基于AMESim與Simulink的液壓牽引器驅動機構聯合仿真

洪詩益，吳 偉，劉 斌

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

井下牽引器是依靠自身所攜帶的動力源，具有一定自主操控能力并能在井下特殊環境中完成特定工作任務的機電一體化裝置。牽引器的主要任務是將所需要送進的測井或修井儀器輸送到預定位置，在水平井測井中應用廣泛[1]。牽引器按爬行方式分類，可分為輪式牽引器、伸縮式牽引器、履帶式牽引器等；由攜帶動力源來看，以攜帶電機的機械傳動為主。雖然輪式牽引器技術相對成熟，但是復雜的水平井工況也給輪式牽引器帶來新的難題。一方面，在射孔作業完成后，地底的巖石沙礫等就會進入套管內，伴隨著上下井操作，巖石沙礫就會堆積起來形成大塊雜質，這就會造成牽引器爬行輪無法完全貼靠套管，出現牽引器打滑，牽引力變小甚至無法工作的情況；另一方面，水平段的套管受到地層擠壓和其他因素影響，經常會出現套管變形、狗腿度大的問題，這會造成爬行輪與套管內壁之間出現空隙，牽引器無法完成指定工作的情況。在復雜的水平井工況下，尺寸相對固定的機械驅動式牽引器經常出現卡井或者無法正常牽引的情況。液壓式牽引器的出現，給水平井開發提供了更好的解決方案[2]。液壓牽引器與機械式牽引器最大的區別在于液壓牽引器在推靠系統中用液壓缸代替了機械式中滾珠絲杠與離合器的組合。通過液壓缸的靈活性與可控性，實現了牽引器可調節的推靠系統。當牽引器遇到套管變化，就可以通過地面指令和一系列控制調整液壓缸活塞的位移來適應套管的變化。

1 液壓牽引器工作原理

液壓牽引器驅動機構分為旋轉控制和推靠控制，在本文中只對其推靠系統進行分析，由于牽引器向前或向后的運動是通過爬行輪和套管壁之間的摩擦力實現的，需要將對稱分布的爬行輪完全接觸管道的內壁，這就需要液壓推靠系統來完成。如圖1所示為牽引器推靠控制液壓系統原理圖。當牽引器進入水平段時，馬達開始工作，液壓泵從油缸中吸油，并為蓄能器充能，將電磁換向閥通電打開，液壓油持續供入液壓缸，液壓缸活塞推出將爬行輪與套管壁緊緊貼合。當驅動輪需要調整時，電磁換向球閥通電打開，液壓缸在電磁換向閥調節下進行調整，調整到位后電磁換向球閥關閉。

圖1 牽引器推靠控制液壓系統原理圖

牽引器的液壓系統必須處于密閉環境中，避免與井液發生接觸，否則水平井中的各種雜質可能進入到牽引器，污染液壓系統，可能導致液壓系統無法工作，甚至對牽引器本身帶來損壞。液壓系統中液壓油的流動性使牽引器具有了一定的自適應的特性，避免了經常調節儀器的繁瑣工作，方便了人員在地面的操作[3]。液壓牽引器不僅可以提供更高的、可調節的推靠壓力，而且可以通過保壓回路使牽引器在一定壓力下穩定工作，以應對牽引器在工作過程中出現的打滑情況。當牽引器爬行輪出現打滑現象時，可以由地面發送指令，加大液壓泵的輸出，適當提升液壓系統中液壓缸的工作壓力，同時開啟保壓回路，保證液壓缸維持一定的工作壓力使牽引器正常牽引通過打滑路段。當牽引器完成指定工作后，地面人員發出信號給牽引器液壓系統中的電磁換向閥，使液壓油流回至液壓油箱，液壓缸壓力降至0 MPa，推靠臂在連接彈簧回復力的作用回收至牽引器內部，避免了牽引器出現卡井風險，保證了施工安全[4]。

2 基于AMEsim/Simulink 的液壓系統聯合仿真與分析

本文選擇常用的輪式液壓牽引器作為研究對象，采用AMEsim-simulink聯合仿真的方法對牽引器液壓推靠系統控制進行研究。首先在液壓仿真軟件AMESim中草圖模式下，根據牽引器液壓推靠系統原理圖，在液壓庫、機械庫及信號庫中，選擇相對應的模型，建立牽引器液壓推靠系統仿真模型，再聯合Matlab/Simulink 創建Simulink 聯合仿真模塊的SimuCosim，然后在Matlab/Simulink中搭建PID控制和模糊PID 控制基礎模型，通過S-Function 函數的調用語法與AMESim 中的聯合進行仿真，這樣就可以將AMESim液壓系統建模的專業性和Simulink 控制設計算法的優勢結合在一起，對液壓牽引器的液壓控制系統進行更加深入地仿真研究[5]。

