本實用新型涉及石油鉆井器械技術領域，具體涉及一種旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)模擬實驗臺。

背景技術：

目前，旋轉導向鉆井系統(tǒng)由于其突出的優(yōu)點受到人們越來越多的關注，并廣泛用于超深井、大位移井和水平井等高難度油氣井的開采。然而旋轉導向鉆井系統(tǒng)是一項集機、電、液于一體的高科技產(chǎn)品，由于國內(nèi)對旋轉導向鉆井系統(tǒng)的研究起步較晚，目前仍被國外幾家石油公司壟斷，因此促進國內(nèi)研發(fā)具有獨立知識產(chǎn)權的旋轉導向鉆井系統(tǒng)是非常有必要的。

然而旋轉導向鉆井系統(tǒng)的研發(fā)是一項投入資金大、研究周期長的高難度系統(tǒng)工程，其中旋轉導向執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)研究的關鍵與核心。

目前，旋轉導向執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，研究思路主要是在確定了導向機構的導向原理和工作方式后，立即研制實驗樣機，然后利用實驗樣機，通過多次實驗的方法，驗證和分析研制的旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)的正確性。

通過制備實驗樣機，并通過不斷實驗的方法，來驗證旋轉導向執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)的正確性，存在如下的缺陷：實驗延伸性差，無法對其關鍵部件的影響進行測試分析；重復設計、研制樣機，資金投入大，周期長。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)模擬實驗臺，從而解決現(xiàn)有技術中存在的前述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案如下：

一種旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)模擬實驗臺，包括液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述液壓系統(tǒng)包括：無位置傳感器無刷直流電機、齒輪泵、壓力傳感器、可調(diào)節(jié)流閥、液壓缸、彈簧負載和擋板，所述電機和所述齒輪泵通過聯(lián)軸器連接，所述齒輪泵通過管路與所述液壓缸連通，所述壓力傳感器和所述可調(diào)節(jié)流閥均設置在所述管路上，所述液壓缸的活塞桿用于模擬翼肋，所述擋板用于模擬井壁，所述彈簧負載用于模擬外界負載，所述彈簧負載的一端與所述液壓缸的活塞桿連接，所述彈簧負載的另一端與所述擋板連接；

所述控制系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集器、控制器、電機驅(qū)動電路、通信裝置和上位機，所述數(shù)據(jù)采集器的輸入端與所述壓力傳感器連接，所述數(shù)據(jù)采集器的輸出端與所述控制器的輸入端連接，所述控制器通過所述通信裝置與所述上位機連接，所述控制器的輸出端與所述電機驅(qū)動電路的輸入端連接，所述電機驅(qū)動電路的輸出端與所述電機連接。

優(yōu)選地，所述液壓系統(tǒng)還包括：閥塊，所述閥塊位于所述齒輪泵和所述液壓缸之間的管路上，所述閥塊上設置有單向閥、插裝溢流閥、三通閥、壓力傳感器和壓力表；所述單向閥為液體進口，與所述齒輪泵的液體出口連通；所述插裝溢流閥用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全壓力；所述三通閥分別連接液壓缸和可調(diào)節(jié)流閥。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)還包括：電機過零檢測電路和保護電路，所述電機過零檢測電路分別與所述電機和所述控制器連接，所述保護電路分別與所述電機和所述控制器連接。

優(yōu)選地，所述控制器采用TMS320F28335型DSP控制芯片。

優(yōu)選地，所述通信裝置通過RS232串口連接所述控制器和所述上位機。

本實用新型的有益效果是：本實用新型提供了一種旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)模擬實驗臺，該實驗平臺通過模擬旋轉導向執(zhí)行機構的工作方式，研究導向機構導向力的控制方法和關鍵部件的工作特性，為實際的導向機構控制系統(tǒng)的研制提供了技術支持，避免了重復設計、研制樣機，資金投入小，周期短。

