9]。

在仿真中，先選取PID參數(shù)，確立被控對象的數(shù)學模型，但工業(yè)過程中的數(shù)學模型很難得到，一般是通過試湊法來確定的。因此，通過試湊法，反復湊試參數(shù)，觀察系統(tǒng)的響應曲線變化情況，當參數(shù)為42、0.001、0.1時，系統(tǒng)有較好的動態(tài)性能。

給定系統(tǒng)的輸入信號，輸入信號采用單位階躍、正弦信號，并調整好PID控制的參數(shù)，在MATLAB軟件中進行仿真[10]，為系統(tǒng)輸出曲線及系統(tǒng)誤差曲線，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真曲線Fig.3 System Simulation Curve

由MATLAB仿真曲線圖知，運用PID控制理論后系統(tǒng)曲線趨于理想曲線，液壓缸腔內液體的流量變化顯得有規(guī)律，流速更加平穩(wěn)，同時誤差波動范圍較小，實現(xiàn)一個更可控、更穩(wěn)定的系統(tǒng)，能夠更好的、可靠的完成相應動作與功能。

另外，液壓缸的運作速度與液體的流量有關，通過兩者之間的關系可以反映液壓缸的平穩(wěn)性能。同樣，使用PID控制理論方法在Simulink下仿真分析，能夠得到液壓缸在加入PID控制前與加入PID控制后的速度變化曲線，如圖4所示。為液壓缸在啟動時速度變化曲線，液壓缸平穩(wěn)運作時速度變化曲線，如圖5所示。

圖4 液壓缸啟動速度變化曲線Fig.4 Hydraulic Cylinder Starting Speed Change Curve

可以從圖形曲線知，加入PID控制前，啟動速度曲線開始時波動較大，后逐漸平穩(wěn)，很不穩(wěn)定，啟動時液壓缸會產生較大壓力。而加入PID控制后，啟動速度曲線更加平穩(wěn)，同時，達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間更快，使得液壓缸啟動更加平穩(wěn)、可靠。

圖5 液壓缸平穩(wěn)運作速度變化曲線Fig.5 Hydraulic Cylinder Smooth Opration Speed Change Curve

由曲線可以得到，加入PID控制前，速度曲線波動較大，速度不穩(wěn)定，會使液壓缸產生很大振動，增加了缸筒間的磨損，降低運作的平穩(wěn)性及減少液壓缸的使用壽命。而加入PID控制后，速度曲線趨于平緩，很大程度上減少液壓缸的振動，增強液壓缸運作的可靠性和穩(wěn)定性。

運用PID控制理論，集成其結構簡單、穩(wěn)定性好、運作可靠、調整方便的特點，通過試湊法得到一組理想的PID系數(shù)值，對液壓缸進行優(yōu)化分析。使用PID控制理論后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高，液壓缸運作時液體的壓力與流量關系能夠更好的提供推力，缸筒在啟動過程中能夠更快的達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時，在作業(yè)過程中液壓缸能夠更平穩(wěn)的運作，降低液壓缸在啟動與運作過程中的振動程度，提高了液壓缸的總體性能。

6 結語

液壓系統(tǒng)作為修井設備的主要動力輸出源，又是修井設備的主要執(zhí)行系統(tǒng)，同時液壓缸結構是液壓系統(tǒng)的直接執(zhí)行部件，對液壓缸的穩(wěn)定性及可靠性優(yōu)化分析是非常重要的，因此，分析數(shù)據(jù)得出結論：（1）液壓缸作為液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件，提供設備動力，滿足修井作業(yè)要求，液壓缸具有結構簡單，輸出動力大，性能穩(wěn)定可靠及使用維護方便的特點，保障設備運作的可靠。（2）采用了數(shù)字PID控制算法理論，通過消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，運用MATLAB軟件仿真，分析數(shù)據(jù)改善液壓缸系統(tǒng)的不穩(wěn)定特性，提高液壓缸的總體性能。（3）運用液壓控制系統(tǒng)，提供設備穩(wěn)定、可靠的動力，完成動作與功能控制，同時，液壓分布結構緊湊，減小設備的占地面積。此外，液壓控制系統(tǒng)可提高設備的自動化程度、開采效率及人身安全，降低勞動強度，符合設備工藝要求。

綜述，液壓系統(tǒng)中的卡瓦夾緊液壓缸的可以達到最優(yōu)化狀態(tài)，作業(yè)時能夠滿足設備的使用需求，可以安全地使用。