CN107194019B - 一种节流阀的开度调节方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节流阀的开度调节方法与装置，该方法包括基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线；实时获取节流阀的开度变化数据，并利用所述开度变化数据与开度设定值计算节流阀的开度偏差；根据所述开度偏差与所述调节曲线获取控制电液比例阀的电流信号对节流阀的开度进行调节。该方法能够同时满足节流阀在调节时的非线性与连续性要求，显著提高调节的精度。

Description

一种节流阀的开度调节方法与装置

技术领域

本发明涉及石油钻井过程控制领域，尤其涉及一种节流阀的开度调节方法与装置。

背景技术

随着石油工业的快速发展，实际勘探开发对各种钻井技术的要求也越来越高。钻井技术开始不断向着自动化和智能化的方向发展，大量新型的自动化智能化钻井技术开始不断的涌现出来，并被广泛的应用于各种作业现场。精细控压钻井技术是自动化钻井的一个方面，用于在钻井过程中自动监控井底压力。

精细控压钻井是指通过数据监测系统和井口设备对井筒压力进行实时监控，实现安全钻井。在控压钻井系统装备中，通过调节节流管汇上的控压钻井节流阀实现对井口回压的控制，保持整个钻井过程中井口压力的平衡。

作为实现压力控制的核心组成部分，节流阀的开度调节控制是控压钻井实施的关键技术。目前，节流阀的开度控制方法主要存在以下问题：一方面，现有技术中多使用PID算法对节流阀进行控制，PID算法基于精确的数学模型，利用确定的控制规律进行控制。而实际中的节流阀具有非线性与时变不确定性，因此难以建立精确的数学模型。同时，钻井的地下工况非常复杂，PID算法受到参数整定方法繁杂的困扰，PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。另外，节流阀需要对液压缸的双向动作进行调节，采用PID算法进行双向控制会显著增加控制方法的复杂度，影响控制效果。另一方面，现有技术对节流阀的控制多集中于方向控制，而不能进行高精度的速度调节，不能适应当节流阀的开度偏差大需要快速调节，当其开度偏差小需要精细调节的要求。

综上，亟需一种新的节流阀的开度调节方法以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种新的节流阀的开度调节方法以提高其调节精度。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种节流阀的开度调节方法，包括基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线；实时获取节流阀的开度变化数据，并利用所述开度变化数据与开度设定值计算节流阀的开度偏差；根据所述开度偏差与所述调节曲线获取控制电液比例阀的电流信号对节流阀的开度进行调节。

优选地，在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线的步骤中包括：基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系；利用最小二乘法对所述对应关系进行曲线拟合以得到节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线。

优选地，在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系时：当节流阀的开度偏差的绝对值大于预设的偏差值时，以最大输出电流或最小输出电流控制电液比例阀；当节流阀的开度偏差的绝对值小于等于所述预设的偏差值时，以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀，其中，当节流阀的开度偏差等于零时，以所述最大输出电流与最小输出电流的均值电流控制电液比例阀。

优选地，当以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀时，所述调节曲线包括：快调区，用于实现节流阀开度的快速响应；微调区，用于实现节流阀开度的精细调节；过渡区，用于实现快调区到微调区的节流阀开度的平稳过渡；超调抑制区，用于抑制节流阀开度的超调。

优选地，采用如下表达式建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线：

其中，F为电液比例阀的输出电流，x为节流阀的开度偏差，x₀为预设的偏差值，y_max和y_min分别为电液比例阀的最大输出电流和最小输出电流，a、b、c为曲线拟合参数。

本申请的实施例还提供了一种节流阀的开度调节装置，包括建模模块，其基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线；采集模块，其实时获取节流阀的开度变化数据，并利用所述开度变化数据与开度设定值计算节流阀的开度偏差；调节模块，其根据所述开度偏差与所述调节曲线获取控制电液比例阀的电流信号对节流阀的开度进行调节。

优选地，建模模块根据以下步骤建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线：基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系；利用最小二乘法对所述对应关系进行曲线拟合以得到节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线。

优选地，建模模块在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系时：当节流阀的开度偏差的绝对值大于预设的偏差值时，以最大输出电流或最小输出电流控制电液比例阀；当节流阀的开度偏差的绝对值小于等于所述预设的偏差值时，以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀，其中，当节流阀的开度偏差等于零时，以所述最大输出电流与最小输出电流的均值电流控制电液比例阀。

