（控制理论与控制工程专业论文）油管静水压试验装置自动控制系统设计.pdf

油管静水压试验装置自动控制系统设计 于伟华( 控制理论与控制工程) 王平( 教授) 诵矍 在油田采油、输油过程中，油管埋于地下，承受高温、高压、强腐 蚀，一旦出现裂痕或爆裂，将会影响生产，造成重大经济损失。因此， 油管在使用前必须进行静水压试验。静水压试验过程中试压压力高达近 1 0 0 m p a ，且油管两端分别加压，很容易产生压力不平衡的状况，过大的 压力差会损伤动密封头和其它试压设备，因此需要一套自动控制系统， 来平衡动密封头两端的压力。论文对油管静水压试验装置的液压系统进 行了深入分析和研究，设计了一套液压平衡自动控制系统。 该系统以可编程控制器为控制核心，电液比例溢流阀为执行机构， 液压缸为被控对象，采用机理建模和响应曲线建模方法，建立了液控单 向阀、增压缸、电液比例溢流阀等液压系统主要部件的数学模型，较好 解决了现有液压器件数学模型在静水压试验中不适用的问题。建立的液 压器件数学模型为非线性模型，考虑到试压过程中存在泄漏、液体压缩 等不确定因素，根据系统快速性、精确性要求，选用位置式p i d 算法对 系统进行控制，利用衰减曲线法整定了控制参数，用p l c 梯形图语言编 写控制程序，实现了p i d 控制。 通过m a t l a b 对系统模型进行仿真可以看出，加入液压平衡系统 后，整套设备运行更为稳定可靠，压力差低于要求值，液压平衡系统取 得了良好的拄制效果。 关键词：油管静水压试验、p l c 、压力平衡、p i d 算法 i i t h ea u t oc o n t r o l l i n gs y s t e md e s i g ni nt h e h y d r o s t a t i c p r e s s u r et e s t i n gf o rt u b i n g y u w e i h u a ( c o n t r o lt h e o r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gp i n g a b s t r a e t t u b i n gi sg r e a t l yn e e d e di nt h ep r o c e s s i n go ft h eo i lr e c o v e r ya n dt h eo i l t r a n s p o r t a t i o n b e c a u s et h e r ei sh i 曲p r e s s u r e ，h i g ht e m p e r a t u r ea n ds t r o n g c o r r o s i o nu n d e rt h eg r o u n d , i ft h et u b i n gc r a c k s , i tw i l lb es e r i o u st r o u b l et o m a i n t a i n a n di tm a y b eb r i n g sg r e a td a m a g e s ot h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r e t e s t i n gf o rt u b i n gi sn e c e s s a r y a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m ，as e to ft h e h y d r o s t a t i cp r e s s u r et e s t i n ge q u i p m e n tf o rt u b i n gi sd e v e l o p e d i nt h e h y d r o s t a t i cp r e s s u r et e s t i n g ，t h ep r e s s u r ei sn e a r l yi o o m p a , a n da l s ot h e p r e s s u r e sa r ep u ts e p a r a t e l yi nt h et w oe n do ft h et u b i n g ；i tw i l lb r i n gt h e p r e s s u r ee r r o r t o ob i ge r r o rw i l ld a m a g et h ed y n a m i cs e a la n do t h e r e q u i p m e n t , , s ot h eh y d r a u l i cp r e s s u r eb a l a n c es y s t e mi sg r e a t l yn e e d t h i s a r t i c l ei sd o n ea b o u tt h i s i nt h ea r t i c l e ，t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v e si su s e da s t h ea c t u a t i n ge