浮式钻井平台升沉模拟系统设计.pdf

2 0 1 2年 1月 第 4 O卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS J a n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 2 3 浮式钻井平台升沉模拟系统设计 姜浩 ，一 ，刘衍聪 ，张彦廷 ，刘振 东 ， 1 ．中国石油大学 华东 ，山东东营 2 5 7 0 6 1 ； 2 ．浙江大学流体传动及控制 国家重点 实验室，浙江杭 州 3 1 0 0 2 7 摘要设计电液比例阀控制非对称油缸模拟钻井平台升沉运动的实验系统，建立阀控缸的动态方程并用 Ma t l a b 进行仿 真。设计测控系统并采用 P I D和死区 P控制相结合的方法控制 比例阀，有效减小了死区对控制精度的影响。实验结果表 明，该模拟系统可实现较高精度的位移跟踪。 关键词电液比例方向阀；非对称油缸 ；P I D控制 ；死区校正 中图分类号T P 2 7 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 - 0 8 5 - 4 De s i g n o f S e a He a v e M o t i o n S i mul a t i o n Sy s t e m f o r Fl o a t Dr i l l i ng Pl a t f o r m J I ANG Ha o ，L I U Ya n e o n g ，Z HANG Ya n t i n g ，L I U Z h e n d o n g ， 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m H u a d o n g ，D o n g y i n g S h a n g d o n g 2 5 7 0 6 1 ，C h i n a ； 2 ． Th e S t a t e Ke y L ab o f F l ui d Po we r Tr a n s mi s s i o n a n d Co n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s i mu l a t i o n s y s t e m o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e c o n t r o l a s y mme t ric c y l i n d e r f o r h e a v e mo t i o n o f d ril l i n g p l a t f o r m wa s d e s i g n e d ． A c c o r d i n g t o ma t h e ma t i c mo d e l s ，t h e s i mu l a t i o n wa s c a r r i e d o u t b y u s i n g Ma t l a b s o ft w a r e ． T h e me a s u r e a n d c o n t r o l s y s t e m wa s d e s i g n e d a n d t h e i n fl u e n c e O f n o n l i n e ar d e a d b a n d o f e l e c t r o h y d r a u l i c p rop o r t i o n a l v alv e w a s d e c r e a s e d e ffic i e n t l y b y u s i n g P I D c o n t r o l a l g o ri t h m a n d d e a d b a n d P c o n t r o 1 ． T h e t e s t i n g d a t a s h o w t h a t t h e s i mu l a t i o n s y s t e m c a n r e ali z e p r e c i s e d i s p l a c e me n t t r a c k i n g ． Ke y wo r d s E l e c t r o - h y d r a u l i c p rop o rti o n a l v a l v e；As y mme t ri c c y l i n d e r ；P I D c o n t r o l ； De a d b a n d c o r r e c t i o n 海洋浮式钻井平台在波浪的作用下将产生周期性 的升沉运动 ，影响钻井⋯；高精度的钻井平台升沉模 拟系统是研究升沉补偿系统的前提条件。