CN113184732B - 基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，通过本方法对主控制器、液压变压器控制器以及直驱泵源控制器三个关键控制元器件进行相关控制，能够实现预期的升沉补偿功能，补偿精度满足设计要求，且具有能量回收功能：作业平台上升时，直驱泵源卸荷，负载重力势能通过液压变压器回收进蓄能器；作业平台下沉时，直驱泵源和液压变压器一起给执行机构供油，释放回收的能量；可大大降低系统的功耗，也实现了直驱泵源和液压变压器的流量合理分配和平滑切换，解决了液压变压器的控制难题。

Description

基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及升沉补偿系统领域，尤其涉及基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统及方法。

背景技术

在浮式钻井作业平台上升阶段，直驱泵源不工作，液压变压器C1工作，回收能量；在下沉阶段，直驱泵源和液压变压器C1一起给驱动马达供油。当今升沉补偿系统较难实现直驱泵源和液压变压器C1的协调工作，尤其是下沉阶段时直驱泵源和液压变压器C1之间的流量分配和平滑切换；

与阀控系统相比，直驱容积控制动态特性差，加上超深浮式钻井升沉补偿系统的负载大，系统惯性大。当今升沉补偿系统较难保证大惯性绞车型升沉补偿系统的补偿性能；

传统型液压变压器C1两个变量马达的排量调节之间存在力矩耦合，稳态刚度低，抗干扰能力差。当今升沉补偿系统较难实现传统型液压变压器C1的稳定控制，提高其抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

具体的，提出基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，包括以下：

步骤110、主控制器根据目标作业平台的运动速度v、负载位移y、负载期望位移y_i以及次级马达工作压力信号p₂计算得出液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂；

步骤120、液压变压器C1根据液压变压器C1的期望流量q₁、初级马达工作压力信号p₁、次级马达工作压力信号p₂以及液压变压器C1自身的转速n₁计算得出初级马达的排量V₁以及次级马达的排量V₂；

步骤130、直流泵源控制器C2根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂；

步骤140、根据计算得出的初级马达的排量V₁以及次级马达的排量V₂以及直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂进行相应控制。

进一步，上述步骤110具体包括以下，

步骤111、根据所述运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i以基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略计算出驱动马达的流量q，

其中扰动前馈控制的输入物理量为运动速度v，相应的输出流量为q_a，所述q_a通过如下公式计算，

其中，v是作业平台的升沉速度，单位m/s；k_v是速度补偿系数；r为滚筒半径，单位为m；k_h为滑轮组倍率；V为绞车的驱动马达排量，单位为L/r；i为齿轮传动机构的传动比，

闭环反馈控制的输入物理量为负载位移y和负载期望位移y_i，经过通用的PID算法输出流量为q_b，

计算流量q，即为q＝q_a+q_b；

步骤112、根据驱动马达的流量q以及次级马达工作压力信号P₂计算得出液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

根据如下公式确定液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

其中，k_T为流量分配系数。

当q＞0即马达正转时，k_T的计算公式为如下公式；

其中，p_L、p_H为两个事先设定的压力阈值。

进一步，上述步骤120具体包括以下，

步骤121、第一环节，获取液压变压器C1的期望流量q₁、初级马达工作压力信号p₁以及次级马达工作压力信号p₂，根据以上数据计算初级马达的排量V₁，具体为以下公式，

其中V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器C1的最大流量，k_dp为差压-排量补偿系数；

步骤122、第二环节，根据所述第一环节中的相关数据结合初级马达的容积效率η_v1计算出液压变压器C1的转速差Δn，具体为以下公式，

其中n为液压变压器C1的转速；

步骤123、第三环节，根据之前两个环节中的相关数据结合液压变压器C1的转动惯量I计算得到液压变压器C1的转矩调节量ΔT，具体为以下公式，

其中Δt为调节时间，能够人为设置；

步骤124、第四环节，根据前三个环节中的相关数据结合初级马达的机械效率η_m1以及次级马达的机械效率η_m2计算得到次级马达的排量V₂，具体为以下公式，

其中，在能量回收阶段时，分子中间的符号取-；处于能量释放阶段时，则取+。

进一步，上述步骤130中，具体通过传统的开环前馈控制和闭环反馈控制组成的复合控制，直流泵源控制器C2根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂。

