【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。圖 14Parker 公司三維模型樣機(jī)3哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文所謂以泵體仿真模型為基礎(chǔ)的試驗(yàn)技術(shù)就是在泵體的機(jī)構(gòu)不變的前提下， 利用微電子傳感技術(shù)測(cè)試泵體內(nèi)傳動(dòng)介質(zhì)或者流體的特性，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè) 泵的特性參數(shù)的目的。IVANTYSYNOVA 研究小組和德國(guó)亞深工業(yè)大學(xué)基于該 思想先后打搭建了柱塞副和摩擦副的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)研究并取得一定成果 [13]。 柱塞泵變量機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀恒功率恒壓變量柱塞泵是一種新型的節(jié)能柱塞泵。該泵的變量活塞由恒功率閥和恒壓閥來控制，通過活塞位移的變化來使斜盤傾角發(fā)生變化，從而達(dá) 到改變了流量的目的，其液壓原理圖如圖15。由于這種泵具有恒功率泵和恒 壓泵的雙重優(yōu)點(diǎn)，故其具有速度快、效率高、損失小等一系列優(yōu)勢(shì)，是一種高 效節(jié)能的變量柱塞泵 [14]。圖15恒壓恒功率變量柱塞泵液壓原理圖在實(shí)際工程中軸向柱塞泵的變量機(jī)構(gòu)復(fù)雜，抗污能力差，所以甘肅工業(yè)大 學(xué)盧堃等在應(yīng)用靜壓平衡理論的基礎(chǔ)上參考國(guó)外同類產(chǎn)品，開發(fā)出一種新型柱 塞泵，其原理圖如圖 16。圖 16 徑向柱塞泵液控伺服變量機(jī)構(gòu)液壓原理圖該泵的變量機(jī)構(gòu)利用三通閥控制液壓缸，通過液壓缸閥芯位置變化控制柱4哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文塞泵偏心距從而改變排量大小。為了避免定子發(fā)生周期性振蕩，該機(jī)構(gòu)利用正 開口閥門控制柱塞，在增大變量機(jī)構(gòu)阻尼的同時(shí)還可以有效防止泄漏；閥口形 狀選取為三角形，在增強(qiáng)變量機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)又能改善泵的靜態(tài)特性，并取 得良好的效果；增設(shè)附加阻尼，該阻尼不僅能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定，還能夠有效調(diào) 節(jié)整個(gè)液壓橋路的匹配特性 [15]。機(jī)械式和液壓伺服式變量機(jī)構(gòu)都是手動(dòng)變量，這種調(diào)節(jié)方式不僅對(duì)調(diào)節(jié)過 程有時(shí)間要求，而且對(duì)于工況條件復(fù)雜并且對(duì)快速性要求較高的系統(tǒng)，不僅難 以滿足工作需求而且流量不易精確調(diào)節(jié)。因此，開始出現(xiàn)了一種利用單片機(jī)控 制泵的變量機(jī)構(gòu)，以單片機(jī)作為控制元件，電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)斜盤傾角 從而達(dá)到改變泵排量的目的，其結(jié)構(gòu)如圖17。和人工調(diào)節(jié)的方式相比，單片 機(jī)發(fā)出的脈沖序列用以控制電機(jī)運(yùn)行的方向和位移大小，泵的排量能夠及時(shí)準(zhǔn) 確的改變；通過改變程序，可以方便地改變泵的特性曲線，同一泵上，在不改 變泵體結(jié)構(gòu)的前提下可以通過改變程序?qū)崿F(xiàn)各種不同的控制規(guī)律 [16]。圖 17 步進(jìn)電機(jī)控制的變量機(jī)構(gòu)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，近年來采用微型計(jì)算機(jī)控制的電液伺服控 制系統(tǒng)有了飛速發(fā)展。這種電液伺服控制系統(tǒng)不僅對(duì)于數(shù)據(jù)的處理采集更加方 便準(zhǔn)確，而且整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度快且控制算法可根據(jù)工況需求進(jìn)行靈活改變。 在上述眾多采用機(jī)控的新型電液伺服控制系統(tǒng)中，PWM 信號(hào)控制變量機(jī)構(gòu)就 是將微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)所做的一個(gè)新的方向。其工作原理為利 用機(jī)控活塞的位移改變泵的斜盤角從而改變排量。在每個(gè)采樣控制周期，傳感 器首先將得到活塞的位移量 Y0(n)反饋給計(jì)算機(jī)，然后將此位移量和給定的位 移量 Ye(n)做差得到偏差信號(hào) E(n)，將偏差信號(hào)輸入到控制器中，通過給定的 控制算法對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，輸入該周期的輸出 PWM 控制信號(hào)，最后將該 控制信號(hào)通過功率放大器向電液伺服控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸出控制。PWM 信號(hào)的寬 度決定了該周期液壓開關(guān)閥的通斷時(shí)間，根據(jù)通斷時(shí)間的長(zhǎng)短改變油缸的進(jìn)油5哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文量，進(jìn)而控制變量活塞的位移 [17]。 