作者设计了 电液比例方向阀控制非对称油缸的位置伺服控制系 统 ，实现了带载状况下的钻井平台升沉运动模拟。 1 电液比例阀控缸伺服 系统设计 1 ． 1 升 沉运 动模 拟原 理 浮式钻井平台的升沉运动是因波浪及潮汐而引起 的，它的运动规律近似于简谐运动，其升沉位移由波 高及船体或平 台的类型、结构、尺度等因素决定 。 一 般升沉位移要 比波高小得多。在海浪周期 为 5～ 1 5 S 时 ，升沉位移 与波 高的 比值 小于 0 ． 5 ，平 台 的升 沉周期一般与波浪的周期相同 。假设海浪的波高为 ，海浪的周期为 ，升沉位移与波高的比值为 ， 则钻井平台的升沉运动规律 为 ．， 21 T ． 、 亏龇 “ 【 J 国外现有升沉补偿装置 的最大补偿行程一般为 7 ． 6 2 m 2 5 f1 ，周期 为 1 2 S ，以此作为系统的设计 参数 ，则钻井平台的升沉运动规律为 s i n f 1 3 ． 8 1 s i n 0 ． 5 2 4 t 2 厶 、 1 ／ 1 ． 2 平 台升 沉运 动模 拟 系统 平台升沉运动模拟系统是一个典型的电液比例方 向阀控缸位置伺服系统 ，其原理图如图1 所示。 阀 图 1 升沉运动模拟系统原理图 收稿 日期 2 0 1 01 21 5 基金项目国家 自然科学基金 5 0 8 7 5 2 6 2 ；国家高技术发展研究计划 8 6 3 2 0 0 8 A A 0 9 Z 3 1 1 ；流体传动及控制国家重点 实验室开放基金 G Z K F - 2 0 1 0 2 5 资助项 目 作者简 介姜 浩 1 9 7 7 一 ，男，博 士研究 生，主要从事 计算机测 控、机 电液控 制领域研 究。Em a i l j i a n g h a o u p c ． e d u ． a n 。 8 6 机床与液压 第 4 0卷 负载 m与不对称液压缸活塞杆相连，当升沉模 拟缸活塞杆伸出或缩进时，负载 m就会跟随活塞上 升或下沉。对升沉运动模拟系统来说 ，选用不同函 数的活塞运动 y ，即可实现不同形式 的升沉运动模 拟 。 钻井平 台升沉模拟系统见 图 2 。定量泵 5输 出的 高压液压油经过滤油器4进入电液比例阀 2的 P I2 I ， 在控制信号的作用下，分别在不同时刻向升沉缸 1 有 杆腔和无杆腔供油 ，驱动活塞和负载实现升沉运动。 由于系统工作过程中，升沉缸 1的活塞杆始终承受拉 力 ，为防止液压泵工作在马达状态，在升沉缸 1 有杆 腔和比例阀2间加装单向溢流阀9作背压阀用。当活 塞杆回缩时，单向阀打开，比例阀2通过单向阀向升 沉缸 1 有杆腔供油，溢流阀不起作用 ；当活塞杆伸出 时 ，单 向阀关 闭，升沉 缸 1 有杆 腔通过 溢流 阀 回油 ， 产生一定的背压，保证液压泵出口为正压。 1 一升沉模拟缸 2 一电液 比例方向阀 3 一 压 力表 4 一滤油器 5 一定量泵 6 _ _ 截止 阀 7 _ _ 油箱 8 一单向溢流阀 电磁 卸 荷 溢 流 阀 图 2 升沉运动模拟系统液压系统图 1 ． 3 在线控制 系统设计 浮式钻井平台升沉运动模拟控制系统由工业控制 计算机 I P C 、数据采集卡、电液比例阀、放大板、 光栅尺 、定量泵 、溢流卸荷 阀、电机 及控 制柜 组成 ， 其控制流程原理图见图3 。 1 P C 采集卡 D0 AI 一 __1 光栅尺 ]二 ●。。。。。。。。。。。。。●。。。。。一 ] l升沉缸 一．皇一 1广 电液比例阀I一 压力变送器r_一 溢流卸荷 阀 图 3 控制系统原理图 I P C通过数据采集卡获得光栅尺输 出模拟信号 ， 转换后得到非对称缸活塞位置，通过与给定位置数据 进行比较 ，得到偏差，I P C根据该偏差的大小控制采 集卡输出，实现对比例阀阀芯运动的控制，进而实现 给液压缸有杆腔和无杆腔供油，使不对称缸活塞运动 到给定信号设定的位置。 2 数学模型及仿真 浮式钻井平台升沉运动液压模拟系统主要控制部 件包括电液比例阀、升沉液压缸、定量泵和溢流阀。 2 ． 