本发明还提出基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统，应用了所述的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，还包括，绞车型升沉补偿系统，所述绞车型升沉补偿系统包括直驱泵源、驱动马达、液压变压器C1、蓄能器、滑轮组以及滚筒，

所述直驱泵源包括伺服电机以及液压泵，

所述液压变压器C1是由两个输出轴刚性连接的变量马达，具体为初级马达a以及次级马达b构成的传统型液压变压器C1，

所述驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合。

本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法的步骤。

本发明的有益效果为：

本发明提出基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统及方法，能够实现预期的升沉补偿功能，补偿精度满足设计要求，且具有能量回收功能：作业平台上升时，直驱泵源卸荷，负载重力势能通过液压变压器C1回收进蓄能器；作业平台下沉时，直驱泵源和液压变压器C1一起给执行机构供油，释放回收的能量；可大大降低系统的功耗，也实现了直驱泵源和液压变压器C1的流量合理分配和平滑切换，解决了液压变压器C1的控制难题。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1所示为本发明提出的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法流程图；

图2所示为本发明提出的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法的原理框图；

图3所示为本发明提出的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法的主控制器C的原理示意图；

图4所示为主控制器的流量计算器QC的控制原理框图；

图5所示为基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法的液压变压器C1的原理框图；

图6所示为基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法的直流泵源控制器C2的原理框图；

图7所示为基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统的结构原理图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

根据系统的工作原理可知，上升补偿时，驱动马达排出的液压流量需要通过液压变压器C1回收，控制液压变压器C1的流量即可控制绞车的转速。下沉补偿阶段时，需要液压变压器C1和直驱泵源一起给驱动马达供油。

基于此原理，参照图1，实施例1，本发明提出基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，包括以下：

步骤110、主控制器根据目标作业平台的运动速度v、负载位移y、负载期望位移y_i以及次级马达工作压力信号p₂计算得出液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂；

步骤120、液压变压器C1根据液压变压器C1的期望流量q₁、初级马达工作压力信号p₁、次级马达工作压力信号p₂以及液压变压器C1自身的转速n₁计算得出初级马达的排量V₁以及次级马达的排量V₂；

步骤130、直流泵源控制器C2根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂；

步骤140、根据计算得出的初级马达的排量V₁以及次级马达的排量V₂以及直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂进行相应控制。

作为本发明的优选实施方式，上述步骤110具体包括以下，

步骤111、根据所述运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i以基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略计算出驱动马达的流量q，

其中扰动前馈控制的输入物理量为运动速度v，相应的输出流量为q_a，所述q_a通过如下公式计算，

其中，v是作业平台的升沉速度，单位m/s；k_v是速度补偿系数；r为滚筒半径，单位为m；k_h为滑轮组倍率；V为绞车的驱动马达排量，单位为L/r；i为齿轮传动机构的传动比，

k_v的引入是为了抵消各种参数误差带来的不利影响。尽管如此，开环的扰动前馈控制还是不可能实现完全同步补偿的。因此，加入闭环反馈控制器是很有必要的。闭环反馈控制器暂时采用常规的PID控制器，其输出为流量q_b，优选的，k_v＝1.05。

闭环反馈控制的输入物理量为负载位移y和负载期望位移y_i，经过通用的PID算法输出流量为q_b，

计算流量q，即为q＝q_a+q_b；

步骤112、根据驱动马达的流量q以及次级马达工作压力信号P₂计算得出液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

根据如下公式确定液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

其中，k_T为流量分配系数。

当q＞0即马达正转时，k_T的计算公式为如下公式；

其中，p_L、p_H为两个事先设定的压力阈值，优选的，p_L＝200bar,p_H＝250bar。

由上式可知，系统根据蓄能器内的压力来分配流量。当蓄能器内的压力高于阈值p_H时，说明液压变压器C1内的储存的压力油比较多，这时就让液压变压器C1单独供油，即k_T＝1。当蓄能器内的压力慢慢下降低于阈值p_L时，说明蓄能器内的压力油不够了，就应该由直驱泵源单独供油，即k_T＝0。