l e m e n t , a n dt h ep r o g r a mi sd o n ew i t ht h ep l c i tr e a l i z e st h e e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i n g b e c a u s et h ee x i s t e n tm a t h e m a t i cm o d e l sa l e n o ts u i t a b l e ，s ot h en e wm o d e l so ft h ep i l o to p e r a t e dc h e c kv a l v e ，t h e p r e s s u r i z a t i o nj a r , t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v e sa n ds oo n a l ef o u n d e da c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mm o d e l i n ga n dt h er e s p o n s ec b r v e m o d e l i n g i no r d e rt or e d u c et h ee r r o r , t h en o n l i n e a rm o d e li sf o u n d , a n d t h e r ea l ea l s os o m eu n c e r t a i nf a c t o r si nt h ep r o j e c t ，s u c h 躺l e a k a g e ，l i q u i d c o m p r e s s i o na n ds oo n , s ot h ep o s i t i o n a lp i da l g o r i t h mi sc h o s e nt oc o n t r o l t h es y s t e m t h e na c c o r d i n gt ot h ed e c a yc u r v em e t h o dt om o d u l a t et h e ! i i p a r a m e t e r s t h em a t l a be m u l a t i o ni sf i n i s h e d i nt h ec o m p u t e r a tl a s t ， w r i t et h ep l cp r o g r a mt or e a l i z et h ep i d a c c o r d i n g t ot h ee m u l a t i n gr e s u l t ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r eb a l a n c es y s t e m w o r k sw e l l t h ee t t o ri sl e s st h a nt h el i m i t t h ea c c u r a c yi sv e r yh i g h k e y w o r d s ：h y d r o s t a t i cp r e s s u r et e s t i n g ，p l c ，h y d r a u l i cb a l a n c e ，p i d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：窍lf 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生躲童鱼孥 劬6 年月t 7 同 翩虢三j l z 矿移r 月，7 日 中国石油大学( 华东) 硕十论文第l 章前言 1 1 引言 第1 章前言 油田采油和输油过程中部会用到大量的油管，油管的质量关系到整 个采油过程能否顺利进行以及日后生产的可靠性等众多问题。油管在地 下承受高温、高压和强腐蚀，一旦产生裂痕或爆裂，维修或更换起来将 是非常麻烦的事，并有可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，国 家规定，油管在使用前一定要先进行试压，确保无误之后，方可投入使 用。国家标准和a p i 标准一致采纳用水压试验作为油管的最后检验方法。 因此，国内外长久以来研制了各种不同类型的油管静水压试验机，以满 足大量检测油管的需要。 以前，油管静水压试验机大多采用在套管螺纹端加丝堵的密封方式， 或极少数在接箍端径向密封而在螺纹端使用胶塞密封的试压方式，其密 封方式和加压方式都比较落后，且试压压力在2 0 m p a 左右，压力小，而 且前者由于螺纹部位受拉力较大，其破坏螺纹的情况时有发生，而且螺 纹受破坏后还不易发现。在加压方面，目前，国内自制的石油油管试验 机均采用三缸泵、试压泵或往复泵加压，但其可加压力低、使用寿命短、 维护困难。 随着石油工业的发展，各种石油专用管的需求量持续不断增加。