1 电液比例方向阀数学模型 电液比例方向阀的阀芯运动直接由比例电磁铁产 生的电磁力 F t 驱动，在比例电磁铁的驱动力 F t 作用下会产生位移输 出 ，比例电磁铁所能提供 的电磁驱动力 F t 与其线圈电流 i t 成正比，线圈 电流 i ￡ 取决于放大板提供的控制电压 ／ Z t 。故需 要分别建立线圈电流模块、电磁驱动力模块、阀芯位 移模块的数学模型，将此 3 个模块串联 ，即可得阀芯 运动的数学模型 不考虑泄漏和摩擦 。 控制电压与线圈电流数学模型 u L R - 3 由于惯性环节时 间常数很小 ，故省略后的拉 氏变 换方程 G s 去 一 4 电磁铁电磁力数学模型 F k i t 5 ， 、 G s k 6 比例阀阀芯运动数学模型 m 邶 鲁 ㈩ 7 G s l X s m 一 F s 一 s 2 s∞ 8 则 由控制电压得到阀芯输出位移传递函数 G S 为 熹 9 由于 非对 杯 缸 洁 基 曲胫 的作 用 面积 不 l司 ，以活 塞 向下运动为例，分析比例阀的压力 一 流量特性 』 眠 √ c √ 负载流量 知 第 1 期 姜浩 等浮式钻井平台升沉模拟系统设计 8 7 ． ge 州 1 3 Q 印 A s Y 1 4 芯 固 有 频 率 ， ∞ √ ； 为 阻 尼 比 ， B p ； ， n为流量 比，n _A 2 ； p 为阀进 口压力 ； ,／ 2 1 n t t 1 k 为流 量 增益 ，k c 0 9 ；k 为 流量 一压 力 系数 ， ； 卢为弹性模量 ；p 为负 载 ； 为液压缸的等效容积， 尘 掣； 为 液 压 缸 的 最 大 容 积 ， m Bp d t k a y ． ， s 冬 c s y 模拟系统电液比例阀最大流量 1 5 L ／ ra i n ；液压缸 内径 1 0 0 m m，杆径 5 5 m m，行程 2 0 0 0 m m；定量泵 排量 2 8 m L ／ r ，转速 7 5 0 r ／ m i n ，最大工作压力 2 1 ． 5 M P a ；溢流 阀设 定 工 作 溢流 压 力 为 6 M P a ，负 载 1 ． 5 1 0 N；采用式 1 8 所示的数学模型，P ， ， ，一、 0 ． 5 s i n f l ， 2 0 m s ，采用 M a tl a b进行仿真，得 、 ／ 到给定 p v 、反馈 P 、偏差 E 。 仿真 曲 线如图4所示。可以看出系统是稳定的，模型是正确 的，位移跟踪精度较高。 时间， s c Ec ， P 图4 给定、反馈、偏差仿真曲线 3实验分析 由于液压系统采用的是比例阀，其最大的不足是 存在死区，尽管放大板存在 2 0 0 m A的先导电流，但 是还不足以驱动阀芯。实验测得上行死区驱动电压 1 ． 9 V，驱动 电流 3 2 6 m A；下行死 区 1 ． 3 V，驱 动 电 流 2 8 6 m A 。 3 ． 1 P I D控 制 P I D参数 比例系数 k 、积分时间常数 i 以及微 分 常数 相互独立 ，参数整定较方便。 系统 采用增 量 式 P I D运 算 ，其 计 算方 法 如下 所 示 e e e ≥ ] 1 9 d xk 。 e e 1 。 e k d e i 一 2 e 一 1 e i 一 2 2 0 T ≥ 其中e 。 为偏差 ，e 为上一次的 e 值 ，e i - 2 为上一次 的e i - 1 值 ， 。 为比例系数， 为积分系数 ， 为微分 蕞 日 ；堇 一 8 8 机床与液压 第4 O卷 系数 ， 为调控周期， 为计算出来的增量值。此次 实际的输出值 O P应该为上次的 O P值加上本次计算 出的增量值 ，即O P O P 。试验采用的 P I D控制参数k 。 3 5 ，k 。 0 ． 0 4 ，k 0 ． 0 1 ，系统控 制周期 2 0 m s 。 试验给定正弦幅值在 5 0～ 6 5 0 m m时发现系统 活塞跟踪 运 动在 上死 点 波峰 和 下死 点 波 谷 有较大误差 ，最大误差大约 2 0 m m，而在系统越过死 点后 ，跟随效果非常理想，其偏差不超过 3 m m，图 5是幅值分别为 1 5 0和 6 5 0 m m的实验曲线。 皇 妻 。 2 4 O l 一升沉反馈曲线 l 一升沉反馈 曲线 3 一补偿反馈曲线 ． V i 目 塞 2 4 O 3 一补偿反馈 曲线 ＼ ’ V ● 0 l 0 2 0 3U 4 0 U lU 2 0 jU 4 0 时 间／ S 时间／ s a 幅值1 5 0 mm b 幅值6 5 0 mm 图5 P I D控制效果曲线 3 ． 