当q＜0即马达反转时，回收能量，直驱泵源不工作，液压马达输出的液压油进入液压变压器C1，则k_T＝1。

主控制器C需要完成流量计算和流量分配的任务，因此它又由流量计算器QC和流量分配器QA组成，其内部结构如图2所示。

流量计算器QC根据钻井作业平台的运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i三个信号计算出驱动马达的流量q，其内部控制原理框图如图5所示。对于升沉补偿系统来说，平台的升沉运动就是一个扰动输入。考虑到补偿系统惯性大，而容积控制本身动态响应速度慢。为解决这一控制难题，流量计算器QC采用了基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略，其控制原理框图如图3所示。可见，流量计算器QC由扰动前馈控制器和反馈控制器两部分组成。

作为本发明的优选实施方式，液压变压器C1具有初级马达排量V₁和次级马达排量V₂两个可调变量，并且这两个变量之间存在力矩耦合。由于液压变压器C1的流量实际上是初级马达的流量，因此本文采用如下设计思路：先根据期望流量q₁确定初级马达的排量V₁，然后通过调节次级马达的排量V₂来对液压变压器C1的转速进行闭环控制，其实质也是基于流量控制。其原理框图如图2所示。基于此原理，上述步骤120具体包括以下，

步骤121、第一环节L1，获取液压变压器C1的期望流量q₁、初级马达工作压力信号p₁以及次级马达工作压力信号p₂，根据以上数据计算初级马达的排量V₁，具体为以下公式，

其中V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器C1的最大流量，k_dp为差压-排量补偿系数；

步骤122、第二环节L2，根据所述第一环节中的相关数据结合初级马达的容积效率η_v1计算出液压变压器C1的转速差Δn，具体为以下公式，

其中n为液压变压器C1的转速；

步骤123、第三环节L3，根据之前两个环节中的相关数据结合液压变压器C1的转动惯量I计算得到液压变压器C1的转矩调节量ΔT，具体为以下公式，

其中Δt为调节时间，能够人为设置；优选的，Δt＝0.03s。

步骤124、第四环节L4，根据前三个环节中的相关数据结合初级马达的机械效率η_m1以及次级马达的机械效率η_m2计算得到次级马达的排量V₂，具体为以下公式，

其中，在能量回收阶段时，分子中间的符号取-；处于能量释放阶段时，则取+。

在本优选实施方式中，先根据期望流量q₁确定初级马达的排量V₁，然后通过调节次级马达的排量V₂来对液压变压器C1的转速进行闭环控制，进而能够实现传统型液压变压器C1的稳定控制，提高其抗干扰能力。

其中初级马达的机械效率η_m1以及次级马达的机械效率η_m2可以直接读取，而V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器C1的最大流量这也是在选定了元器件之后能够直接得到的，k_dp为差压-排量补偿系数通过实验论证人为设定，初级马达的容积效率η_v1也是能够根据初级马达型号直接确定的，Δt为调节时间能够根据液压变压器C1工作情况确定。

作为本发明的优选实施方式，上述步骤130中，具体通过传统的开环前馈控制和闭环反馈控制组成的复合控制，直流泵源控制器C2根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂。

直驱泵源的控制原理框图如图7所示，采用由开环前馈控制和闭环反馈控制组成的复合控制。因此，其控制器C2主要由前馈控制器和反馈控制器两部分组成。由于伺服电机的动态特性比较好，因此，本实施方式采用一个P控制器作为前馈控制器，采用一个常规的PID控制器作为反馈控制器。

本发明还提出基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统，应用了所述的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，还包括，绞车型升沉补偿系统，所述绞车型升沉补偿系统包括直驱泵源、驱动马达、液压变压器C1、蓄能器、滑轮组以及滚筒，