油田高壓注水泵發(fā)展現(xiàn)狀油層注水是在油田開發(fā)過程中保持油層壓力提高原油產(chǎn)量的有效措施之一。 柱塞泵由于體積小，工作壓力高而廣泛應(yīng)用于油層注水中。尤近些年來由于各 大油田高壓欠注問題日益明顯，使得提高高壓注水泵的工藝與性能成為了亟待 解決的問題 [21]。常用的油田高壓注水泵大體上分為離心式和往復(fù)式，尤其是往 復(fù)式高壓主泵由于其在增壓方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在近些年來發(fā)展迅速。針對(duì)油田 中廣泛推廣使用的三缸和多缸單作用柱塞泵，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家在其理論和試驗(yàn) 研究、設(shè)計(jì)制造和選擇使用方面做了大量工作，使其工作效率得到了顯著提高， 油田常用三缸單作用柱塞泵工作原理如圖 18 所示。圖 18 三缸單作用泵作用簡(jiǎn)圖盡管目前油田中廣泛推廣使用的三缸單作用柱塞泵的泵效一般能達(dá)到 85%并且能夠滿足注水壓力的要求，但是其結(jié)構(gòu)中存在的問題使其工作效果往往不 盡如人意。首先，由于采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)使得柱塞在行進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生很大軸 向作用力，從而使得動(dòng)力端各部件相互緊壓從而使?jié)櫥碗y以深入，導(dǎo)致摩擦 劇烈，潤(rùn)滑條件差；其次，由于三柱塞之間相差 120176。相位角，導(dǎo)致曲軸在交變 應(yīng)力作用下危險(xiǎn)截面增多，壽命減少，同時(shí)由于油田中往往面臨短沖程高沖刺 的工況，使得易損件更換頻繁，嚴(yán)重影響泵的正常使用。最后，這種常用的三 缸泵排量為固定值，不能針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整 [25]。除了上述高壓注水泵結(jié)構(gòu)中存在的一系列問題外，油田注水過程中還存在 著如下問題：首先，現(xiàn)場(chǎng)工作中往往直接在額定頻率下啟動(dòng)電機(jī)，這種啟動(dòng)方 式對(duì)設(shè)備沖擊較大，極易造成電機(jī)和注水泵傳動(dòng)端的損壞；其次，由于注水管6哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文網(wǎng)的承載能力有限以及各注水井之間吸水壓力的差異，使得注水系統(tǒng)出口壓力 難以保持穩(wěn)定；最后，在不同工況下系統(tǒng)壓力、水量等工況參數(shù)各不相同，而注水泵只能在全負(fù)荷條件下工作，無法根據(jù)外部環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)，既不符合節(jié)能 環(huán)保的要求對(duì)泵體本身的損耗也過大。因此為了解決以上問題，國(guó)內(nèi)一些油田 企業(yè)開始利用變頻調(diào)速的方法控制與注水泵相連接的電機(jī),通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的 變化調(diào)整注水泵的排量, 在保護(hù)設(shè)備、降低能耗的同時(shí)又起到了平衡外部壓力 的目的 [18]。
然而由于油田作業(yè)地點(diǎn)常在野外，因此采用變頻調(diào)速時(shí)存在電源問題、并網(wǎng)電壓?jiǎn)栴}、造價(jià)高問題等等。并且在變頻調(diào)速時(shí)，只能同時(shí)改變多個(gè)柱塞的 注水排量，無法對(duì)單個(gè)柱塞進(jìn)行變量控制，不能更好得適應(yīng)工程實(shí)際的某些工 況。而在這方面的研究國(guó)內(nèi)相對(duì)處于空白狀態(tài)。由于軸向柱塞泵在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，而且制造技術(shù)非常成熟， 油田注水柱塞泵的研究國(guó)內(nèi)外甚少，而液壓系統(tǒng)用軸向柱塞泵無論理論研究還 是制造技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于油田注水柱塞泵，只是使用的介質(zhì)及應(yīng)用場(chǎng)合不同，本文 擬采用液壓技術(shù)理論和油田注水柱塞泵實(shí)際工況相結(jié)合的方法進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)， 并形成自動(dòng)控制系統(tǒng)，用于油田生產(chǎn)實(shí)際中。 控制理論發(fā)展綜述 古典控制理論和現(xiàn)代控制理論20 世紀(jì)中期以來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制起到了不可替代 的作用。所謂自動(dòng)控制就是指系統(tǒng)或者被控對(duì)象能夠按照預(yù)先設(shè)定的過程工作， 整個(gè)過程不再需要額外的人工操作。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，為改善勞動(dòng) 條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量做出了巨大貢獻(xiàn)。自動(dòng)控制理論目前一般可分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”。其中， 經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分 析和設(shè)計(jì)問題[47]。由于發(fā)展較早，目前已經(jīng)形成比較成熟的理論體系。