可控偏心器定位总成双向液压控制系统的建模和分析

　　0 引 言

　　西安石油大学井下测控研究所已经研制出的I型、II型可控偏心器XTCS样机的定位总成,只能控制翼肋的伸出,也就是只能实现位移的单向控制,在泥浆泵工作时翼肋无法收回,在停泵时才能收回翼肋。如果需要进行位移合矢量的重新调整,必须关泵将翼肋完全收回,重新进行调整。这种控制方案,不能实现位移的真正闭环调节与控制,增加了钻井工具的使用难度。针对该问题在III型可控偏心器的研制方案中进行改进提出井下控制系统采用双向控制方案,能够在不停泵的情况下,实现对偏心位移矢量的双向控制,此方案将可以减少关泵次数,大大提高钻井效率^[1]。

　　1 定位总成双向液压控制系统的构成

　　定位总成是一套液压定位控制系统,它由机械、液压和电气三部分构成,系统原理如图1所示。机械部分包括隔离膜、定位缸、平衡囊、单向阀和工作密封腔,电气部分包括电磁阀、位移传感器、压力传感器和微控制单元。机械的微控制单元是一块采集存储和电磁阀控制电路,可以实现压力传感器、位移传感器数据的测量和电磁阀开关状态的控制。定位总成的核心部件是电磁阀和定位活塞缸,驱动三个翼肋的定位总成的结构是相同的^[2]。

　　2 定位总成双向液压控制系统的数学模型

　　在实际的钻井过程中系统的驱动压力由泥浆动力提供,电磁阀的开阀时间是预先设定的钻井工作参数,在驱动压力发生变化的过程中电磁阀开阀时间保持不变。为了能够更好的分析系统的性能,先对系统输出影响较大的电磁阀和定位缸进行建模,然后再建立双向控制系统的模型,如图2所示。

　　可控偏心器的定位控制系统主要由控制器、电磁阀和定位缸组成,整个的液压系统与我们的电气单元通过执行元件(或称机电转换元件,即电磁阀)和反馈测量元件(位移传感器)有机的结合,组成了一个完整的闭环液压控制系统^[3]。

　　要建立该整个液压控制系统的数学模型就有必要对这套液压控制系统的每一个环节给予适当的数学描述,即传递函数的建立,如图2所示,然后应用理论知识将所有环节的传递函数通过推导与组合,最终合并成为一个总的描述整个系统的传递函数,这样我们就可以对它运用控制理论进行特性分析与系统评估。转换后的传递函数(简化后)如图3所示。

　　得到系统的开环传递函数为:

　　根据以上框图得到最终的系统总传递函数为:

　　3 求解具体的传递函数数值