CN105893683B - 基于加权的钻井平台升降单元传动效率仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
基于加权的钻井平台升降单元传动效率仿真方法及系统，包括以下步骤：(1)对钻井平台升降单元传动装置进行建模；(2)将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模型进行处理；(3)进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；(4)对仿真数据等时间间隔进行采样，得到多组离散数据点，进行效率值初始计算；(5)将所得的效率值通过加权最小二乘法进行拟合，得到效率曲线。本发明与现有的方法对数据离散程度的评价标准不同，弱化了离散程度大的数据点的影响，更强调离散程度越小的数据信息，计算过程的抗干扰性相应增强，得到的效率曲线计算结果也更加符合实际。
Description
技术领域
本发明涉及钻井平台仿真的技术领域，尤其涉及基于加权的钻井平台升降单元传动效率仿真方法及系统。
背景技术
目前利用多体动力学分析软件，能够进行钻井平台升降单元行星齿轮机构的模型仿真，获得齿轮机构的输入/输出的转速与输入/输出的力矩，但是由于齿轮轮齿的碰撞啮合所引起的接触力变化，以及数值计算中存在的误差，得到的仿真数据是波动的，存在若干极值点。
在现有的技术中，每隔一段时间采样一次得到一组仿真数据点，再对所得到的多组离散数据点采用最小二乘法进行拟合，从而获得效率曲线。最小二乘法的缺点就是对所有数据是等权重处理，数据离散程度越大的点，与平均值的差越大，平方后也进一步放大；数据离散程度越小的点，则效果相反，因此最小二乘法容易受到极值点的影响，存在着对数据离散程度的评价标准单一，得到的结果不一致，仿真效果不理想的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种弱化极值点影响的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法。
本发明的另一个目的在于提出一种基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真系统。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，包括以下步骤：
(1)三维建模：对钻井平台升降单元传动装置进行建模；
(2)模型处理：将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模型进行处理；
(3)仿真分析：进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；
(4)传动效率初始计算：对所述仿真数据等时间间隔进行采样，得到多组离散数据点，进行效率值初始计算；
(5)加权最小二乘法拟合：将所得的效率值通过加权最小二乘法进行拟合，得到效率曲线。
进一步说明，所述仿真数据包括电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速。
进一步说明，所述三维建模是通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行建模。
进一步说明，所述对模型进行处理包括如下内容：
A创建完整个实体装配模型，对部件进行简化，将独立运动的部件整体保存为.x_t文件格式；
B将零部件导入Adams中，设置系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质量信息；
C建立Adams动力学仿真边界条件，确定各构件的相对运动关系，附加初始条件。
进一步说明，所述仿真分析进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转矩，仿真时间、求解器和仿真步长来运行仿真，并输出所述仿真数据于文本文件中。
基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真系统，包括三维建模模块、模型处理模块和仿真分析模块，还包括传动效率初始计算模块和加权最小二乘法拟合模块，所述传动效率初始计算模块包括仿真数据的效率值初始计算；所述加权最小二乘法拟合模块包括加权最小二乘法的拟合。
进一步说明，所述三维建模模块包括通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔的建模。
进一步说明，所述模型处理模块包括根据Adams机械系统分析的需要对模型的处理。
进一步说明，所述仿真分析模块包括进行虚拟样机的仿真以及仿真数据的输出。
本发明的有益效果：本发明提出的所述钻井平台升降单元传动效率仿真方法与现有的方法对数据离散程度的评价标准不同，为避免极值点的影响，通过加权最小二乘法对数据进行权重分配，即对不同的效率计算值加不同的权重，从而弱化了离散程度大的数据点的影响，更重视离散程度越小的数据信息，结果一致性更好，使对钻井平台升降单元传动效率的仿真效果更加准确、直观、方便，计算过程的抗干扰性相应增强，得到的效率曲线计算结果也更加符合实际。
附图说明
图1是本发明一个实施例的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真系统的框架图；
图3是本发明一个实施例的钻井平台升降单元传动装置仿真结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，包括以下步骤：
(1)三维建模：对钻井平台升降单元传动装置进行建模；
