CN106872192A - 一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台 - Google Patents

一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台 Download PDF

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Abstract

一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台，该实验台基于模糊PID控制器的主动式升沉补偿控制系统具有较好的补偿性能，能够补偿高低不同频率的升沉运动，并且补偿率都在70％以上，能够满足对升沉补偿器的补偿要求，但随着升沉运动周期的变小，补偿器的效果也变差。利用xPC target可以快速搭建实时控制系统，提高了控制系统的设计效率，减少硬件资源。利用LabVlEW建立xPC target实时控制系统上位机界面弥补了实时控制系统在监控参数方面的不足。

Description

一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台
所属技术领域
本发明涉及一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台，适用于机械领域。
背景技术
随着国家对海洋资源开发力度的提高及对海洋资源探索工作的深入，急需研发相关的海洋工程装备，其中钻柱升沉补偿装置是海洋钻探过程中重要的装备，其技术在欧美发达国家已经非常成熟，由于我国在海洋工程机械方面起步较晚，相关技术研发方面仍处于探索阶段，国内几所高校针对升沉补偿器搭建过模拟实验台并对其控制策略进行过模拟仿真，取得了一定研究成果。由于该装置造价昂贵，故在预研阶段以搭建实物模型为宜。
发明内容
本发明提出了一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台，利用xPC target可以快速搭建实时控制系统，提高了控制系统的设计效率，减少硬件资源。利用LabVlEW建立xPC target实时控制系统上位机界面弥补了实时控制系统在监控参数方面的不足。
本发明所采用的技术方案是：所述主动式升沉补偿系统由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠螺母、可变负载、目标机、宿主机、电液伺服阀、直线导轨、补偿缸、平台和滚珠丝杠组成。伺服电机1通过联轴器2带动滚珠丝杠11正反转，滚珠丝杠的正反转使得滚珠丝杠螺母3连接的平台10做上下升沉运动模拟船体周期性运动，平台另一端由直线导轨8限制其运动轨迹，补偿缸9固定在运动平台上，补偿缸活塞杆连接可变负载，模拟钻进过程中由于钻柱节数的增加所引起的负载变化。整套实验台实现最终的补偿效果是当平台(模拟船体)做上下升沉运动时，补偿缸活塞杆相对于地面尽量保持不动即模拟钻柱相对于海底保持静止。
所述升沉补偿控制系统采用基于Matlab/Simulink/xPC target的双机模式，该系统可将标准的PC机转换为一个实时控制系统，来实现控制系统的快速原型化、硬件在回路中的测试和系统半实物仿真等功能。
在安装有Matlab/Simulink的宿主机上建立Simulink控制系统模型，用RTW代码生成器和C编译器来产生可执行代码并上传到目标机上，目标机运行的是高度剪裁的实时操作内核，具有较高的执行效率，DOS是实时内核所需的基本系统，宿主机与目标机之间通过TCP/IP进行通讯，两者之间可以进行数据交换，宿主机上传控制程序和控制参数，目标机运行控制程序并回传实时数据，宿主机上可以对实时数据进行监控。
系统运行过程中拉杆式直线位移传感器把测得的平台和活塞杆位移信号输入到目标机，目标机上安装有PCI.NI数据采集卡，控制系统把活塞杆的位移量与固定值比较作为PID控制器的偏差输入量，经过PID控制器运算输出控制伺服阀阀位和开口大小的电压，该系统形成一个闭环系统。
所述实验台采用模糊PID的控制方案，模糊PID控制器具有鲁棒性和自适应的特点，升沉补偿期望位移与钻柱位移的差作为系统偏差e，模糊控制器根据系统偏差e和△e偏差率实时调节PID控制器参数。
本发明的有益效果是：该实验台基于模糊PID控制器的主动式升沉补偿控制系统具有较好的补偿性能，能够补偿高低不同频率的升沉运动，并且补偿率都在70％以上，能够满足对升沉补偿器的补偿要求，但随着升沉运动周期的变小，补偿器的效果也变差。利用xPC target可以快速搭建实时控制系统，提高了控制系统的设计效率，减少硬件资源。利用LabVlEW建立xPC target实时控制系统上位机界面弥补了实时控制系统在监控参数方面的不足。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的主动式升沉补偿系统模拟实验台原理简图。
图2是本发明的模糊PID控制器结构图。
图中：1.伺服电机；2.联轴器；3.滚珠丝杠螺母；4.可变负载；5.目标机；6.宿主机；7.电液伺服阀；8.直线导轨；9.补偿缸；10.平台；11.滚珠丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，主动式升沉补偿系统由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠螺母、可变负载、目标机、宿主机、电液伺服阀、直线导轨、补偿缸、平台和滚珠丝杠组成。伺服电机1通过联轴器2带动滚珠丝杠11正反转，滚珠丝杠的正反转使得滚珠丝杠螺母3连接的平台10做上下升沉运动模拟船体周期性运动，平台另一端由直线导轨8限制其运动轨迹，补偿缸9固定在运动平台上，补偿缸活塞杆连接可变负载，模拟钻进过程中由于钻柱节数的增加所引起的负载变化。整套实验台实现最终的补偿效果是当平台(模拟船体)做上下升沉运动时，补偿缸活塞杆相对于地面尽量保持不动即模拟钻柱相对于海底保持静止。
升沉补偿控制系统采用基于Matlab/Simulink/xPC target的双机模式，该系统可将标准的PC机转换为一个实时控制系统，来实现控制系统的快速原型化、硬件在回路中的测试和系统半实物仿真等功能。
在安装有Matlab/Simulink的宿主机上建立Simulink控制系统模型，用RTW代码生成器和C编译器来产生可执行代码并上传到目标机上，目标机运行的是高度剪裁的实时操作内核，具有较高的执行效率，DOS是实时内核所需的基本系统，宿主机与目标机之间通过TCP/IP进行通讯，两者之间可以进行数据交换，宿主机上传控制程序和控制参数，目标机运行控制程序并回传实时数据，宿主机上可以对实时数据进行监控。
系统运行过程中拉杆式直线位移传感器把测得的平台和活塞杆位移信号输入到目标机，目标机上安装有PCI.NI数据采集卡，控制系统把活塞杆的位移量与固定值比较作为PID控制器的偏差输入量，经过PID控制器运算输出控制伺服阀阀位和开口大小的电压，该系统形成一个闭环系统。
如图2，实验台采用模糊PID的控制方案，模糊PID控制器具有鲁棒性和自适应的特点，升沉补偿期望位移与钻柱位移的差作为系统偏差e，模糊控制器根据系统偏差e和△e偏差率实时调节PID控制器参数。