2 P I D控制和死 区P控制相结合 简单采取 P I D控制时，由于比例阀存在死区，导 致在死区处的控制效果存在较大偏差。经数据分析得 知在上死点和下死点时，由于偏差较小 ，系统运动 速度较慢，P I D运算输 出小于控制死 区电压，导致 P I D输出直接由死区电压替代 ，造成较大误差。 为了提高升沉运动的位移跟踪精度 ，需要对比例 阀的阀芯位移进行 死区补偿，死 区补偿的方法很 多 ，为了保证升沉运动位移上下死点的快速跟踪， 死区只采用比例控制，其他位置采用 P I D算法实现。 图6是幅值为 2 0 0和 6 5 0 m m的给定、反馈曲线 图，在距死点 1 5 m m处 ，采用 比例控制，其控制效 果好于全程采用 P I D控制，死区处随着比例控制系数 1 一 升沉 反馈 曲线 l 一升 沉 反馈 曲线 i 昌 ； 塞 2 4 O 3 一补偿反馈 曲线 。 厂 厂＼ 2 ＼／＼ ／ 嚣 宣 ； 藿 2 4 0 3 一补 偿 反馈 曲线 f ＼ ／ ● 0 l 0 2 O 3 0 4 0 0 l O 2 0 3 0 4 0 时间， s 时 间， s a 幅值2 0 0 mm b 幅值6 5 0 mm 图6 幅值为 2 0 0和6 5 0 m m时，P I D 和死区 P控制效果曲线 的加大 ，其跟踪速度变快、误差变小 ，但是比例系数 超过某一数值后 ，容易产生振荡 。 图7是幅值为 6 0 0 m m的电液比例阀控制电压曲 线 ，可以看出比例阀在给无杆腔供油时电压波动较 小，有杆腔电压波动较大 ，主要是无杆腔需要动力液 压油较多，阀口开度较大，控制电压变化相对平缓。 控制电压曲线显示P I D和死区P控制相结合 ，震荡 次数较少 ，有利于提高阀的使用寿命。 厂 、 ] ． r f r ] I J _ l l J I I l l I 、 j ’、 、 ．～ ／ 9 7 1 9 3 2 8 9 3 8 5 4 81 幅ff t ／ m rn 图 7 比例阀控制电压曲线图 4结 论 采用比例阀控制不对称缸能够实现较好的位移跟 踪，其跟踪精度在一定范围内 阀允许的流量范围 内不受幅值影响。但由于 比例阀存在死区，造成 在上下死点处误差较大。采用死区 P控制和 P I D结 合，较好地实现了位移跟踪。仿真数据和实验数据对 比表明采用比例阀控制液压缸可实现带载情况下的 海洋平台运动状况模拟，为升沉补偿系统的后续研究 奠定基础。 参考文献 【 1 】 方华灿． 海洋石油钻采装备与结构[ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． 【 2 】 张彦廷， 刘振东， 姜浩 ， 等． 浮式钻井平台升沉补偿系统 主动力的研究[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 1 0 ， 3 9 4 1 4 ． 【 3 】白鹿 ， 张彦廷， 张作龙 ， 等． 钻柱液压升沉补偿系统参数 计算及比较分析[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 9 3 1 01 3 ． 【 4 】江桂云， 王勇勤， 严兴春． 液压伺服阀控缸动态特性数学 建模及仿真分析 [ J ] ． 四川大学学报， 2 0 0 8 9 1 9 5 1 9 8 ． 【 5 】曹正 ， 赵新泽， 陈永清． 阀控非对称液压缸往返运动动态 特性对比分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 3 6 2 5 4 2 5 6 ． 【 6 】李阁强， 王爱花， 谢海 良 阀控非对称缸被动加载系统数 学模型的建立[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 8 7 8 8 0 ． 【 7 】 郑淑娟 ， 贾建涛， 段现银． 比例阀控电液纠偏系统的设计 与分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 6 5 7 5 9 ． 【 8 】肖 体兵 ， 吴百海． 高精度 电液比例阀控缸伺服系统控制 器设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 1 1 5 3 5 5 ．