所述直驱泵源包括伺服电机以及液压泵，

所述液压变压器C1是由两个输出轴刚性连接的变量马达，具体为初级马达a以及次级马达b构成的传统型液压变压器C1，

所述驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合。

该系统主要由直驱泵源(含伺服电机1和液压泵2)、驱动马达3、液压变压器C14、蓄能器5、滑轮组6、滚筒7等组成。

液压变压器C1是由两个输出轴刚性连接的变量马达(初级马达a和次级马达b)构成的传统型液压变压器C1；回收效率高，反应速度快。驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合。

在应用了所述的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法之后，本升沉补偿系统能够具备本发明方法的相关有益效果。

本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法的步骤。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例中的方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储的介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (4)

1.基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，其特征在于，包括以下：

步骤110、主控制器根据目标作业平台的运动速度v、负载位移y、负载期望位移y_i以及次级马达工作压力信号p₂计算得出液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂；

步骤120、液压变压器C1根据液压变压器C1的期望流量q₁、初级马达工作压力信号p₁、次级马达工作压力信号p₂以及液压变压器C1自身的转速n₁计算得出初级马达的排量V₁以及次级马达的排量V₂；

步骤130、直流泵源控制器C2根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂；

步骤140、根据计算得出的初级马达的排量V₁以及次级马达的排量V₂以及直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂进行相应控制；

上述步骤110具体包括以下，

步骤111、根据所述运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i以基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略计算出驱动马达的流量q，

其中扰动前馈控制的输入物理量为运动速度v，相应的输出流量为q_a，所述q_a通过如下公式计算，

其中，v是作业平台的升沉速度，单位m/s；k_v是速度补偿系数；r为滚筒半径，单位为m；k_h为滑轮组倍率；V为绞车的驱动马达排量，单位为L/r；i为齿轮传动机构的传动比，

闭环反馈控制的输入物理量为负载位移y和负载期望位移y_i，经过通用的PID算法输出流量为q_b，

计算流量q，即为q＝q_a+q_b；

步骤112、根据驱动马达的流量q以及次级马达工作压力信号P₂计算得出液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

根据如下公式确定液压变压器C1的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

其中，k_T为流量分配系数，

当q＞0即马达正转时，k_T的计算公式为如下公式；

其中，p_L、p_H为两个事先设定的压力阈值；

上述步骤120具体包括以下，

步骤121、第一环节，获取液压变压器C1的期望流量q₁、初级马达工作压力信号p₁以及次级马达工作压力信号p₂，根据以上数据计算初级马达的排量V₁，具体为以下公式，

其中V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器C1的最大流量，k_dp为差压-排量补偿系数；

步骤122、第二环节，根据所述第一环节中的相关数据结合初级马达的容积效率η_v1计算出液压变压器C1的转速差Δn，具体为以下公式，

其中n为液压变压器C1的转速；

步骤123、第三环节，根据之前两个环节中的相关数据结合液压变压器C1的转动惯量I计算得到液压变压器C1的转矩调节量ΔT，具体为以下公式，

其中Δt为调节时间，能够人为设置；

步骤124、第四环节，根据前三个环节中的相关数据结合初级马达的机械效率η_m1以及次级马达的机械效率η_m2计算得到次级马达的排量V₂，具体为以下公式，

其中，在能量回收阶段时，分子中间的符号取-；处于能量释放阶段时，则取+。

2.根据权利要求1所述的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，其特征在于，上述步骤130中，具体通过开环前馈控制和闭环反馈控制组成的复合控制，直流泵源控制器C2根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂。

3.基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿系统，其特征在于，应用了上述权利要求1-2中任一项所述的基于流量控制的浮式钻井节能绞车型升沉补偿方法，还包括，绞车型升沉补偿系统，所述绞车型升沉补偿系统包括直驱泵源、驱动马达、液压变压器C1、蓄能器、滑轮组以及滚筒，

所述直驱泵源包括伺服电机以及液压泵，

所述液压变压器C1是由两个输出轴刚性连接的变量马达，具体为初级马达a以及次级马达b构成的传统型液压变压器C1，

所述驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合。

4.一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-2中任一项所述方法的步骤。

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