尽 管油管的加工水平有了很大的提高，但由于受诸多因素的影响，静水压 试验机，仍然存在性能不完备，机构庞大，建造费用非常昂贵的诸多问 题。因此，研制高性能的静水压试验机既是保证进口油管质量、维护对 外贸易利益的需要，也是石油油管国产化进程发展的要求。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 鬻前言 1 2 静水压试骏设备应用现况 国际方面，以日本和德国的设备较为普遍，性价比较高，但进口价 掇对一般瓣嚣内厂家寒谈爨是苓太毙够接受霉? 憨，大概在8 0 0 t 5 0 0 万元左右，主要是机架腹部悬空结构，试压油管进入主机中心z 位正下 努蜃，壶剪刀式( 或直接式) 举秀髓势起，将其势至谈压王位，并完成试压。 工作方式为两端靠主、辅液缸伸缩来推动密封头移动，密封多为径向外抱 强制密封。这类枧型结构庞大，像接粱一撵，辕助机构繁多、复杂，且存 在压力补偿的问题，但优点是举升高度高，主机控制自定位功能较为齐 全，试压压力高达7 0 m p a 。 国内方面，迄今为庶，国内使用的静水压试验机主要有4 种形式i l l ： 痨6 0 7 0 笨钱，我黧叁学致诗熬试疆装置，采焉毫橇逶过瘦带带费 静轮在导轨上移动来满足不同管长的要求，两端密封主要靠机械化自动 浚紧爨丝堵头来爽褒，接气采鼹一凑壶久工教豢狡塞器，经娠嚣永冲至 另一端；加压多采用钻井队淘汰的三缸浆或购置试压泵来完成。由于多 数存在上丝墙头辩对不夔嚣粼伤或划嚣螺纹、像压不戆安瑗、系统戆耗 大( 5 0 k w 左右) 、胶塞损坏量大、潜在使用费用高、可试压力低( 一 2 0 m v a ) 等缺陷。 ”8 0 年代初，由我图冶金部门从德围、日本引进静水压试验设备， 现经匿内近2 0 年的使用、摸索，基本解决了易损传的国产化目瓤。这 期间，大庆石油篱理局参考日本进口设铸改型设计了第2 代静水压试验 机。该设备的密封方式一端为仿日本径向外抱强制密封( 援箍端) ，另一端 箍0 采用内麓胶塞，被水冲至螺纹端部靠长3 2 4 0 m m 的主液缸活塞杆端顶 死，夹紧则依靠电磁铁来完成。可同时试压2 搬，平均姆分钟能完成l 徽试压。设备视絮庞大，加压靠三缸高聪水泵来完成。该视基本无傈箧 状况可富，其噪声商、占地面积大、可试压力低( 仅2 0 m p a ) ，但是该机 燕雷内首次摆脱上丝堵试压的模式，代袭着莓内9 0 年代裙石油套管静承 愿试验机的水平。 2 中国，f i 油大学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 c ) 1 9 9 5 年以后，随着科学的发展和技术水平的提高，对静水压试 验机提出了更高、更新的要求。首先可试压力至少不低于a p i 规范所规 定的试验压力( 如n s 0 钢级5 英寸应为5 0 m p a 左右) ，密封方式不得采用 丝堵头来完成，保压压降不得大于1 等。国内先后有数家单位仿国外密 封圈或自制径向密封圈用于自己研制的设备上。但其密封头移动方式均 沿用长主液缸推动( 由于数百吨液压轴向推力作用下使活塞杆产生退让 性证明这种移动方式极易破坏高压工作下的密封圈) 。这些设备在不同程 度上均存在不足。截止目前，这些设备除兰州石油机械研究所( 以下简称 兰石所) 生产的第l 台可试压力达7 0 m p a ，保压l m i n 基本为零压降外， 其余均可试压力不超过4 0 m p a ，而因排气不可靠而造成保压压降过大， 但前述设备除兰石所采用增压缸来完成水压加压外，其余均采用三缸泵 或试压泵来完成水压加压。所有这些设备均采用的是依靠主液缸( 缸径 3 0 0 m r n 左右) 移送密封头，一旦压力波动达到o 5 m p a 左右，油套管就被 顶弯。但这些设备基本代表了国内第3 代静水压试验机的水平。 d ) 1 9 9 8 年兰石所，在充分总结第l 台水压试验机优缺点的基础上， 积极借鉴引进其他行业的技术优点，利用本所技术力量强，覆盖专业广 的优势，很快完成了其产品的更新换代。现在已开发出系列的石油油管、 套管静水压试验装置。已将我国的石油油管、石油套管静水压装置发展 至第4 代，密封头移送方式摆脱了传统的液压油缸推进的方式。 1 3 油管静水压试验控制方案 胜利油田设计的这套油管静水压试验装置，利用集散控制原理，采 用双工位浸水式全液压系统，系统最大配电功率1 5 0 k w ，最大工作压力 达将近l o o 兆帕。采用增压缸进行加压，密封头进行二次密封，保压性能 高，处理了压力同步的问题，安全性好，试压速度快，试验压力高，结 构简便，性能稳定，且费用低廉，一旦投入使用，将极大的方便油田的 各项工作运行。 根据油管静水压试验装置工艺要求和控制要求，自动化控制系统分 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第i 章前言 为三个主要组成部分，以可编程控制器( p l c ) 为核心的控制柜、踢上 位机( k i n g v i e w 软件) 为主体的实时通讯采集监控系统和图像监视系 统。可编程控制器为静水压实验装置的控制核心，对油管静水压试验装 置实现全自动控制或手动控制。上位机和可编程控制器实现联机通信， 将现场采集来的各种数据和设备运行情况在计算机中用动态画面的形式 显示出来，供操作者观察和分析。