2.1 仿真建模

2.1.1 基于AMESim下的液壓系統仿真建模

根據前面所述的牽引器推靠液壓控制系統原理圖，在AMESim 軟件進行建模如圖2 所示。根據AMEsim 與MATLAB/Simulink 軟件聯合仿真技術，在AMEsim 中建立一個Simulink 接口模塊Simu?Cosim，在AMEsim/parameter 模式下設定具體參數。根據某公司液壓牽引器相關數據建立仿真模型，其中主要原件參數設置如表1所示。

表1 液壓系統個元件參數

圖2 液壓牽引器推靠系統液壓模型

2.1.2 基于Simulink下液壓推靠系統建模

在AMESim 仿真模式下打開工具欄下的MAT?LAB，在Simulink 調用S-函數，并在S-函數里進行PID 控制和模糊PID 控制的程序編寫，如圖3～4 所示。模糊PID 算法的最大優勢是不破壞原有PID 的控制效果，依據系統的跟蹤誤差、跟蹤誤差變化率對PID 參數按照所制定的模糊控制規則進行增量調節（增量可正可負），使系統具有更好的動態性能。模糊控制主要由模糊化、模糊推理、解模糊化組成[6-7]。在MATLAB 的模糊邏輯工作箱中進行模糊化處理，設置誤差e、誤差變化率ec、模糊PID 的增量調節參數Δkp、Δki、Δkd的模糊論域。在檢查液壓模型和PID&模糊PID程序無誤后，在AMESim在仿真模式前提下，在Simulink中運行程序得到仿真結果[8]。

圖3 液壓牽引器推靠系統PID控制模型

圖4 液壓牽引器推靠系統模糊PID控制模型

2.2 仿真分析

液壓缸在工作時若壓力不穩定，則牽引器運行中爬行輪就會有抖動，不僅會減小爬行輪的牽引力，還可能會對牽引器本身造成損害，所以液壓缸在工作時需要保持一定壓力。常見的保壓方式主要有蓄能器保壓、液壓泵保壓和液控單向閥保壓，本文牽引器采用的是液控單向閥保壓[9]。

液壓缸壓力曲線如圖5所示。液壓缸初始壓力與蓄能器壓力相同為2.1 MPa，液壓缸設置開始工作時間為1 s，在1 s時給三位四通閥電信號使其移動到右位，液壓缸開始進油，液壓油推動液壓缸活塞快速向外伸出，此時由于蓄能器和液壓泵同時工作，液壓缸壓力超過2.1 MPa，增大到2.4 MPa左右，通過位移傳感器檢測到在活塞桿位移達到設定值0.3 m 時，三位四通閥移動到中位，液壓缸壓力恢復平穩，保持在2.1 MPa壓力下工作，在4 s時三位四通閥移動到左位，液壓缸開始泄壓，壓力降低至0，液壓缸工作結束。

圖5 液壓缸仿真壓力曲線

圖6 同一正弦信號下的仿真曲線

為了對比PID 控制和模糊PID 控制的控制效果，需要選擇對所需電液伺服系統最佳的PID 控制參數。利用試湊法對PID 參數進行確定，按照先比例、后積分、再微分的整定步驟，先將比例參數由小到大調整，并觀察系統的仿真曲線，直至得到反應快、超調小的響應曲線。如果效果始終無法滿足要求，則調整積分環節，減小積分環節參數。若仍達不到目標則調整微分環節，反復改變參數以得到滿意的控制過程[10-12]。最終比例參數為kp=150，ki=10，kd=20。

如圖6 所示為同一正弦信號在不同控制方法下的液壓缸位移仿真曲線，從液壓缸位移仿真曲線分析中可以看出模糊PID 控制比PID 控制提前0.1 s 達到穩態，而且模糊PID 控制反應速度更快，而常規PID 控制有一定程度的滯后。但無論是PID控制還是模糊PID 控制，在接受到位移傳感器的反饋信號后，都能對三位四通閥進行調整，使液壓缸位移能跟蹤期望信號。這兩種控制方法都能達到較好地控制效果。綜上，模糊PID 控制有響應度快、幾乎無超調、調整時間短的優點。

3 結束語

本文選擇常用的輪式液壓牽引器作為研究對象，通過液壓仿真軟件AMESim 建立牽引器液壓推靠系統仿真模型，再聯合Matlab/Simulink對其控制系統進行PID 和模糊PID 仿真建模。通過AMEsim/Simulink 聯合仿真對液壓牽引器推靠系統進行研究。仿真分析了液壓牽引器保壓回路的工作原理和對比了在同一曲線下模糊PID 和PID 控制的效果。仿真結果表明，模糊PID和PID控制都有很不錯的控制效果，但是模糊PID控制更加擬合曲線，具有更好的控制效果，所以模糊PID控制方案的精確性和可靠性更適合液壓牽引器推靠系統，為牽引器推靠控制提供技術支持。