优选地，当所述建模模块以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀时，所述调节曲线包括：快调区，用于实现节流阀开度的快速响应；微调区，用于实现节流阀开度的精细调节；过渡区，用于实现快调区到微调区的节流阀开度的平稳过渡；超调抑制区，用于抑制节流阀开度的超调。

优选地，建模模块采用如下表达式建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线：

其中，F为电液比例阀的输出电流，x为节流阀的开度偏差，x₀为预设的偏差值，y_max和y_min分别为电液比例阀的最大输出电流和最小输出电流，a、b、c为曲线拟合参数。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

通过建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线对节流阀的开度进行调节，同时满足了节流阀在调节时的非线性与连续性要求，提高了调节的精度。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为节流阀的结构示意图；

图2为本发明实施例的节流阀的开度调节装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的节流阀的开度调节方法的流程示意图；

图4为本发明实施例的调节曲线的区间划分示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1为在控压钻井作业中所采用的节流阀的结构示意图，如图所示，节流阀11主要由阀芯111、阀杆112和阀体113组成，图中还示出了用于带动节流阀运动的液压缸12，其主要由活塞杆121、活塞122与缸体123构成。节流阀11的阀杆112与液压缸12的活塞杆121刚性连接，随着活塞122在缸体123内的往复运动带动阀芯111沿阀体113运动，从而实现节流阀的开度的变化。液压缸活塞的运动方向受液压缸两个腔室内的液压油的流向控制，为了同时实现快速响应与精细调节的要求，在本发明的实施例中，采用可以对速度进行双向调节的电液比例阀控制液压缸12的动作，同时引入反馈控制以适应工况复杂的钻井作业，进一步提高控制精度。下面结合图2和图3进行详细说明。

图2为本发明实施例的节流阀的开度调节装置的结构示意图，该装置包括建模模块21、采集模块22以及调节模块23。具体的，调节模块23采用电液比例阀，电液比例阀的阀内设置有比例电磁铁，该电磁铁根据输入的电压信号产生相应的动作，使比例阀的阀芯产生位移来改变阀口的尺寸，进而改变流过阀门的压力与流量。如图2所示，当电液比例阀移向A端时，液压油从液压缸活塞下面的腔室流入，从活塞上面的腔室流出，带动节流阀的开度增大。当电液比例阀移向B端时，液压油从液压缸活塞上面的腔室流入，从活塞下面的腔室流出，带动节流阀的开度减小。当电液比例阀的阀芯位于阀的中间位置时，无液压油流动，液压缸活塞杆静止。进一步地，当阀芯从A端或B端向电液比例阀的中间位置移动时，比例阀的阀口尺寸逐渐变小，可以对液压油的流量以及节流阀的开度变化的速度进行调节。因此，采用电液比例阀能够同时满足节流阀在开度调节过程中的方向与速度的两方面的要求。

本发明实施例引入反馈控制，采集模块22包括传感器221和前端数据处理单元222。采集模块22通过安装于节流阀阀杆顶端的传感器测量节流阀开度的实时变化，前端数据处理单元根据测量数据与已建立的调节曲线进行反馈调节。传感器可采用位移传感器，安装简单，精度高。

图3为本发明实施例的节流阀的开度调节方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤S310、基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线。

步骤S320、实时获取节流阀的开度变化数据，并利用所述开度变化数据与开度设定值计算节流阀的开度偏差。

步骤S330、根据所述开度偏差与所述调节曲线获取控制电液比例阀的电流信号对节流阀的开度进行调节。

其中，步骤S310与步骤S320无严格顺序要求，只要满足节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线在进行调节之前已经建模完成即可，下面对调节方法的各步骤进行详细说明。

步骤S310主要由建模模块21完成，实际中，建模模块21可以采用通用计算机或其他处理器的形式来实现。在建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线之前，对节流阀在开度调节时的要求进行分析。

节流阀需要具备双向调节功能，即可以通过调节使节流阀的开度增大或减小。在本发明实施例中，由于采用了电液比例阀，因此可以通过分别对电液比例阀的两个线圈(如图2所示，线圈A和线圈B)实施通电来对节流阀进行双向调节。

为了获得好的调节效果，当测量得到的节流阀的实时开度值与调节的目标值差异较大时，需要在短时间内有较大的节流阀的开度调节量，也就是说调节要快，要实现快速响应。当测量得到的节流阀的实时开度值与调节的目标值差异较小时，需要有较小且精确的调节量。另外，当开度偏差较小时，通过平滑快速降低控制输出的电流，就可以降低节流阀的调节速度，使节流阀慢慢逼近设定值，从而避免或减小节流阀的超调，同时有利于减小整体的调节时间。