图像监视系统将对试验装置进行摄影 跟踪，以反映出油管静水压试验装置的现场情况。 1 3 1 自动试压过程及原理 油管静水压试验采用集散控制方法，下位机( p l c ) 分散控制，对 生产过程进行数据采集的控制，上位工控g t ( k i n g v l e w 软件编程) 集中 管理，对下位机进行监视和管理。同时工作车间安装有高清晰度的图像 监视系统，配置了工业摄像机以及高分辨率显示器。系统的具体结构如 图1 1 。 图l - l 控制系统方框图 总机械厂油管静水压试验装置采用双工位浸水式全液压系统。试压 装置的机械结构如图1 - 2 所示。 4 中豳符油大学( 华求) 硕十论文第1 章前荫 囤l 油管静求压试骏设备图 第一工位 第= 上盘 图l 3 油管静水压试骏暇理图 滋管静承殛试验豹试压致螽如图1 3 。试压漕管从壤教攀闽由传送巍 梅佟劐试压车闻，传送刭位酌漓管由顼辩敝矮蜀上辩黎童。当上辩架露 料时，顶升油缸动作，顶升架上升，将两根油管顶起，顺第一工位斜坡 滑蘩搂板1 ，项料缸2 动作上升，将第一报油管顶起，顺第二工位斜坡 溪至挡叛2 。确霆嚣稷试垂濑罄郡餮使嚣，壤舞絮下降懋承串，遴纷试 压试验。试压结柬后，顶升融升起，顶料瓤2 升起，将工位一的试联党 毕的油管顶到工能二。顶升缸上升到位，要高过出料架，顶料缸l 下降， 嚣羧试篷完毕豹浊营就滚到爨糕桨土，莠褒控水缸控水聪，缀据会接慧 否，由输出管线输出到适当麓辩辩场，之磊继续进行下缝的试压。 5 中国石油火学( 华东) 硕士论文第1 逝前言 试压过程中备部分工件如下图l - 4 。 圆鞠嚣 l j j 图l - 4 试压设备简图 当溪势旺下簿烈霞滋螽，圭演钰嚣遴褥淫管矮淘定寮骜头，裂霞蜃， 液压钳夹紧，密封头密封，通过增压缸增压，腿力到达预定值并保持一 定豹时阕不变露为合格。试垂竞牮，主演鲢和试压工俘镪压，然惹密势 头卸压，液压钳松开，擞油缸后退，最后顶出缸将试压油管顶出，顶升 絮上舞，卸料，试压过稷绩束。 1 3 2 可编程控制器 嚣蘩霆蠹努黪零莲竣验大繇袋焉霹缡程控懿器实瑗设鍪王佟魏鑫麓 化控制，配以计算机与p l c 通讯来完成数据与操作指令通讯、倍息存储 毽捶试验夔线，试验参数，实盼数据等镶惠戆黧示秘存姥) ，默及王嚣遭 稷的动画湿示等。可编稔控制器( p r o f f r a 舢a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简 称p l c ，是一势毅型控铡技术，窀鞋徽她理器努蒸疆，综会诗算巍技本、 自动控制技术和通信技术，迅速发展为现代工业生产自动化三大菠柱( 可 缡程控嚣l 器、枧器人和诗算机辅助设诗秘卷l 造) 之一。p l c 功貔强大、 通用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单易懂。鼠随着它与微机 技术、邋讯技术的不断融合，再翱上它的终部a ，口、d ，a 拓展模块，成 粥范围不断扩展歼来。它专为工妲控制而设计，编程简单直观。p l c 现 在主要分为三大派系：美国、默洲和日本。p l c 的品种多达4 0 0 多种， 其中包括莛国的a b 公司、德阕的s i e m e n s ，日本的松下、o m r o n 等等。 总税械厂油管静永驻试验装鬣中采用的是松下f p i o s h 系刿豹p l c ， 特点是运行速度快、程序容量大、指令功能多、抗干扰能力强、运行稳 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 定、性价比高。 在整套自动控制系统中，可编程控制器是油管静水压试验装置的控 制核心，实现整个试验装置的全自动控制和手动控制两种控制模式。自 动控制方式是静水压试验装置的正常工作方式。手动控制方式则是用作 调试设备、设备故障检修以及应急状态处理的使用方式，通过开关、按 钮控制各工位的单步执行。 自动控制方式的主要工作范围包括： 1 1 自动运行功能：按工艺流程，程序自动周期性地循环工作，只要 上料架有料，就会一直循环运行，除非当设备出现故障或设置为手动时， 自动运行模式才停止或等待。 自动分选功能：试验中同时进行两根油管的试压，当其中有不合 格的，系统要给出提示，并能显示是哪一根，然后将不合格品单独输送 到废料区。 3 ) 保护功能：系统能进行限位保护、非法操作或误操作保护、过电 压、过电流保护、压力值异常和位置错误保护等。同时，系统设置用户 登陆系统，设置不同的用户操作权限及加密系统。 4 ) 报警功能：当设备出现故障或各种数据出现异常时具备报警提示 功能。 在自动和手动两种控制方式下，都能够对生产线整个流程和各设备 进行实时检测，当设备出现故障或数据异常时都能及时报警，并自动停 止运行，保护设备，防止事故的发生。操作员也可以直接通过操作台上 的应急按钮处理特殊或紧急状况。 1 3 3 上位机k l n g v i 酬软件 组态软件也是一种新型的自动控制软件，它利用功能高度集成的高 功能专用模块，便利的通信、报警、监控、信息处理功能，将操作人员 从繁杂而重复的编程或图形操作中解放出来，将主要精力放在控制过程 处理上，大大提高了软件的开发速度和可靠性。