基于模糊PID控制的節(jié)能型復合液壓缸式抽油機設計

侯巖光，趙 弘

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)①

傳統(tǒng)抽油機存在耗能高、效率低、體積大、笨重、安裝維修困難等問題。為了改變這種現(xiàn)狀，抽油機研究重點逐漸轉(zhuǎn)向節(jié)能型舉升系統(tǒng)的研發(fā)。液壓抽油機具有運行平穩(wěn)、體積小、無極調(diào)速、結構緊湊、動力更大等優(yōu)點[1-5]，特別適用于深井、稠油井等特殊油井，大幅提高了產(chǎn)能及開采的經(jīng)濟性，因此得到了廣泛的應用。但在生產(chǎn)過程中，抽油桿頻繁升降，上升過程中抽油桿由于自重導致重力勢能很大，下落過程中克服摩擦，重力勢能轉(zhuǎn)化為熱能[6-9]，造成了能量損失，換向不平穩(wěn)的問題。

本文采用恒功率可調(diào)變量泵的控制策略，設計了一種采用蓄能器回收能量的復合液壓缸式抽油機。在AMESim中搭建了系統(tǒng)模型，通過模糊PID控制優(yōu)化抽油桿速度特性曲線，使得抽油桿換向時速度趨于平穩(wěn)，達到了很好的節(jié)能效果。

1 結構及工作原理

本次設計的是無梁式液壓抽油機，采用復合缸作為動力執(zhí)行機構，采用液壓蓄能器進行蓄能，其系統(tǒng)組成如圖1所示。復合液壓缸的柱塞上部安裝與之相適應的動滑輪支架，在支架上安裝合適的動滑輪，在缸筒上安裝定滑輪，構成了液壓抽油機的外形結構。

1—抽油桿；2—懸繩器；3—液壓缸；4—滑輪；5—鋼絲繩；6—液壓系統(tǒng)；7—底座。

液壓抽油機的液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。復合液壓缸由大活塞缸和小柱塞缸構成，有Q1，Q2，Q3個油腔，Q3腔的油口與液壓蓄能器相連，Q2、Q1腔的油口分別連接三位四通電液換向閥的2個油口。在換向閥的作用下，Q2、Q1油腔的油口分別交替連接高低油壓的油口[10]。溢流閥控制Q1油腔液壓蓄能器的最高壓力。

1—液壓缸；2—蓄能器；3—電液換向閥；4—變量泵；5—單向閥；6—溢流閥。

首次運行時，電液換向閥切換至左邊，高壓液壓油由液壓泵泵入Q1腔，Q2腔回油，液壓泵通過單向閥向Q3腔加壓，復合液壓缸的內(nèi)缸做舉升動作，開始上沖程；當內(nèi)缸上升到極限位置時，換向閥切換到右邊，Q1腔回油，Q2腔由液壓泵加壓，內(nèi)缸向下運動，開始下沖程，Q3腔的液壓油在壓力的作用下進入蓄能器，進行儲能；當抽油桿下行到極限位置時，換向閥切換到左邊，變量泵向Q1腔加壓，Q2腔回油，液壓蓄能器釋放能量，開始上沖程。如此循環(huán)往復，實現(xiàn)抽油作業(yè)。

2 設計計算

2.1 恒功率可調(diào)變量泵控制策略

變量泵的恒功率控制原理如圖3所示，由控制泵壓力源、控制變量缸、流量反饋信號、壓力反饋信號，目標功率5部分組成。

圖3 恒功率變量泵控制原理

本次設計采用斜盤式軸向變量柱塞泵，其具有可靠性高、功率密度大、噪聲低和自吸能力強的特點。斜盤式軸向變量柱塞泵的工作方式為通過調(diào)整泵內(nèi)斜盤傾角來達到控制排量的效果[11]。變量泵開始工作時，將其排量信號轉(zhuǎn)換為流量反饋信號，與系統(tǒng)的壓力反饋信號相乘，計算得到泵的實際輸出的功率。然后與目標功率作差，當目標功率大于實際輸出功率時，輸入閥的電信號為正值，三位四通換向閥右位工作，控制變量缸的活塞向右移動，通過Rotary-linear元件將位移信號變換為轉(zhuǎn)角信號并反饋到變量泵，變量泵排量增大。由于電動機轉(zhuǎn)速恒定，進而變量泵流量增大，不換向工作時系統(tǒng)壓力不變，最終使變量泵的功率增大至目標功率[12]；反之同理，由此實現(xiàn)恒功率控制。

2.2 蓄能器設計

復合液壓缸式抽油機采用蓄能器-復合液壓缸式的結構，設計參數(shù)如表1。

表1 復合液壓缸式抽油機設計參數(shù)

設計采用皮囊式蓄能器，其理想氣體狀態(tài)方程式為[13]：

(1)

(2)

式中：[p0]為充氣壓力，MPa；V0為蓄能器容積，L；n為氣體狀態(tài)常數(shù)；S*為液壓缸外缸活塞行程，取S*=2.5 m；ΔV為復合液壓缸的容積，L。

計算得：ΔV=11.8 L。

(3)

提高蓄能器的利用效率[14]，取系數(shù)0.9，即：[p0]=0.9p1，則：

(4)

(5)

式中：pcp為平均工作壓力，MPa；

令：

(6)

則：

(7)

p1=kp2

(8)