还需要注意的是，本申请中所说节流阀的开度偏差定义为开度设定值与实时测量得到的开度变化数据之间的差值。本领域的技术人员容易知道，当节流阀的开度偏差的定义改变时，只要对称或相应地调整某些步骤和设定，本发明实施例的方法仍然适用，因而均在本发明的保护范围内。

为了保证在节流阀的开度调节过程中的平稳性，所建立的节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的曲线图应该为平滑曲线。因此，步骤S310进一步包括：步骤S311、基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系。步骤S312、利用最小二乘法对上述对应关系进行曲线拟合以得到节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线。

具体的，根据上述对节流阀在开度调节时的要求，在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系时，当节流阀的开度偏差的绝对值大于预设的偏差值时，以最大输出电流或最小输出电流控制电液比例阀，以快速减小或增大节流阀的开度。当节流阀的开度偏差的绝对值小于等于预设的偏差值时，以在最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀，以平稳调节节流阀的开度。当节流阀的开度偏差等于零时，以最大输出电流与最小输出电流的均值电流控制电液比例阀，此处是基于假设电液比例阀的两个线圈完全对称，当以均值电流控制电液比例阀时，电液比例阀的阀芯位于中间位置，阀处于静置状态。

其中，预设的偏差值根据实际情况，可以依据节流阀的性能参数进行确定。

进一步地，当以在最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀时，调节曲线可以划分为快调区、微调区、过渡区以及超调抑制区。如图4所示，以电液比例阀的驱动线圈A为例，图中所示坐标系的横轴表示的是节流阀的开度偏差，以所占节流阀开度行程的百分比表示，即(开度偏差/开度行程)×100％，纵轴表示的是电液比例阀的输出电流。

当开度偏差小于预设的偏差值且大于第一偏差值x₁时为调节曲线的快调区，该区间内电液比例阀的输出电流接近最大输出电流或最小输出电流，且输出电流与开度偏差的比率随着开度偏差的增大逐渐减小，用于实现节流阀开度的快速变化。当开度偏差小于第一偏差值x₁且大于第二偏差值x₂时为调节曲线的过渡区，该区间内输出电流连续快速变化，且输出电流与开度偏差的比率较为平稳，曲线平滑，主要用于实现快调区与后面的微调区之间的平稳过渡。当开度偏差小于第二偏差值x₂且大于第三偏差值x₃时为调节曲线的微调区，该区间内输出电流接近均值电流，且输出电流与开度偏差的比率较小，可以实现节流阀开度的慢速精细调节。当开度偏差小于第三偏差值x₃且大于0时为调节曲线的超调抑制区，该区间内输出电流从一个接近均值电流的数值迅速变化为均值电流，输出电流与开度偏差的比率随着开度偏差的减小快速增大，可以用于抑制节流阀开度的超调。

根据上述调节曲线的特点，可以利用如表达式(1)所示的函数进行曲线拟合：

式中，F为电液比例阀的输出电流，x为节流阀的开度偏差，x₀为预设的偏差值，y_max和y_min分别为电液比例阀的最大输出电流和最小输出电流，a、b、c为曲线拟合参数。

上式中，开度偏差x的正负用于表示电液比例阀的供电条件，当x为正值时，给线圈A供电，当x为负值时，给线圈B供电，可以结合图2中的结构分析得出。另外，领域内的技术人员还容易知道，当电液比例阀与节流阀的连接关系或开度偏差的计算改变时，只需对上述表达式做相应地调整即可，不再赘述。

本发明所提出的设计方法容易实现，不用编写复杂的控制算法，也不需要反复整定PID控制参数。该方法具有快速精确调节功能，能够满足大开度偏差快速调节、小开度偏差精确调节的要求。该方法可靠性强，不受PID等控制方法中累计误差等影响，工作稳定。

下面通过一个示例详细说明上述调节方法的执行过程。

设计电液比例阀的控制输出电信号为标准电流信号，即4-20mA。电液比例阀采用双向比例阀工作模式，当输出电流为12mA，电液比例阀处于中位，液压通路无动作。当输出电流为4-12mA时，电液比例阀实现其中一个方向液压通路流动，并且电流值越接近4mA，液压通路液压排量越大。当输出电流为12-20mA时，电液比例阀实现反方向液压通路流动，并且电流值越接近20mA，液压通路中的液压排量越大。节流阀位移传感器反馈测量信号为0％-100％开度。根据节流阀的性能参数，选取预设的偏差值为30％。