目前流行的组态软件主 要有西门子公司的w i n c c 、w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 、i n t e c 的p a r a g o n 、 7 中国石油犬学( 华系) 硕士论文第1 潆前言 研华的g e n i e 、i n t e r l u t i o n 的f i x 、澳洲西雅特公司的c t t e c t 、北京亚 撩豹组态王( k i n g v i 暇) 、藏控等。k i n g v i e 霉功韪强大鼹性能霹靠、性 价比很岗、编程风格简单、实时性能好，全中文界面、而且与其它应用 穗序交羧筒单方便、易予调试，在工控镶域获褥了广泛鹣应用秘认可， 怒国内工控软件的领头羊。组态王还集成了将邋两百种驱动程序，支持 大量的国内外流抒的p l c 、智能仪表、扳卡、变频器等。 该设计中使用的组恣软件就是北京驻控的k i n g v i e w 6 5 ，特点是入 机界面好、功能强、性能稳定。 藕髓组态壬软件在t 位税上设计篮靛赛面，通过和p l c 豹联视通信， 将现场采集来的数据和设备运行情况在计算机上用动态鲡面的形式进行 簸示，供攥律者控翩静分耩。缀态王主鬻可分为淤下凡个画面部分： 1 ) 圭画面：显示整个工艺流程的概貌。 萄分蘑蘑 燕暴部分工艺浚程翦穰貌。 二3 ) 报警画面：各个正位发生故障和异常时，显示故障工位，并进行 掇警。一 4 ) 寅时曲线画面：显示备正位水臌试验的实时压力一时问变化曲 绫，莲力变纯条形整。 5 ) 历史曲线画面：照示在定时间范围内的压力时间变化曲线。 6 ) 数擐总揽霆；显零试垂静洼管鼹撩( 势经、壁零、钢叛、艇厚与 甭等) 、试压要求( 压力值、稳臁时间) 、试验时间、试压结果( 实际压 力瞧、稳压对露、合格奄否) ，淤管序号、童动诗数等。 7 ) 数据报表；统计备种数掰和试联油管数嗣( 合格和不合格) 。可 以定时打印或人点操 # 进行打印。 8 ) 历史数据库；按用户需求对各种数据进行保存。 + 3 。4 嚣力目步乎舞系统的设诗 由予试压压力是接j 黩i o o m p a 的高愿，水腿又是个大滞厝环节， 豢辔疰敷秘圭潼港鄹簿分裂藏匿或露蓬辩，由予涝惹，惩力不缝嚣黠增 加，动密封头左端增压缸输出的高压压力与右端主油缸输出压力会产生 8 中国自油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 一个压力差，当两端压力差达到一定程度，就可能使油管错位、扭曲甚 至崩飞，导致试压失败。另外，压力差会使试压油管产生朝向一个方向 的作用力，会损伤密封头、液压钳等一系列主要设备和辅助设备，从而 引起可靠性降低，机械损害加大，维修费用增加，安全性能差等一连串 的问题。因此维持加压过程中试压油管两端压力的同步平衡，是必不可 少也是至关重要的。本课题就是针对压力平衡问题进行进一步地分析研 究，并在此基础上设计了一套保持试压过程中系统压力同步平衡的自动 控制系统。 压力平衡自动控制原理框图如图1 5 ，它是根据自动控制理论结合计 算机技术和可编程控制器技术，利用适当的算法处理，进行压力平衡控 制，维持压力稳定，解决了压力震荡的问题，减少甚至抵消压力延迟， 提高控制精度。 图1 - 5 压力平衡自动控制原理框图 设计的基本思想是：增压缸的压力经压力传感器转换成电流信号， 然后传送给可编程控制器的扩展模块a d 模块，进行模数转换，经过适 当的算法处理，再通过d f a 模块进行数模转换，输出信号用来控制执行 机构( 电液比例溢流阀) 来调节主油缸的压力，同时，将主油缸的压力 进行负反馈。 具体的机械结构原理图见图i - 6 。 9 批缸力 磊方油压 中国石油犬学( 华衣) 硕士论文第1 章前言 1 4 自动化控制系统的特点 自动化控制系统采用集散控制理论，现场采用各种仪表对生产过程 豹数据逡纾分数采集，p l c 实锤囊孛楚壤，毒鸯效熬避免邃菜一采撵熹 出现问题而使系统出现错误甚至瘫痪。对藿要的采样点实行正常采样和 投限采榉，放夏健自动按铡系统更搬稳定、霹靠。p l c 控裁点簧蟹骞一 定的裕量，以各将来扩火规模或扩充功能时增加操作点使用。止位机在 爱控枧上利用组态王软传，建立数据痒，制作动态画瑟，对整囊设备运 舒进行巯控和控制。另外，系统羁已备了商清晰度的摄像菰，能进行多磷 繇或单画蕊显示，可以在控制室内直接观看现场情况。 装鬣采用的怒日本松下f p l 0 s h 系捌可编獠控筋嚣，它豹特点是运 行速度快、程序容量大、指令功能多、抗干扰能力强、遮行稳定可靠， 究全满怼i 杰警静承压试验装置豹控制蘩求。上位税采用华魏工控税 i p 6 0 1 ，特点是防尘、抗震、适合在使用环境比较恶劣的工作现场使用。 嚣j 艺京鬟控缢态熏的祷煮是久稳器面友好、功能强、编程篱萃，操作籀 单，且运行稳定。 峦这整设备梅成静蠡动控翱系统稠窍运行帮霾、功畿齐全、投资低、 升级方便等特点，并且可为用户提供较为完善的系统信息和产晶信息， 减轻了系统维护豹工作爨，极大熬改善7 搽孛# 员静劳动强度，翳显提嵩 了油管静水压试验的效率。 1 0 团 剐 埋 出 疑 岬 _ _ 圃 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 第2 章液压控制系统数学建模 在熟悉工程结构和自动控制方案的基础上，根据已有的原理框图， 建立相应系统的数学模型，是整个设计过程重要的一环建立的数学模 型的可靠性和准确性决定了控制方案选择的可行性和精确性，进一步影 响整套自动控制系统运行的稳定性和可靠性。