由此可知，確定了k的值，就可以確定p2、p1、[p0]的值。而k值與V0的值有關，V0越大，k值就越大，p1就越接近p2。

抽油機的沖次為4 min-1，可以把蓄能器的充能和放能的過程看成是絕熱的，取n=1.4；選取V0=60 L的蓄能器。計算可得：

p1=kp2=8.9 MPa

[p0]=0.9p1=8 MPa

因此設定液壓蓄能器的初始充氣壓力為8 MPa，蓄能器的最大壓力為12.5 MPa，蓄能器的最小壓力為9 MPa，蓄能器的體積變化為11.8 L。

3 基于AMESim的建模與仿真分析

根據(jù)復合液壓缸設計參數(shù)，選取電機和變量泵的同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，溢流閥最小壓力設為15 MPa，建立AMESim仿真模型如圖4所示，仿真時間為60 s。

圖4 AMESim仿真模型

3.1 懸點運動情況分析

抽油桿在上下行程的工作循環(huán)中，懸點載荷變化曲線、懸點位移變化曲線、懸點速度變化曲線如圖5～7所示。

從圖5～7可以看出，懸點載荷最小值為60 kN，最大值為100 kN，在15 s的周期內(nèi)進行一個循環(huán)，變化平穩(wěn)。懸點的位移在0～5 m內(nèi)不間斷循環(huán)，即沖程為5 m、沖次為4 min-1。上、下行程工況切換時出現(xiàn)較大的速度波動，持續(xù)約2 s后，懸點速度穩(wěn)定為勻速運動，上行程工況中速度波動從0.29 m/s變化到0.34 m/s，速度穩(wěn)定以后為0.32 m/s；下行程工況中速度波動從-0.41 m/s變化到-0.30 m/s，懸點速度穩(wěn)定以后為-0.34 m/s，此處的速度波動是由于控制過程中的換向閥的延時造成。

圖5 懸點載荷曲線

圖6 懸點位移曲線

圖7 懸點速度曲線

3.2 恒功率控制策略驗證分析

在系統(tǒng)未加蓄能器時，變量泵的實際輸出功率與目標功率曲線、變量泵的出口流量曲線、變量泵的出口壓力曲線、流量與壓力關系曲線如圖8～11所示。

圖8 變量泵實際輸出功率與目標功率曲線

圖9 變量泵出口流量曲線

圖10 變量泵出口壓力曲線

圖11 變量泵出口流量與壓力關系曲線

由圖8～11可知，變量泵的實際輸出功率與目標功率基本重合。在上下行程工況切換時，懸點載荷變化導致系統(tǒng)的壓力發(fā)生變化，變量泵的輸出功率在32.4～33.6 kW會有較小波動，功率恒定以后為33 kW，在實際工況中此功率波動在允許范圍內(nèi)；變量泵在恒功率工作中壓力在7.1～14.3 MPa變化；變量泵在恒功率工作中流量在158～283 L/min變化；流量壓力曲線近似為雙曲線。

由上述分析得：在所搭建的液壓系統(tǒng)中，變量泵的恒功率控制策略可行。

3.3 蓄能器節(jié)能效果仿真分析

蓄能器氣體體積曲線、氣體壓力變化曲線和液壓泵功率對比曲線如圖12～14所示。

圖12 蓄能器氣體體積變化曲線

圖13 蓄能器氣體壓力變化曲線

圖14 液壓泵功率對比曲線

由圖12～14可知，蓄能器在4個周期內(nèi)按照預定的設想循環(huán)。在剛開始的上沖程中，蓄能器為系統(tǒng)提供能量，使抽油桿能夠按照預定的軌跡上升。在下沖程，蓄能器吸收能量，體積減小，壓力增大，開始蓄能，等下一個沖程到來時，提供能量，不間斷地循環(huán)完成抽油過程；未安裝蓄能器液壓泵的功率在穩(wěn)定工作狀態(tài)時功率為33 kW，安裝蓄能器的液壓泵的功率在穩(wěn)態(tài)時為17 kW，節(jié)能48%。

4 液壓系統(tǒng)模糊PID控制

抽油桿自重較大，因而慣性較大，導致在上下行程工況切換時速度波動較大。在作業(yè)過程中抽油桿的速度波動越小，抽油機的性能越好。通過模糊PID控制變量泵的流量變化，進而減小懸點的速度波動，提高抽油機的性能。

4.1 模糊PID控制原理及特點

模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec為輸入，以PID參數(shù)KP、KI、KD為輸入滿足不同時刻誤差e和誤差變化率ec對PID參數(shù)的調(diào)整要求。模糊PID結構原理如圖15所示[15]。

圖15 模糊PID結構原理

4.2 懸點速度的模糊PID控制仿真

模糊PID控制器加在控制變量缸的三位四通電磁換向閥前，選擇變量泵的實際輸出功率與目標功率的誤差e和誤差變化率ec作為輸入。AMEsim模糊PID控制聯(lián)合仿真液壓系統(tǒng)如圖16所示；在Simulink中模糊PID控制器如圖17所示。

圖16 AMEsim模糊PID控制聯(lián)合仿真液壓系統(tǒng)

圖17 Simulink模糊PID控制器

4.3 模糊PID仿真結果分析

在原有液壓系統(tǒng)中加入模糊PID控制器后，懸點速度變化曲線、速度超調(diào)量變化曲線如圖18～19所示。上行程速度波動階段幅度為0.325 m/s到0.315 m/s，下行程速度波動階段幅度為-0.350 m/s到-0.330 m/s，超調(diào)量由原來的20.6%降到2.94%。

圖18 模糊PID控制懸點速度變化曲線

圖19 速度超調(diào)量變化曲線

5 結論

針對節(jié)能型復合液壓缸式的抽油機，仿真結果證明變量泵的恒功率控制策略具有良好的工作特性，懸點速度滿足沖程要求；蓄能器的體積、壓力和泵功率對比曲線證明了液壓抽油機具有很好的節(jié)能效果，節(jié)能48%；模糊PID控制變量泵具有良好的流量特性，抽油桿換向時速度波動超調(diào)量由原來的20.6%降到2.94%。