海洋用液压转盘马达转速同步控制系统研究

2021-11-25时琦昊乔长奎魏孔财陈宁生宋志龙

石油矿场机械 2021年6期

时琦昊，乔长奎，魏孔财，陈宁生，宋志龙

(1.兰州兰石石油装备工程股份有限公司，兰州 730314；2.川庆钻探长庆钻井总公司，西安 710021；3.中国石油和石油化工设备工业协会，北京 100825)

目前，海洋用液压转盘主要在活动钻具、辅助MWD随钻测井中使用，或者为液压动力卡瓦在上卸扣时提供反转矩[1]，具有低速大转矩及传动紧凑、安装尺寸小等特点。液压转盘的旋转主要是由布置在液压转盘4个角的4个液压马达驱动。

在活动钻具或者MWD随钻测井作业中，转盘复杂的外负载环境，导致液压马达转速波动，造成转速不同步，影响转盘控制精度，降低马达使用寿命。因此，应使液压转盘中的4个液压马达输出的转速同步。

根据液压控制原理，转盘中4个液压马达实现同步控制，主要是控制4个液压马达具有相同的进入流量。随着控制技术的不断发展，电液比例控制已经成为工程中主流的控制技术，在提高系统动态性及控制精度等方面效果明显[3-5]。因此，液压采用电液比例控制的方法，运用同等控制方式及控制算法[6-7]控制入4个液压马达的流量，提高马达转速同步的性能，使液压转盘能更好地适应现场工况的需求。

1 转盘同步控制系统设计

转盘同步控制原理如图1所示。为方便研究，将系统部件简化为液压泵站、比例阀、液压马达、转速传感器等。系统工作原理为：液压泵站为液压系统提供动力及限制最高工作压力；系统有4个液压马达，每个液压马达都有1个比例阀进行单独控制和对应的转速传感器采集其转速信息，采集到的转速信号传送到控制器中，由控制器对其进行计算，计算后的信号被送入比例放大器中，信号经比例放大后，进入比例阀中，形成1个闭环的马达转速同步控制系统。

图1 转盘同步控制系统原理

系统技术参数如表1。

表1 转盘控制系统技术参数

为方便对系统进行研究，选用DPZA/-A-L5/24型比例阀和190-0236型液压马达。

2 马达电液比例控制数学模型

马达电液比例控制原理如图2所示。

图2 马达电液比例控制原理

2.1 比例放大器

比例放大器高的频率响应对系统影响较小，可将输出比例放大器的电流I和输入电压U近似为比例关系[8]，用增益Ka来表示传递函数：

(1)

2.2 电液比例阀控马达方程

2.2.1 比例阀流量方程

比例阀线性后增量方程：

ΔQL=KXΔX-KPΔpL

(2)

式中：KX为流量增益；KP为流量压力系数；ΔpL为马达进回油压力差；ΔX阀芯位移差；ΔQL为阀流量的增量。

2.2.2 马达流量连续方程

为方便建模和研究单马达控制特性，做如下假设[9-10]：

1) 连接阀与液压马达的管道对称且短而粗，管道压力损失和动态忽略不计。

2) 油液温度和体积弹性模量恒定。

3) 液压马达内泄漏均为层流流动。

4) 供油压力恒定且回油无背压。

根据以上假设，马达流量连续方程为：

(3)

2.2.3 液压马达扭矩方程

马达转矩负载平衡方程为：

(4)

式中：T为马达输出转矩，N·m；J为液压马达轴上的总惯量，kg·m2；Bm为马达、负载粘性阻尼系数；G为弹性联轴器刚度，(N·m)/rad；TL为马达轴上干扰负载转矩，N·m。

2.3 各系统传递函数

对式(2)进行拉氏变换：

QL(s)=KXX(s)-KPpL(s)

(5)

对式(3)进行拉氏变换：

(6)

对式(4)进行拉氏变换：

T=Bmsθc(s)+Js2θc(s)+Gθc(s)+TL

(7)

整理式(5)～(7)并简化，忽略阀控马达弹簧负载。当G=0，可得液压马达输出的转角：

(8)

马达转角对阀芯位移的传递函数：

(9)

马达转角对外负载的传递函数：

(10)

2.4 转速传感器传递函数

将马达转速信号转换为电压信号输出:

(11)

式中：Us为转速传感器输出电压，V；Km为转速传感器增益。

对式(11)进行拉氏变换：

Gθ(s)=Kms

(12)

2.5 马达比例控制系统传递函数

根据以上公式，可得系统开环传递函数：

(13)

参照文献[10]中参数处理的办法，结合本系统，得出表2数学模型参数。

表2 数学模型参数

将表1和表2中的参数代进式(13)，得到系统的开环传递函数为：

(14)

根据式(14)，采用时域分析的方法，求解控制系统闭环特征方程的根的方法来判断系统的稳定性，即，如果求解的根实部大于零，则判断系统不稳定，非线性。反之，则系统稳定[11]。利用Matlab对式(14)求解其闭环特征方程的根，求解程序如下[12]：

num=2850000;den=[1 90 1000 0];

s=tf(num,den);

sys=feedback(s,1);

roots(sys.den{1})

程序运行后可得：

ans =

-1.7616 + 0.0000i

0.4308 + 1.1968i

0.4308 - 1.1968i

根据计算结果，可知马达同步控制系统为非线性系统。因此，需要加入相应的控制算法，以提高系统的同步控制精度。

3 自整定模糊PID控制器设计

3.1 控制原理

控制原理如图3所示。系统反馈误差E和误差变化EC为输入，匹配模糊规则，整定出调节PID参数的调整量，即ΔKp、ΔKi、ΔKd。在系统运行中，呈现动态变化，不断检测，并适时修正，以达到控制预设的目标值。此控制器适应系统内部参数变化，克服外界干扰的能力强，使被控对象具有良好的动态和静态特性[13]。

图3 控制器工作原理

3.2 控制器设计

运用Matlab/Simulink软件对自整定模糊PID控制器进行设计。

3.2.1 各变量隶属度函数的确定

如图3所示，定义E和EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊子集及含义为{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}；定义论域的范围在[-6，6]；在模糊逻辑工具箱的隶属度函数编辑器中，将输入量E和EC的隶属函数选为高斯型，输出ΔKp、ΔKi、ΔKd的隶属函数为三角形[14-15]。

3.2.2 参数隶属度函数曲线设计

模糊控制编辑器如图4所示。