(2)模型处理：将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模型进行处理；
(3)仿真分析：进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；
(4)传动效率初始计算：对所述仿真数据等时间间隔进行采样，得到多组离散数据点，进行效率值初始计算；
(5)加权最小二乘法拟合：将所得的效率值通过加权最小二乘法进行拟合，得到效率曲线。
所述钻井平台升降单元传动装置为行星齿轮机构，由于齿轮轮齿的碰撞啮合所引起的接触力变化，得到的仿真数据是波动的，因此在各个仿真数据中，大部分的数据点较为集中，并存在若干极值点。若将仿真数据直接进行传动效率的计算，计算结果波动较大，在现有技术中通常是分段时间间隔进行采样，得到多个离散的数据点，最后对多个离散的数据点直接用最小二乘法进行拟合，获得效率曲线；但最小二乘法对所有数据是等权重处理，天然地更强调异常数据，即数据离散程度越大的点，与平均值的差越大，平方后也越大；数据离散程度越小的点，则效果相反；而本发明提出的所述钻井平台升降单元传动效率仿真方法与现有的方法对数据离散程度的评价标准不同，为避免极值点的影响，通过加权最小二乘法对数据进行权重分配，即对不同的效率计算值加不同的权重，从而弱化了离散程度大的数据点的影响，更重视离散程度越小的数据信息，结果稳定，使对钻井平台升降单元传动效率的仿真效果更加准确、直观、方便，计算过程的抗干扰性相应增强，得到的效率曲线计算结果也更加符合实际。
所述加权最小二乘法的具体步骤如下：
设m次独立采样，得到m组效率计算值：
(t1,z1),(t2,z2),…(tm,zm)，其中ti为时间，zi为效率值；
通常z的未知函数可用f(t)表示，即f(t)是根据m组数据的分布情况来确定：为了方便计算，采用多项式表示：
f(t)＝X1+x2t+…xntn-1
其中x1,x2,…,xn为n个待定的未知数。
由于不同计算范围内的z值，仿真精度往往是不同的，因而误差也不相同，因此对不同的效率计算值加不同的权重，即求解如下问题：
选择f(t)的参数，使得效率值zi与对应的函数f(ti)的偏差加权后的平方和为最小，即求解一个函数最小化问题：
其中wi为对不同数据所设置的不同权重系数，ei为效率值zi与对应的函数f(ti)的偏差；
上述方程可以用求多元函数极值的必要条件来手工求解，或者可以在Matlab中建立相应的优化函数来求解。最后用求出的系数x1,x2,…,xn作出效率曲线f(t)。
进一步说明，所述仿真数据包括电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速。
为了进行传动效率值的计算，则所述仿真数据包括对电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速的输出数据，即传动效率值＝(输出齿轮单元负载×输出齿轮转速)/(电机转矩×电机转速)。
进一步说明，所述三维建模是通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行建模。
所述钻井平台升降单元传动效率的仿真，是对齿轮、轴承之间的传动效率的仿真，首先需要在三维设计软件中对钻井平台升降单元建立三维模型，因此需要对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行建模，为后续的模型处理、仿真分析、传动效率初始计算和加权最小二乘法拟合提供模型基础，所述Solidworks软件在理论上可以采用其他三维设计软件替代，如用Pro/E代替。
进一步说明，所述对模型进行处理包括如下内容：
A创建完整个实体装配模型，对部件进行简化，将独立运动的部件整体保存为.x_t文件格式；
B将零部件导入Adams中，设置系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质量信息；
C建立Adams动力学仿真边界条件，确定各构件的相对运动关系，附加初始条件。
使用Solidworks软件生成三维模型，将其导入Adams机械系统后，进行上述的模型处理，对各构件添加运动副、接触力，以符合Adams机械系统分析的需要，从而满足钻井平台升降单元的仿真要求。
进一步说明，所述仿真分析进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转矩，仿真时间、求解器和仿真步长来运行仿真，并输出所述仿真数据于文本文件中。
在进行虚拟样机仿真后，将所述仿真数据输出至文本文件中，即获得升降单元的输入输出转矩、转速数据，以便于后续进行传动效率值的计算，进行加权二乘法拟合，提供数据基础。
基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真系统，包括三维建模模块、模型处理模块和仿真分析模块，还包括传动效率初始计算模块和加权最小二乘法拟合模块，所述传动效率初始计算模块包括仿真数据的效率值初始计算；所述加权最小二乘法拟合模块包括加权最小二乘法的拟合。
在所述钻井平台升降单元传动效率仿真系统设置了所述加权最小二乘法拟合模块，将通过所述传动效率初始计算模块所得到的效率值进行再次的加权处理，对数据进行权重分配，从而弱化了离散程度大的数据点的影响，选择离散程度越小的数据信息，避免了仿真数据中极值的影响，使仿真效果更加准确、直观、方便，使得到的效率曲线也更加准确。
进一步说明，所述三维建模模块包括通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔的建模。
通过三维建模模块对钻井平台升降单元建立模型，实现了钻井平台升降单元的对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔的仿真，为后续的模块处理提供基础。