附圖說明

圖1是本實用新型旋轉導向執(zhí)行機構模擬實驗臺結構示意圖；

圖2是本實用新型控制系統(tǒng)結構框圖。

圖中，各符號的含義如下：

1-無刷直流電機，2-聯(lián)軸器，3-齒輪泵，4-液體進口，5-單向閥，6-閥塊，7-溢流出油口，8-插裝溢流閥，9-壓力傳感器，10-可調(diào)節(jié)流閥，11-彈簧負載，12-壓力表，13-液壓缸，14-油缸，15-擋板，16-數(shù)據(jù)采集器，17-控制器，18-電機驅(qū)動電路，19-通信裝置，20-上位機，21-電機過零檢測電路，22-保護電路，23-液壓系統(tǒng)。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1-2所示，本實用新型實施例提供了一種旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)模擬實驗臺，包括液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述液壓系統(tǒng)包括：無位置傳感器無刷直流電機1、齒輪泵3、壓力傳感器9、可調(diào)節(jié)流閥10、液壓缸13、彈簧負載11和擋板15，電機1和齒輪泵3通過聯(lián)軸器2連接，齒輪泵3通過管路與液壓缸13連通，壓力傳感器9和可調(diào)節(jié)流閥10均設置在所述管路上，液壓缸13的活塞桿用于模擬翼肋，擋板15用于模擬井壁，彈簧負載11用于模擬外界負載，彈簧負載11的一端與液壓缸13的活塞桿連接，彈簧負載11的另一端與擋板15連接；

所述控制系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集器16、控制器17、電機驅(qū)動電路18、通信裝置19和上位機20，數(shù)據(jù)采集器16的輸入端與壓力傳感器9連接，數(shù)據(jù)采集器16的輸出端與控制器17的輸入端連接，控制器17通過通信裝置19與上位機20連接，控制器17的輸出端與電機驅(qū)動電路18的輸入端連接，電機驅(qū)動電路18的輸出端與電機1連接。

上述結構的液壓系統(tǒng)中，所述電機為無位置傳感器無刷直流電機1，所述電機1和所述齒輪泵3之間通過聯(lián)軸器相連，用于為液壓系統(tǒng)提供動力，通過改變電機的轉速來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力；

所述液壓缸13為單作用液壓缸，用于模擬實際旋轉導向的工作翼肋，所述模擬井壁的擋板位于液壓缸前，通過負載彈簧與液壓缸相連；

所述可調(diào)節(jié)式節(jié)流閥8，通過調(diào)節(jié)閥孔開口大小，使系統(tǒng)產(chǎn)生不同的工作壓力，用于研究其對液壓系統(tǒng)工作性能的影響；

上述結構的控制系統(tǒng)中，驅(qū)動電路與無位置傳感器無刷直流電機的三相輸入端相連接，通過控制器調(diào)節(jié)電機轉速改變系統(tǒng)壓力；

數(shù)據(jù)采集器連接壓力傳感器，用于將壓力傳感器采集的模擬量轉化為數(shù)字量發(fā)送給控制芯片進行處理；

參見圖2，系統(tǒng)運行過程中，上位機應用程序通過通信模塊發(fā)送目標壓力值給控制器，控制器接收到信號后啟動電機驅(qū)動模塊輸出一定占空比的PWM波作用于電機驅(qū)動電路，從而帶動電機轉動使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定的壓力，同時數(shù)據(jù)采集模塊通過壓力傳感器采集系統(tǒng)當前壓力值并反饋到控制器內(nèi)，如果反饋的壓力值與目標值出現(xiàn)偏差，控制器執(zhí)行控制算法模塊調(diào)整輸出的PWM波占空比改變電機轉速使系統(tǒng)壓力達到設定值。同時控制器通過通信模塊將采集的壓力值發(fā)送給上位機便于實時監(jiān)測。

采用本實用新型實施例提供的實驗平臺，可用于模擬此類旋轉導向鉆井系統(tǒng)執(zhí)行機構的工作過程，具體的模擬方法可以為：

通過控制無位置傳感器無刷直流電機1驅(qū)動齒輪泵3，齒輪泵3產(chǎn)生的高壓油主要流入液壓缸13和通過可調(diào)節(jié)流閥10流回油箱。距離液壓缸13前一段距離設置有一塊擋板來模擬井壁，活塞桿當做翼肋，彈簧11用來模擬外界負載，

當系統(tǒng)工作時液壓缸13的活塞桿接觸擋板，兩者之間產(chǎn)生的相互作用力即為液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的導向力。通過調(diào)節(jié)溢流閥9的開口大小或者改變電機1的轉速快慢可以控制系統(tǒng)壓力，從而改變導向力。然而，在實際井下導向系統(tǒng)中只能使用不可調(diào)節(jié)流阻尼孔，因此通過該實驗用可調(diào)節(jié)流閥改變節(jié)流孔的大小，測試節(jié)流閥在不同開口狀態(tài)下系統(tǒng)壓力的響應特性，研究其變化規(guī)律為實際導向機構的設計提供參考。