Claims (5)

1.一种 主动式钻柱升沉补偿模拟实验台 ，其特征是： 所述主动式升沉补偿系统由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠螺母、可变负载、目标机、宿主机、电液伺服阀、直线导轨、补偿缸、平台和滚珠丝杠组成。
2.根据权利要求1所述的一种 主动式钻柱升沉补偿模拟实验台 ，其特征是： 所述伺服电机 1 通过联轴器 2 带动滚珠丝杠 11 正反转，滚珠丝杠的正反转使得滚珠丝杠螺母 3 连接的平台 10 做上下升沉运动模拟船体周期性运动，平台另一端由直线导轨 8 限制其运动轨迹，补偿缸 9 固定在运动平台上，补偿缸活塞杆连接可变负载，模拟钻进过程中由于钻柱节数的增加所引起的负载变化。
3.根据权利要求 1 所述的一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台，其特征是：所述升沉补偿控制系统采用基于 Matlab/Simulink/xPC target 的双机模式，该系统可将标准的 PC 机转换为一个实时控制系统，来实现控制系统的快速原型化、硬件在回路中的测试和系统半实物仿真等功能。
4.根据权利要求1所述的一种 主动式钻柱升沉补偿模拟实验台 ，其特征是： 所述系统运行过程中拉杆式直线位移传感器把测得的平台和活塞杆位移信号输入到目标机，目标机上安装有 PCI.NI 数据采集卡，控制系统把活塞杆的位移量与固定值比较作为 PID 控制器的偏差输入量，经过 PID 控制器运算输出控制伺服阀阀位和开口大小的电压，该系统形成一个闭环系统。
5.根据权利要求 1 所述的一种主动式钻柱升沉补偿模拟实验台，其特征是：所述实验台采用模糊 PID 的控制方案，模糊 PID 控制器具有鲁棒性和自适应的特点，升沉补偿期望位移与钻柱位移的差作为系统偏差 e ，模糊控制器根据系统偏差 e 和△ e 偏差率实时调节 PID 控制器参数。
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