修井机起升系统的机电液联合仿真方法

吴修德 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

苏一凡 （中海石油 （中国）有限公司湛江分公司生产部，广东 湛江524057）

吴文秀 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

修井机的起升系统担负着起升与下放钻具、钻头进给、钻压控制、处理井下复杂事故等工作，主要由绞车、天车、游车以及钻杆等部分组成，在绞车中常采用液压盘式制动器构成制动控制系统。修井机起升系统的制动控制是典型的机电液一体化控制。通过系统仿真分析可以获得起升系统的动态性能[1，2]。为了提高系统仿真分析的效率，笔者构建了修井机起升系统的机电液多领域的联合仿真分析方法。

1 机电液联合仿真总体方案

以XJ250修井机的起升系统为研究对象，通过实体建模软件PRO/ENGINEER和机械系统动力学仿真分析软件ADAMS，建立包含液压盘式刹车在内的起升系统的动力学简化模型，对提升工况、下入工况的工作制动和紧急制动过程进行动力学仿真，可以得到起升系统各关键元件所承受的动载荷大小及其变化规律。利用AMESim软件液压系统建模的优势，建立液压盘式刹车的精准模型，然后用采用AMESim和 Matlab/Simulink联合的方法，建立液压盘式刹车制动系统的联合仿真模型，通过 Matlab/Simulink和AMESim联合仿真，可分析或验证起升系统的制动控制性能。修井机起升系统的机电液联合仿真的总体方案如图1所示。

图1 联合仿真总体方案示意图

2 机电联合仿真

利用ADAMS的Controls模块，可以将复杂的控制添加到机械系统的样机模型中，实现机械系统仿真分析工具与控制系统仿真软件有机连接，便于对系统进行整体分析。主要的建模步骤：①在Matlab程序中输入ADAMS模块；②在Matlab/Simulink模块中设置仿真参数 （采用PIPE （DDE）交互访问默认方式）；③利用Simulink工具进行控制系统建模。在进行控制系统建模时，要考虑下入工况的变加速段和匀加速段。钻柱杆主动力矩为常数，工作钳刹车力矩变化与时间有关，利用阶跃函数来表示其由平衡状态力矩增加到最大力矩。当角速度等于0时，系统仿真结束，需要在Simulink中添加一个比较器 （Relational Operator）。

在Simulink中建立的修井机起升系统机电联合仿真模型如图2所示。

输入为工作钳制动矩为随时间变化的信号，输出为角加速度大小，通过积分计算并考虑初始条件可得速度与角位移仿真结果。当系统的运动学、动力学分析存在多种影响因素以及要求输入复杂方程和信号 （如，不规则曲线及复杂周期函数）时，利用ADAMS软件进行仿真，添加往往比较麻烦，不容易更改；而通过与Simulink联合仿真，易于实现初始条件的更改及复杂控制信号的输入，并可在交互模式中动态观察仿真结果。

图2 机电联合仿真模型

3 机液联合仿真

ADAMS和 AMESim的软件接口 （ADAMS－AMESim Interface）包含了系统动力学模型与液压模型发生联系的相关状态变量与参数，可以实现复杂系统的ADAMS动力学模型与AMESim液压模型之间的实时数据传递，将动力学仿真与液压系统仿真联合起来。

图3所示为修井机起升系统的液压盘式制动器的机械、液压系统联合仿真模型。力矩传感器将刹车系统的接触正应力转化为工作钳制动力矩信号，然后与钻柱等的主动矩做差分运算，通过力矩产生器作为输入力矩输入到ADAMS运动学模型中；利用信号的差分、比例及饱和运算，建立了输出系统角速度与输入压力调节阀信号的实时变化关系。通过ADAMS与AMESim联合仿真，可以观察在盘式刹车的液压力作用下绞车系统运动情况，进而可随时了解起升系统的制动性能，并可方便地改变液压模型系统参数来对比仿真实验结果。

图3 盘式刹车机液联合仿真模型

4 电液联合仿真

液压盘式刹车既包括液压部分又有控制部分，如果单纯利用Simulink进行液压系统建模及仿真，需做较多简化工作，仿真结果误差较大，系统将会变得非常复杂。而将液压盘式刹车的液压部分在AMESim中仿真，控制部分利用Simulink仿真，采用AMESim提供的接口将2个仿真联合起来，既发挥了AMESim突出的流体机械的仿真效能，又可借助MATLAB/Simulink强大的数值处理能力，使系统的仿真效果更加完善。

图4 AMESim环境下的液控系统模型

在AMESim中经过系统编译、参数设置等生成供Simulink使用的S函数，在Simulink环境中将建好的AMESim模型当作一个普通S函数来对待，加入系统的Simulink模型中，从而实现二者的联合仿真。

根据盘式刹车系统的物理模型，可将其分为液压系统模型和控制系统模型2个部分，其中液压模型在AMESim环境下构造，而控制模型部分则在Matlab中完成。在AMESim环境下的液压系统模型如图4所示。其中，13为接触正应力传感器，14为液控联合仿真模块。

盘式刹车液压系统在Simulink环境下的反馈控制系统模型如图5所示。通过Simulink中的S功能模块将AMESim产生的S函数加入到Simulink的模型中，同时也将Simulink中的控制算法模型连接到AMESim中的控制模块内。

通过在AMESim中建立输出接触正应力与输入压力调节阀电流信号关系，可搭建盘式刹车液控联合仿真模型。采用AMESim和Simulink联合仿真，可以获得刹车盘制动正压力大小，并可将其作为反馈信号，来调制压力调节阀的控制信号，从而构成力反馈控制系统，便于对液压盘式刹车系统进行制动性能分析，并有助于获得理想的压力调节阀控制信号。

图5 Simulink环境下的控制系统模型

5 结 语

通过引入机电、机液及液压与控制系统联合仿真方法，构建修井机起升系统的联合仿真模型，可以较方便地获得起升系统各环节的特性参数及其变化规律，有助于更加真实、准确、有效地研究液压盘式刹车制动过程的动态特性，并获得有效的系统控制方案，为盘式刹车系统的性能分析与优化、控制算法的测试、故障预测与诊断等奠定了基础。

[1]董怀荣，王联合，李海营，等 .交流变频电驱动钻机起升系统的模拟 [J].石油钻探技术，2009，37（3）：69～73.

[2]王瑜，林立，姜建胜 .基于AMESim液压盘式刹车系统建模与仿真研究 [J].石油机械，2008，36（9）：31～35.