进一步说明，所述模型处理模块包括根据Adams机械系统分析的需要对模型的处理。
所述模型处理模块进行所建模型的处理，是于Adams机械系统中，进行系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质量信息的设置，确定各构件的相对运动关系等，以满足钻井平台升降单元的仿真要求。
进一步说明，所述仿真分析模块包括进行虚拟样机的仿真以及仿真数据的输出。
由所述仿真分析模块在进行虚拟样机仿真，从而获得升降单元的输入输出转矩、转速数据的仿真数据，并将其输出至文本文件中，为传动效率初始计算模块和加权最小二乘法拟合模块提供数据基础。
实施例-基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法
如图1所示，基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，包括以下步骤：
(1)三维建模：通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的零部件齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行三维建模；
(2)模型处理：将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模型进行处理，对各构件添加运动副、接触力，以满足钻井平台升降单元的仿真要求；
(3)仿真分析：进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转矩，仿真时间、求解器和仿真步长来运行仿真，并获得并输出所述仿真数据电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速于文本文件中；
(4)传动效率初始计算：对上述仿真数据等时间间隔进行采样，得到多组离散数据点，并按照下式进行效率值初始计算：效率值＝(输出齿轮单元负载×输出齿轮转速)/(电机转矩×电机转速)；
(5)加权最小二乘法拟合：将所得的效率值通过加权最小二乘法进行拟合，得到效率曲线。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)三维建模：对钻井平台升降单元传动装置进行建模；
(2)模型处理：将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模型进行处理；
(3)仿真分析：进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；
(4)传动效率初始计算：对所述仿真数据等时间间隔进行采样，得到多组离散数据点，进行效率值初始计算；
(5)加权最小二乘法拟合：将所得的效率值通过加权最小二乘法进行拟合，通过加权最小二乘法对数据进行权重分配，即对不同的效率计算值加不同的权重，得到效率曲线；
所述加权最小二乘法的具体步骤如下：
设m次独立采样，得到m组效率计算值：
(t1,z1),(t2,z2),…(tm,zm)，其中t1,t2，…，tm为时间，z1，z2，…，zm为效率值；
z的未知函数可用f(t)表示，即f(t)是根据m组数据的分布情况来确定：为了方便计算，采用多项式表示：
f(t)＝x1+x2t+…+xntn-1
其中x1,x2,…,xn为n个待定的未知数；
对不同的效率计算值加不同的权重，即求解如下问题：
选择f(t)的参数，使得效率值zi与对应的函数f(ti)的偏差平方后的加权的和为最小，即求解一个函数最小化问题：
∑wiei 2＝∑wi[zi-(x1+x2ti+…+xnti n-1)]2
其中wi为对不同数据所设置的不同权重系数，ei为效率值zi与对应的函数f(ti)的偏差；
上述方程可以在Matlab中建立相应的优化函数来求解，最后用求出的系数x1,x2,…,xn作出效率曲线f(t)。
2.根据权利要求1所述的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，其特征在于：所述仿真数据包括电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速。
3.根据权利要求1所述的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，其特征在于：所述三维建模是通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行建模。
4.根据权利要求1所述的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，其特征在于：所述对模型进行处理包括如下内容：
A.创建完整的实体装配模型，对部件进行简化，将独立运动的部件整体保存为.x_t文件格式；
B.将零部件导入Adams中，设置系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质量信息；
C.建立Adams动力学仿真边界条件，确定各构件的相对运动关系，附加初始条件。
5.根据权利要求1所述的基于加权最小二乘的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，其特征在于：所述仿真分析包括进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转矩、仿真时间、求解器和仿真步长来运行仿真，并输出所述仿真数据于文本文件中。
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