建立适当的数学模型后， 才能根据被控对象的数学模型寻找适当的控制算法。 2 1 电液换向阀 在实际液压系统中，几乎所有 由定向泵供油的系统，其执行元件 的换向都是由换向阀来实现的。换 向阀是利用阀芯和阀体间的相对运 动，来变换阀后的油流方向或截断 油路来进行方向控制的。按改变阀 图2 - 1 电液换向阀 芯位置的操纵方式不同，换向阀可分为手动、机动、液动、电磁和电液 换向阀。 如图2 - 1 ，电液换向阀是电磁阀和液动阀的组合形式，简称电液阀， 它的位数由电磁阀决定。根据工程要求，采用电液阀而不是电磁阀或液 压阀的原因是控制方便，可实现远程控制且可带大容量负载。 为了提高液控单向阀的定位精度，减少主油缸内部活塞的后退距离， 静水压试验装置内采用的是三位四通的y 型电液换向阀，当换向阀处于 中位时，油缸两端同时都与油箱连通，液控单向阀立刻关闭，活塞就立 即停止运动，达到很好的嵌位效果。 根据工程中的压力关系可将电液换向阀( 包括单向阀的辅助作用) 建立模型为： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 g 舻，：兰篡薹淼：l ：2 l o卸压过程，换向阀打开，t 2 t r 3 f 警。g ( t ) 纠e ( t 卜e ( t - t z ) p r 昂( 洲* 一熹只( s 产扣e 咄) 击删 g l ( s ) 5 鬻2 e 咱) 而1 伢t ， g i ( s ) = 1 s ( 1 - e - ) 志 ( 2 - 2 ) 图2 - 2 电液换向阀仿真图 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 2 2 增压缸 增压缸结构如图2 3 ，在同一个活塞杆 上的两个活塞直径不同，根据活塞杆受力平 衡原理，静态情况下，p t 4 2 p ：以，由此 q 可得p ：2 鲁p - 因此，当低压油a 进入缸 图2 3 增压缸 左端时，活塞向右运动，输出高压油办。面积4 和a ：的差越大，在p 。相 同的时候，输出的p ：值越大，但输出流量越小。反向通油时，活塞杆左 移，是空回程，无高压油输出。若需连续输出高压油，则需要对活塞和 活塞杆的结构和连结方式进行改进，并加上控制油路，才能连续输出高 压油。 增压缸使用的场合主要有： ( 1 ) 一般泵很难达到的高压系统，例如3 2 m p a 以上的系统。 ( 2 ) 系统的局部回路需要特别高的压力，或系统需要间歇的高压 ( 3 ) 增压缸还可用于不同介质的压力转换。 根据增压缸的工作原理，考虑泄漏等问题，列出时域的物理方程： + 旦亟 9 | 出 玩宰+ + p z 一2 g t 式中：q 负载流量( c m 3 s ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 辱q(s)=kq xv(s)擞-kcp i ( s ) ：驰m 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 处理得：】，( d 2 刍【( 疋+ 巳- + 老s ) 墨( j ) 一k q x , ( 州 ( 2 - 3 ) 根据上面的式子画出系统的结构框图，分别为： x ，( s ) q ( s ) 1 6 y ( s ) 置( s ) 只( s ) d 芝 ， 生4 0 丑 d h l 一见 g 丑 一 什 髟 巳 吃 一 k + d f ， ( ) 以 巧 4 ，一4 = i l = 9 q 最 厂，l 只 j 0 i 一屐 h t 吩 钳 们 旧 什 n 尾 ， 纠 = 一2 鲈 以 疋 驰 - 妒 4 4 “ = x d 巧 以 、_j、一， 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章系统建模 只( s ) y ( s ) 由上三图，以只为输入，b 为输出，x ，为干扰，综合得增压缸的结 构框图为： x 。( s ) 图2 - 4 增压缸动态结构框图 根据结构框图求出系统的动态传递函数： g 2 ( s ) 2 器2 丢+ 者( 蜓十巳- + 老一) ( 脚s 2 + 皿s + g ) 2 a - 差- 1 + 孑1j 1 ( t + + 去州材十吃s + g ) 】 ( 2 4 ) 由于增压缸所带负载为水，在加高压( 1 0 0 m p a ) 的过程中，考虑液 体压缩可看成是一个弹簧机构，所以不考虑m ，又因为油管内的水几乎 没有位移，所以可以不考虑羼，即m = o ，眈= o ，原传递函数可简化成： 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 g ：( d 2 鲁【1 + 孑1i 1 ( 托+ 巳t + 岳s ) g 】 。石a 1 【1 + 孑gi 1 ( 丘+ 巳t + 蒡删 2 乏+ 丽g 去+ 旦a t & a t aa t c c p 42 见 “。 