在液壓 技術(shù)和控制理論相結(jié)合所產(chǎn)生的液壓控制技術(shù)中，PID 控制器由于其良好的魯 棒性、閉環(huán)控制特性而得到了廣泛的應(yīng)用，即便是在控制理論和控制技術(shù)高速發(fā)展、各種控制技術(shù)層出不窮的今天，對(duì)于一些頻寬不太高、外界干擾不大的7哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文伺服系統(tǒng)，采用經(jīng)典控制理論方法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)已足以滿足一般工程實(shí)際的需 要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程實(shí)踐所面臨的情況變得越來越復(fù)雜，20 世紀(jì) 60 年代，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。它以狀態(tài)空 間為基礎(chǔ)，研究多輸入多輸出、時(shí)變、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng) 的分析和設(shè)計(jì)問題[47]。系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、智能控制等理論目 前都是這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著其他學(xué)科的高速發(fā)展尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的不 斷發(fā)展，現(xiàn)代控制理論也正處于一個(gè)不斷自我完善的過程中。 智能控制概述智能控制起源于 20 世紀(jì) 60 年代，隨著空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智 能技術(shù)的發(fā)展，在控制理論的基礎(chǔ)上，人們開始將人工智能技術(shù)應(yīng)用于控制系 統(tǒng)中。智能控制是一門新興、交叉學(xué)科，具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如專家控 制、智能機(jī)器人控制、智能過程控制、智能故障診斷及智能調(diào)度與規(guī)劃。傳統(tǒng)控制即經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制都是基于模型的控制，這類控制需要有精 確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，隨著被控對(duì)象復(fù)雜性不斷提高，其高度的非線性，高噪 聲干擾，動(dòng)態(tài)性突變等復(fù)雜性都難以用精確的數(shù)學(xué)模型來表示。此外系統(tǒng)本身 的不確定性也難以用數(shù)學(xué)模型來描述。由于上述原因，使得基于模型控制的傳 統(tǒng)控制方法顯得乏力。然而，智能控制和傳統(tǒng)控制相比，能夠有效地處理控制 系統(tǒng)中的不確定性和復(fù)雜性，這主要是因?yàn)橹悄芸刂撇捎昧藬M人化的方式來表 達(dá)，即智能控制系統(tǒng)具有擬人的智能決策。智能控制的概念主要是針對(duì)控制系統(tǒng)的不確定性以及復(fù)雜性提出來的，因 此一個(gè)理想的智能控制系統(tǒng)應(yīng)具有如下特性：（1）學(xué)習(xí)功能 系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有類似于人類的學(xué)習(xí)能力，即對(duì)外部未知環(huán)境有認(rèn)知、學(xué)習(xí)、記憶的功能，并利用積累的信息進(jìn)行自我調(diào)節(jié)和改善以到適應(yīng)外部環(huán)境，使系 統(tǒng)性能更加優(yōu)越。（2）適應(yīng)功能 當(dāng)被控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特性變化、環(huán)境變化和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具8哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文有適應(yīng)這種變化的能力。尤其是當(dāng)給定系統(tǒng)一個(gè)全新的輸入是，利用自身的插 補(bǔ)功能，能夠給出理想的輸出。（3）容錯(cuò)功能 對(duì)于系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障能夠及時(shí)屏蔽并作出診斷，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠自動(dòng)回復(fù)到故障前的狀態(tài)。 （4）魯棒性 對(duì)各類干擾和不確定性不敏感。 （5）組織功能系統(tǒng)能夠?qū)?fù)雜的任務(wù)和分散的信息按照一定的邏輯有效的組織協(xié)調(diào)起來 形成完整的結(jié)構(gòu)，并且能夠按照某一規(guī)則解決系統(tǒng)內(nèi)部多目標(biāo)之間的相互沖突 問題。智能控制系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在主要包括分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、 模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以及基于規(guī)則的仿人智能控制等。