此处，为了便于通用分析以及利用计算机程式进行控制，采用了一种快速建立映射的方法。将电液比例阀的控制输出设为0-100的通用区间。设电液比例阀的线圈A的控制输出为0-50，线圈B的控制输出为50-100。

在开度偏差为0-30％的范围内控制电液比例阀线圈A的控制输出如表达式(1)中的第一个式子与第三个式子所示，根据如下表1中的控制输出与开度偏差关键数据点数据得到三元一次方程组，对三元一次方程组进行最小二乘法回归得到系数a，b，c的参数值为，a＝0.021313，b＝1.432336E－7，c＝-0.001353。

表1 开度偏差与输出电流关键数据点

x	0	0.5％	1％	3％	8％	10％	12％	15％	20％	30％
											y	50	49	48	47	45	15	3	0	0	0

则全开度偏差范围内线圈A的控制输出F₁为：

进一步地，全开度偏差范围内线圈B的控制输出F₂为：

F₂＝100-F₁ (3)

再利用如下的表达式(4)以及如表2所示的边界条件将输出信号转换为标准电流信号：

z＝0.16*y+4

表2 输出信号转换为标准电流的边界条件

y	0	100
			z	4	20

应用时，实时测量节流阀的开度值，与开度设定值一起来计算开度偏差的数值，再根据开度偏差的正负与数值大小，利用上述y₁和y₂所示的曲线输出控制信号进行开度调节，并获取新的节流阀开度设定值和测量值，重复上述过程反复调节，直至将节流阀开度控制在设定误差范围内。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种节流阀的开度调节方法，包括：

基于节流阀的开度调节特性采用如下表达式建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线：

其中，F为电液比例阀的输出电流，x为节流阀的开度偏差，x₀为预设的偏差值，y_max和y_min分别为电液比例阀的最大输出电流和最小输出电流，a、b、c为曲线拟合参数；

实时获取节流阀的开度变化数据，并利用所述开度变化数据与开度设定值计算节流阀的开度偏差；

根据所述开度偏差与所述调节曲线获取控制电液比例阀的电流信号对节流阀的开度进行调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线的步骤中包括：

基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系；

利用最小二乘法对所述对应关系进行曲线拟合以得到节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系时：

当节流阀的开度偏差的绝对值大于预设的偏差值时，以最大输出电流或最小输出电流控制电液比例阀；

当节流阀的开度偏差的绝对值小于等于所述预设的偏差值时，以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀，其中，

当节流阀的开度偏差等于零时，以所述最大输出电流与最小输出电流的均值电流控制电液比例阀。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀时，所述调节曲线包括：

快调区，用于实现节流阀开度的快速响应；

微调区，用于实现节流阀开度的精细调节；

过渡区，用于实现快调区到微调区的节流阀开度的平稳过渡；

超调抑制区，用于抑制节流阀开度的超调。

5.一种节流阀的开度调节装置，包括：

建模模块，其基于节流阀的开度调节特性采用如下表达式建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线：

其中，F为电液比例阀的输出电流，x为节流阀的开度偏差，x₀为预设的偏差值，y_max和y_min分别为电液比例阀的最大输出电流和最小输出电流，a、b、c为曲线拟合参数；

采集模块，其实时获取节流阀的开度变化数据，并利用所述开度变化数据与开度设定值计算节流阀的开度偏差；

调节模块，其根据所述开度偏差与所述调节曲线获取控制电液比例阀的电流信号对节流阀的开度进行调节。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述建模模块根据以下步骤建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线：

基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系；

利用最小二乘法对所述对应关系进行曲线拟合以得到节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的调节曲线。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述建模模块在基于节流阀的开度调节特性建立节流阀的开度偏差与电液比例阀的输出电流之间的对应关系时：

当节流阀的开度偏差的绝对值大于预设的偏差值时，以最大输出电流或最小输出电流控制电液比例阀；

当节流阀的开度偏差的绝对值小于等于所述预设的偏差值时，以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀，其中，

当节流阀的开度偏差等于零时，以所述最大输出电流与最小输出电流的均值电流控制电液比例阀。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述建模模块以在所述最大输出电流与最小输出电流之间连续过渡的电流控制电液比例阀时，所述调节曲线包括：

快调区，用于实现节流阀开度的快速响应；

微调区，用于实现节流阀开度的精细调节；

过渡区，用于实现快调区到微调区的节流阀开度的平稳过渡；

超调抑制区，用于抑制节流阀开度的超调。

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