5 若不考虑增压缸的泄漏，原传递函数则变为： a 2 ( s ) 5 石a t + 瓦g 万e + 者丘 具体己知数据和计算数据如下： 增压缸原动缸直径d l = 2 5 e m ， 增压缸输出缸直径d 2 = 1 2 5 c m ， 增压缸行程l - - 9 6 c m ， 增压缸的泄漏系数c 一- - 0 5 4 2 x1 0 - 1 1m 5 n s ， ( 2 5 ) ( 2 6 ) 增压缸的流量压力系数k 。- o 0 2 5 8 c m n 。鳓2 5 8 x1 0 1 1m n 。s 增压缸原动缸体积k = 吁d i ) ：i l ：拦) 29 - 娑6 = 2 3 5 6 2c m 3 - - 0 0 2 3 5 6 2 所3 ， 22 原动缸活塞面积4 = ( 莩) 2 = - 4 9 1 c m 2 = 0 0 4 9 1 坍2 ， 输出缸活塞面积爿2 = 靠( _ 1 2 - 5 ) 2 。1 2 3 硎2 = 0 0 1 2 3 m 2 ， 液压油的体积模量见= z x r , v 矿；3 0 1 0 6 撩= 1 2 1 0 9 p a ， 但由于液体介质中混有空气以及液压系统中管道的弹性都会使油液 的体积模量值会下降，所以考虑上述因素后，液体的体积模量称为当量 体积模量，该值在待研究的液压系统中应该用实测法求得，若无实测条 1 8 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章系统建模 件，则可采用经验值。上式计算数据即为试验测量计算获得。 通常物体的弹性模量e ( 体积模量) 和密度p 、弹性波的传播速度c 之间存在下述关系： 纯水p = l g c m 3 ，c = 1 5 0 0 m s ，则e = 2 2 5 g p a ，该值为静止流体的弹性模 量。对于高速流体( 流速为v ) 的弹性模量e ，应用c + v 代替c ，则 瓦= p ( 1 + 兰) 2 ， 即水的弹性模量随流速递增。由上面计算得： 水在1 0 0 m p a 时的体积模量卢森- - 2 2 5 g p a 。 棚4 度o = 警2 芈一o s a ， 表2 - 1 试压油管的各项参数表 计算数据 外径壁厚重量长度 内腔截面 水刚度规格内径 ( m m ) ( m m )( 埏)( m m ) ( 1 n n l ) 积( m m 2 1 n m 2 2 23 86 0 34 8 34 6 05 5 4 72 4 1 5 4 1 0 6 3 2 27 87 35 5 16 4 09 8 0 06 7 4 93 5 7 7 4 1 0 6 4 8 31 28 8 96 4 59 8 08 2 4 55 3 3 9 1 1 0 6 先取3l 2 型号的油管建模，其他相似。则水的刚度g = 4 8 1 0 6 n m 。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 将选好的数据带入所求传函得： 啪) 。丢+ 丽g 去+ 旦a 1 a 2 ( 墨岷) ：业 4 8 1 0 6 0 0 2 3 5 6 2 0 0 1 2 3 0 0 4 9 1 0 0 1 2 3 1 0 “三；4 + o 1 5 6 + 0 0 6 3 5 8 三 jj ：4 1 5 6 + o 0 6 3 6 三 1 2 1 0 9 。兰：! ：! q ! x o s x o 0 4 9 l 0 0 1 2 3 若不考虑增压缸的泄漏，原传递函数则变为： g z 妒鲁+ 丽g 鲁+ 者疋 ( 2 - 7 ) 2丽0049100 1 2 3 + 盎00 4 9 鬻100 6 - 1 2 3 器1210+羔00 4 9 100 1 2 3 o - 2 s s ， 。 1 0 州三叫1 5 6 + 0 0 2 0 5 0 4 5 5 三( 2 - 8 ， 利用m a t l a b 对考虑泄漏的模型传函进行仿真，结果如下图2 5 ： 表 邋 ；l! ；： ：l： ”“- 一- - ：；： ： ：，： i ! ! i； j ； ；： l； r p r 一扩 !t!t ： ；i； l 时阉 图2 - 5 增压缸单位输入响应图 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章系统建模 2 3 电液比例溢流阀 电液比例溢流阀是一种按输入的电流 信号连续地、比例的控制液压系统中压力 的控制阀。电液比例溢流阀的结构如图 2 - 6 ，它的特点是在常规的溢流阀基础上， 由直流比例电磁铁( 又称电磁力马达) 取 代手动调节螺丝，用电动代替手动。由其 构成的电液比例控制系统，可以发挥电气 和液压的优点，能连续地，按比例地控制 图2 - 6 电液比伊隘流阔 执行机构的速度、力和方向，并防止液压冲击现象。根据工程中使用器 件说明书中给定的器件响应曲线，利用非线性回归建模和m a t l a b 多项 式拟合方法建立器件的数学模型。 2 3 1 压力一时间曲线 1 o 7 5 一 燃0 荐 菇 输入电藏骱跃德等 00 23466789 1 0 时随。 图2 7 输入的电流信号 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 力ll ； 。，j i 。 ，ii；： 川| | ： ： f： 时博 图2 8 输出的电压信号 由图2 7 和图2 - 8 得，当输入阶跃信号a i - - 0 8 2 a 时， 输出变量变化为p = 2 5 m p a 。 只：2 5 0 6 3 2 = 1 5 5 7 5m p a 由图查得t 卸0 3 s ， 设电液比例溢流阀的静态压力一电流比为足。， 则电液比例溢流阀的传递函数可写为g 3 = 石丽g i ( 2 - 9 ) 2 3 2 压力一电流曲线 由图2 - 9 可知，p 与i 并非纯比例关系，即墨2 号不是常数 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章系统建模 璧 采 硝 # 一一 图2 - 9 压力电流曲线 利用m a t l a b 编程，进行曲线拟和，求出压力- 电流 d e ； c l e a ra l l ； i = o 0 0 5 ，0 0 1 ，0 0 2 5 ，0 0 5 ，0 0 7 5 ，0 1 ，0 1 2 5 ，0 1 5 ，0 1 7 5 ，0 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 ，0 6 ，0 7 , 0 8 】； p ：【l ，l ，l ，l ，1 2 5 ，1 7 ，2 1 5 ，2 6 5 ，3 2 5 ，3 9 5 ，6 9 8 ，1 0 5 ，1 3 7 5 ，1 7 5 ，2 1 ，2 5 】； p l o t ( i ，p ，t r - ；画p i 曲线 q = p o l y f i t ( i ，p ，4 ) f - 节l y v a l ( q ，i ) ； f i g u r e ； p l o t ( i ，p ， o o ，i ，。一) ；拟和 由拟合得： p = 8 4 9 2 1 4 ，4 1 6 6 8 3 8 4 ，3 + 1 2 1 2 2 5 0 ，2 3 6 5 6 4 ，十o 9 9 0 2 拟合曲线如下图2 - 1 0 ： 中国石油大学( 华系) 硕士论文第2 章臻统建模 蓬 “ i；i l： - 一 一一；一 ； f： !i； l： ；i 一；- l 一“ j； ii； 量! ll! i i- ：；： 一* 。；一。 ；：# ： 图2 1 0 拟和曲线 键入兹嚣艨求公式嚷= 五翥未得： p = ( 8 4 。9 2 1 4 1 4 - 1 6 6 。8 3 8 4 i + 1 2 1 。2 2 5 0 i 2 - 3 。6 5 6 4 i + 0 9 9 0 2 ) 1 0 。0 3 s + 1 用m a t l a b 仿真结采如下黼2 - 1 1 ： 嗽演比碉槛滤鞠单健瓣酝喷摩特t 煮曲缱 歪 4 - ， l 对辩 强2 - 1 1 邀滚毙例溢滚游挚霞除跃晌应熬线 ( 2 1 0 ) _ 囊筏邋 中国自油大学( 弗东) 硕士论文第2 章系统建模 2 4 主油缸 程液压传动与控制系统中各种工作 机械都是由油艇或浊马达来驱动鲍。油艇 适用予驱动行程不长的机构，用来实现往 复直线运动或复偏摆慈动( 摆动) ，输出 一定酌速度和维力。浦缸具有结构简单、 工作可靠等优点。在船舶液压传动与控制 系统、各类工程机械淤及辊徕液压传动 中，广泛使用油缸来完成各种运动。 图2 - 1 2 主油缸 撤据油管静水压试验中漓缸的工作过程，对油缸进行建模。 1 、当试艨王舞到使磊，圭油缸推动工释懿遴时的建模如下： g 啾v + 老鲁 p 椭鲁+ 趣v ( 2 1 2 ) 式中：q 负载流量( 铆1 3 s ) a 液凝缸活塞面积( e r a 2 ，s ) p 液压缸活塞移动速度( c r a 巧油敏的容积( 册3 ) 筑油液有效髂积弹梭系数0 鄂册1 2 ) p 渡救压力冬，渤2 ) m 负载质量( n s 2 i c m ) 或负载阻尼系数( n s l c m ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章系统建模 v 2 扣音冬， 协 将式( 2 - 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) 得： p 椭三牮呻一冶 ：一m 生m 一旦堕+ 里。一生旦尘 ad ta9 | d t la l a6 ；a r t 尸( s ) a = 署s q ( d + 署岳s 2 耶) + 鲁) 一鲁鲁s p p 附三署s 2 + 鲁岳s 产q c 吼署s + 鲁， m “ 一器。蒋s + u 2 雨m s + b 。( 2 1 4 ) ap tap t p 。jp | 具体试验数据如下： ” d = 2 4 c m = 0 2 4 m ( 主油缸内直径) ，l f l 2 0 c m = 1 2 m ( 主油缸行程) ， 版= 7 0 0 0 0 n c m 2 = 7 1 0 8n m 2 ，m = 1 0 k 颤一批油管平均每根重量) ， b e 一1 0 3 2 n c m 2 = 1 0 3 2 0 0 n m 2 ，计算得 丌号，2 = 。“学，2 目s 2 舶册2 = o 肼s z t 6 聊2 ， k ；( 罢) 2 l - 3 “孳) 2 1 2 归5 4 2 5 9 2 1 0 3 硎3 = o 0 5 4 2 5 9 2 所3 。