崔志誠

（西安石油大學(xué)，西安710065）

0 引言

鐵鉆工是鉆機(jī)在自動(dòng)化鉆井過程中的配套設(shè)備，能在完成鉆具高效率地上扣、卸扣及緊扣、沖扣等工作的同時(shí)保證工人的安全。鐵鉆工控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度會(huì)影響到其操作的方便程度，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及工作效率等性能[1]。目前，鐵鉆工的液壓控制系統(tǒng)多數(shù)是電液比例控制系統(tǒng)，即通過控制滑閥的開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制[2]。針對(duì)這種情況，提出采用PID控制，PID控制器具有參數(shù)在線整定的功能，利用這一功能進(jìn)行對(duì)電液比例系統(tǒng)的PID控制。首先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后利用FluidSIM軟件進(jìn)行仿真，從而分析電液比例壓力系統(tǒng)的PID控制效果。

1 鐵鉆工電液比例控制系統(tǒng)的組成

鐵鉆工主要由底座、運(yùn)移裝置、鉗體（旋扣鉗、扣鉗、背鉗）及夾緊油缸、沖扣油缸、旋扣馬達(dá)等組成的，是一個(gè)多液壓缸電液比例壓力控制系統(tǒng)[3]。由于每一個(gè)液壓缸都是一個(gè)獨(dú)立的壓力控制系統(tǒng)，所以本文只選擇其中一個(gè)液壓缸的壓力控制進(jìn)行研究，對(duì)該液壓缸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后再進(jìn)行仿真分析。電液比例壓力控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 壓力控制系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)收到指令裝置給定的一個(gè)電壓信號(hào)ur，此時(shí)液壓缸的輸出壓力為Fg，壓力傳感器在測(cè)到該壓力后，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)uf并將其反饋到輸入端。PID控制器將uf與ur進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)值不相等時(shí)，控制器對(duì)得出的偏差信號(hào)ue進(jìn)行運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大器放大，然后輸入電液比例閥，驅(qū)動(dòng)閥輸出壓差，壓差作用在液壓缸上[4]，使其輸出的驅(qū)動(dòng)力向著偏差減少的方向變化，直到偏差為零為止。

2 鐵鉆工電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

（1）PID控制器

PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

PID控制器通過比較給定值r(t)和實(shí)際輸出值c(t)得出控制偏差：

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

將偏差通過線性運(yùn)算得出控制量，從而控制被控對(duì)象。其控制規(guī)律為：

式中Kp—比例系數(shù)；

T1—積分時(shí)間常數(shù)；

TD—微分時(shí)間常數(shù)。

（2）比例放大器

u(t)=Kfe(t)

式中Kf—為比例放大器的增益。

圖2 PID控制系統(tǒng)原理框圖

（3）電液比例閥

液壓油在電液比例閥里流動(dòng)的過程會(huì)造成局部的壓力損失，利用這一原理，電信號(hào)可以使閥的出口及入口間的壓差成比例地變化。在系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)小于電液比例閥的頻帶寬度這一前提下，電液比例閥的輸出壓力為：

p(t)=Kbi(t)

式中Kb為電液比例閥的增益。

（4）液壓缸

①滑閥負(fù)載流量方程

qL=kqxv-kcpL

式中kq—滑閥流量增益；

xv—閥芯位移；

kc—滑閥流量壓力系數(shù)；

pL—負(fù)載壓差。

②活塞流量方程

式中Ap—液壓缸活塞面積；

xp—液壓缸輸出位移；

t—時(shí)間變量。

③活塞力平衡方程

液壓缸的輸出驅(qū)動(dòng)力：

式中mt—活塞及負(fù)載質(zhì)量；

Bp—活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù)；

k—負(fù)載的液壓彈簧剛度。

（5）壓力傳感器

uf(t)=kfppL

式中kfp—壓力傳感器的增益；

pL—液壓缸進(jìn)油腔內(nèi)壓力。

3 基于FluidSIM的仿真分析

3.1 建立仿真模型

基于對(duì)電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，現(xiàn)利用FluidSIM軟件對(duì)其進(jìn)行PID控制仿真及分析，電液比例PID控制系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 電液比例PID控制系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果和分析

采用PID控制時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在輸出值還沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象，具有平穩(wěn)的控制過程。PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.1s，具有較快的響應(yīng)速度，無靜態(tài)誤差。由此得出，PID控制方法的超調(diào)量及穩(wěn)定時(shí)間小，控制性能高，動(dòng)態(tài)性能好。

為測(cè)試系統(tǒng)的隨動(dòng)性能，對(duì)系統(tǒng)輸入正弦信號(hào)，仿真結(jié)果見圖5。

液壓缸、模擬壓力傳感器、信號(hào)發(fā)生器的正弦響應(yīng)曲線如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)液壓缸活塞完全伸出后，負(fù)載加載到液壓缸上，在穩(wěn)態(tài)誤差內(nèi)能以較高精度跟隨輸入控制信號(hào)的變化而變化。當(dāng)活塞桿縮回的瞬間，由于壓力的瞬時(shí)變化，壓力傳感器的輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)振蕩，屬正?，F(xiàn)象。

圖4 PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖5 正弦響應(yīng)曲線

4 結(jié)語

由于鐵鉆工的液壓比例系統(tǒng)參數(shù)變化程度較大且有負(fù)載干擾，性能要求無法通過一般控制方法得到全部滿足。通過建立PID控制器，根據(jù)偏差的變化和偏差變化率的大小，使PID參數(shù)自適應(yīng)變化，這樣可以省去繁瑣的人為參數(shù)調(diào)試過程。該系統(tǒng)具有自適應(yīng)調(diào)整能力，能夠很好地適應(yīng)不同的環(huán)境，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

[1]趙金峰.TZG216-110型鐵鉆工控制系統(tǒng)的研究[D].蘭州理工大學(xué),2008.

[2]韓慧仙,曹顯利.挖掘機(jī)正流量液壓系統(tǒng)的控制性能分析[J].機(jī)床與液壓,2012,40(08):100-102.[2017-10-08].

[3]吳愛萍,趙世剛,劉翠潔,張建.海洋鉆井平臺(tái)鐵鉆工主要結(jié)構(gòu)形式淺析[J/OL].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015,28(05):16-17+21.(2015-10-27)[2017-10-08].

[4]郭聯(lián)金,潘斌.基于FluidSIM的電液比例壓力控制系統(tǒng)的建模及仿真[J].煤礦機(jī)械,2016,37(01):222-225.[2017-10-08].DOI：10.13436/j.mkjx.201601094