基于FluidSIM的铁钻工控制系统的建模及仿真

崔志诚

（西安石油大学，西安710065）

0 引言

铁钻工是钻机在自动化钻井过程中的配套设备，能在完成钻具高效率地上扣、卸扣及紧扣、冲扣等工作的同时保证工人的安全。铁钻工控制系统的自动化程度会影响到其操作的方便程度，工人的劳动强度及工作效率等性能[1]。目前，铁钻工的液压控制系统多数是电液比例控制系统，即通过控制滑阀的开度来实现对液压系统的控制[2]。针对这种情况，提出采用PID控制，PID控制器具有参数在线整定的功能，利用这一功能进行对电液比例系统的PID控制。首先建立系统的数学模型，然后利用FluidSIM软件进行仿真，从而分析电液比例压力系统的PID控制效果。

1 铁钻工电液比例控制系统的组成

铁钻工主要由底座、运移装置、钳体（旋扣钳、扣钳、背钳）及夹紧油缸、冲扣油缸、旋扣马达等组成的，是一个多液压缸电液比例压力控制系统[3]。由于每一个液压缸都是一个独立的压力控制系统，所以本文只选择其中一个液压缸的压力控制进行研究，对该液压缸系统进行数学建模，然后再进行仿真分析。电液比例压力控制系统的原理如图1所示。

图1 压力控制系统原理框图

系统收到指令装置给定的一个电压信号ur，此时液压缸的输出压力为Fg，压力传感器在测到该压力后，将其转换为电压信号uf并将其反馈到输入端。PID控制器将uf与ur进行比较，当两个值不相等时，控制器对得出的偏差信号ue进行运算，并输出相应的调节信号，该信号经放大器放大，然后输入电液比例阀，驱动阀输出压差，压差作用在液压缸上[4]，使其输出的驱动力向着偏差减少的方向变化，直到偏差为零为止。

2 铁钻工电液比例控制系统的数学模型

（1）PID控制器

PID控制系统原理框图如图2所示。

PID控制器通过比较给定值r(t)和实际输出值c(t)得出控制偏差：

e(t)=r(t)-c(t)

将偏差通过线性运算得出控制量，从而控制被控对象。其控制规律为：

式中Kp—比例系数；

T1—积分时间常数；

TD—微分时间常数。

（2）比例放大器

u(t)=Kfe(t)

式中Kf—为比例放大器的增益。

图2 PID控制系统原理框图

（3）电液比例阀

液压油在电液比例阀里流动的过程会造成局部的压力损失，利用这一原理，电信号可以使阀的出口及入口间的压差成比例地变化。在系统固有频率远小于电液比例阀的频带宽度这一前提下，电液比例阀的输出压力为：

p(t)=Kbi(t)

式中Kb为电液比例阀的增益。

（4）液压缸

①滑阀负载流量方程

qL=kqxv-kcpL

式中kq—滑阀流量增益；

xv—阀芯位移；

kc—滑阀流量压力系数；

pL—负载压差。

②活塞流量方程

式中Ap—液压缸活塞面积；

xp—液压缸输出位移；

t—时间变量。

③活塞力平衡方程

液压缸的输出驱动力：

式中mt—活塞及负载质量；

Bp—活塞及负载的黏性阻尼系数；

k—负载的液压弹簧刚度。

（5）压力传感器

uf(t)=kfppL

式中kfp—压力传感器的增益；

pL—液压缸进油腔内压力。

3 基于FluidSIM的仿真分析

3.1 建立仿真模型

基于对电液比例控制系统进行数学建模，现利用FluidSIM软件对其进行PID控制仿真及分析，电液比例PID控制系统仿真模型如图3所示。

图3 电液比例PID控制系统仿真模型

3.2 仿真结果和分析

采用PID控制时，系统的单位阶跃响应曲线如图4所示。

由图4可以看出，在输出值还没有达到稳定状态的时候，系统没有出现明显的振荡现象，具有平稳的控制过程。PID控制系统的响应时间为0.1s，具有较快的响应速度，无静态误差。由此得出，PID控制方法的超调量及稳定时间小，控制性能高，动态性能好。

为测试系统的随动性能，对系统输入正弦信号，仿真结果见图5。

液压缸、模拟压力传感器、信号发生器的正弦响应曲线如图5所示。可以看出，当液压缸活塞完全伸出后，负载加载到液压缸上，在稳态误差内能以较高精度跟随输入控制信号的变化而变化。当活塞杆缩回的瞬间，由于压力的瞬时变化，压力传感器的输出信号会出现瞬时振荡，属正常现象。

图4 PID控制系统阶跃响应曲线

图5 正弦响应曲线

4 结语

由于铁钻工的液压比例系统参数变化程度较大且有负载干扰，性能要求无法通过一般控制方法得到全部满足。通过建立PID控制器，根据偏差的变化和偏差变化率的大小，使PID参数自适应变化，这样可以省去繁琐的人为参数调试过程。该系统具有自适应调整能力，能够很好地适应不同的环境，增强了系统可靠性。

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