其中，控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)對導向機構液壓系統(tǒng)的壓力控制，包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制；

所述開環(huán)控制，通過上位機發(fā)送PWM占空比數(shù)據(jù)給控制器，所述占空比數(shù)據(jù)用于改變電機轉速從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，從而模擬導向機構輸出導向力的人工控制；

所述開環(huán)控制同時用于研究調(diào)節(jié)閥開口大小對系統(tǒng)工作性能的影響，所述調(diào)節(jié)閥為可調(diào)是節(jié)流閥，通過改變節(jié)流孔的大小以及調(diào)節(jié)所述占空比數(shù)據(jù)的大小，研究節(jié)流孔大小的影響；

所述閉環(huán)控制，通過上位機發(fā)送系統(tǒng)目標壓力值給控制器，所述控制器啟動控制算法改變電機轉速從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，從而模擬導向機構輸出導向力的自動控制。

因此，本實用新型實施例提供的模擬實驗平臺可以實現(xiàn)對旋轉導向執(zhí)行機構的實際工作方式的模擬，實現(xiàn)了系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制和任意調(diào)節(jié)，研究了節(jié)流孔在液壓系統(tǒng)中的作用，有助于實際導向機構的后期開發(fā)。

本實用新型實施例中，所述液壓系統(tǒng)還包括：閥塊6，閥塊6位于齒輪泵3和液壓缸13之間的管路上，閥塊6上設置有單向閥5、插裝溢流閥8、三通閥、壓力傳感器9和壓力表；單向閥5為液體進口4，與齒輪泵3的液體出口連通；插裝溢流閥8用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全壓力；三通閥分別連接液壓缸13和可調(diào)節(jié)流閥10。

其中，所述單向閥5為進油口，與所述齒輪泵3出油口相連，用于防止油液回流；

所述插裝溢流閥8用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全壓力；

所述壓力傳感器9和壓力表12用于采集和顯示系統(tǒng)壓力。

本實用新型實施例中，所述控制系統(tǒng)還包括：電機過零檢測電路21和保護電路22，電機過零檢測電路21分別與電機1和控制器17連接，保護電路22分別與電機1和控制器17連接。

其中，過零檢測電路用于獲取電機反電動勢過零點，控制器根據(jù)過零點切換電機換相信號。保護電路用于采集電路母線電壓和電流，防止過載起到保護作用。

本實用新型實施例中，控制器17采用TMS320F28335型DSP控制芯片。

控制器采用TMS320F28335型DSP控制芯片，輸出換相信號作用于電機驅(qū)動電路，用于控制電機換相和調(diào)速；采集壓力信號通過控制算法模塊實現(xiàn)系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制，同時接受上位機控制信號和發(fā)送實時的系統(tǒng)壓力值給上位機。

本實用新型實施例中，通信裝置19通過RS232串口連接控制器17和上位機20。

通過采用本實用新型公開的上述技術方案，得到了如下有益的效果：本實用新型提供了一種旋轉導向執(zhí)行機構控制系統(tǒng)模擬實驗臺，該實驗平臺通過模擬旋轉導向執(zhí)行機構的工作方式，研究導向機構導向力的控制方法和關鍵部件的工作特性，為實際的導向機構控制系統(tǒng)的研制提供了技術支持，避免了重復設計、研制樣機，資金投入小，周期短。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

本領域人員應該理解的是，上述實施例提供的方法步驟的時序可根據(jù)實際情況進行適應性調(diào)整，也可根據(jù)實際情況并發(fā)進行。

上述實施例涉及的方法中的全部或部分步驟可以通過程序來指令相關的硬件來完成，所述的程序可以存儲于計算機設備可讀取的存儲介質(zhì)中，用于執(zhí)行上述各實施例方法所述的全部或部分步驟。所述計算機設備，例如：個人計算機、服務器、網(wǎng)絡設備、智能移動終端、智能家居設備、穿戴式智能設備、車載智能設備等；所述的存儲介質(zhì)，例如：RAM、ROM、磁碟、磁帶、光盤、閃存、U盤、移動硬盤、存儲卡、記憶棒、網(wǎng)絡服務器存儲、網(wǎng)絡云存儲等。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視本實用新型的保護范圍。