近年來， 智能控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已取得長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，在某些領(lǐng)域已進(jìn)入工程實(shí)用 的階段。但是作為一門新興的多學(xué)科相互交叉的理論技術(shù)，其目前仍然處于發(fā) 展階段，理論體系尚不成熟，甚至關(guān)于智能控制的定義、理論、結(jié)構(gòu)等都無同 一的系統(tǒng)描述。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能控制也必將迎來發(fā)展的 新時(shí)期。 論文主要研究?jī)?nèi)容針對(duì)油田用高壓注水泵所存在的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作壓力 高、高效節(jié)能的新型高壓往復(fù)泵以解決油田急需。 研究主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用液壓技術(shù)理論和油田注水柱塞泵實(shí)際工況相結(jié)合的方法確定泵體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)目標(biāo)參數(shù)對(duì)新型往復(fù)泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和 動(dòng)力學(xué)分析；（2）根據(jù)泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，利用 編制新型往復(fù)泵的受力計(jì)算程序計(jì)算關(guān)鍵零部件受力，并以此為依據(jù)確定泵體零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，利 用 對(duì)高壓注水泵進(jìn)行三維模型仿真，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；9哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文（3）設(shè)計(jì)與新型往復(fù)泵相匹配的變量機(jī)構(gòu)，并使之成為由伺服閥和液壓缸 組成的電液伺服控制系統(tǒng)，建立了其數(shù)學(xué)模型并在 simulink 中對(duì)穩(wěn)定性等指標(biāo)
進(jìn)行了仿真分析；（4）設(shè)計(jì) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制器和常規(guī) PID 控制器，對(duì)電液伺服控制系 統(tǒng)進(jìn)行了校正，并對(duì)兩種控制器的控制效果進(jìn)行了比較分析。10哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 新型泵的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)本章主要根據(jù)油田新型高壓往復(fù)式柱塞泵的目標(biāo)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，確定新型往復(fù)泵的最大受力，并據(jù)此確定關(guān)鍵零部 件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后利用 UG 繪制其三維仿真模型，直觀表現(xiàn)其結(jié)構(gòu)。 新型泵的傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 傳動(dòng)方式的選擇往復(fù)泵利用工作腔中的容積周期性變化來輸送流體。往復(fù)泵通常有兩部分 組成，一部分稱為液力端，其主要作用是直接輸送液體，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的液壓能；另一部分稱為傳動(dòng)端，其主要作用是將原動(dòng)機(jī)的能量傳給液力端。 油田常用的高壓注水泵結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。圖 21 往復(fù)泵工作示意圖1曲柄；2連桿；3十字頭；4柱塞；5缸套；6排出閥；7排出四通；8預(yù)壓排出空氣包；9排出管；10閥箱；11吸入閥；12吸入管目前油田用往復(fù)式柱塞泵大部分均采用曲軸傳動(dòng)，即由 V 帶傳動(dòng)帶動(dòng)曲 軸旋轉(zhuǎn)，通過連接在曲軸上的連桿帶動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成真空抽水。雖然這種傳動(dòng)方式由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可承受壓力高等原因已在油田普遍推廣使用并已經(jīng)形成 了很成熟的理論體系，但是也同時(shí)存在著一些嚴(yán)重影響的油田生產(chǎn)的不足之處：(1) 由于 V 帶傳動(dòng)過程中由于彈性滑動(dòng)存在，傳動(dòng)效率較低；11哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文(2) 和 V 帶相連接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)形狀為異形、難于加工； (3) 同時(shí)曲軸和十字頭與連接件均為滑動(dòng)摩擦，磨損快、發(fā)熱量大。 (4) 受力復(fù)雜、危險(xiǎn)截面多，空間結(jié)構(gòu)尺寸大； (5) 運(yùn)行噪音大，污染環(huán)境； (6) 排量為定量，難于適應(yīng)不同工況下的油井注水作業(yè)； (7) 難于實(shí)現(xiàn)注水中心控制。 根據(jù)往復(fù)泵的工作原理可知只要柱塞在工作過程中能夠形成真空空間就能