一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台的制作方法

本实用新型涉及石油钻井器械技术领域，具体涉及一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台。

背景技术：

目前，旋转导向钻井系统由于其突出的优点受到人们越来越多的关注，并广泛用于超深井、大位移井和水平井等高难度油气井的开采。然而旋转导向钻井系统是一项集机、电、液于一体的高科技产品，由于国内对旋转导向钻井系统的研究起步较晚，目前仍被国外几家石油公司垄断，因此促进国内研发具有独立知识产权的旋转导向钻井系统是非常有必要的。

然而旋转导向钻井系统的研发是一项投入资金大、研究周期长的高难度系统工程，其中旋转导向执行机构的控制系统是整个系统研究的关键与核心。

目前，旋转导向执行机构的控制系统，研究思路主要是在确定了导向机构的导向原理和工作方式后，立即研制实验样机，然后利用实验样机，通过多次实验的方法，验证和分析研制的旋转导向执行机构控制系统的正确性。

通过制备实验样机，并通过不断实验的方法，来验证旋转导向执行机构的控制系统的正确性，存在如下的缺陷：实验延伸性差，无法对其关键部件的影响进行测试分析；重复设计、研制样机，资金投入大，周期长。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台，包括液压系统和控制系统，所述液压系统包括：无位置传感器无刷直流电机、齿轮泵、压力传感器、可调节流阀、液压缸、弹簧负载和挡板，所述电机和所述齿轮泵通过联轴器连接，所述齿轮泵通过管路与所述液压缸连通，所述压力传感器和所述可调节流阀均设置在所述管路上，所述液压缸的活塞杆用于模拟翼肋，所述挡板用于模拟井壁，所述弹簧负载用于模拟外界负载，所述弹簧负载的一端与所述液压缸的活塞杆连接，所述弹簧负载的另一端与所述挡板连接；

所述控制系统包括：数据采集器、控制器、电机驱动电路、通信装置和上位机，所述数据采集器的输入端与所述压力传感器连接，所述数据采集器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器通过所述通信装置与所述上位机连接，所述控制器的输出端与所述电机驱动电路的输入端连接，所述电机驱动电路的输出端与所述电机连接。

优选地，所述液压系统还包括：阀块，所述阀块位于所述齿轮泵和所述液压缸之间的管路上，所述阀块上设置有单向阀、插装溢流阀、三通阀、压力传感器和压力表；所述单向阀为液体进口，与所述齿轮泵的液体出口连通；所述插装溢流阀用于调节系统安全压力；所述三通阀分别连接液压缸和可调节流阀。

优选地，所述控制系统还包括：电机过零检测电路和保护电路，所述电机过零检测电路分别与所述电机和所述控制器连接，所述保护电路分别与所述电机和所述控制器连接。

优选地，所述控制器采用TMS320F28335型DSP控制芯片。

优选地，所述通信装置通过RS232串口连接所述控制器和所述上位机。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台，该实验平台通过模拟旋转导向执行机构的工作方式，研究导向机构导向力的控制方法和关键部件的工作特性，为实际的导向机构控制系统的研制提供了技术支持，避免了重复设计、研制样机，资金投入小，周期短。

附图说明

图1是本实用新型旋转导向执行机构模拟实验台结构示意图；

图2是本实用新型控制系统结构框图。

图中，各符号的含义如下：

1-无刷直流电机，2-联轴器，3-齿轮泵，4-液体进口，5-单向阀，6-阀块，7-溢流出油口，8-插装溢流阀，9-压力传感器，10-可调节流阀，11-弹簧负载，12-压力表，13-液压缸，14-油缸，15-挡板，16-数据采集器，17-控制器，18-电机驱动电路，19-通信装置，20-上位机，21-电机过零检测电路，22-保护电路，23-液压系统。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-2所示，本实用新型实施例提供了一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台，包括液压系统和控制系统，所述液压系统包括：无位置传感器无刷直流电机1、齿轮泵3、压力传感器9、可调节流阀10、液压缸13、弹簧负载11和挡板15，电机1和齿轮泵3通过联轴器2连接，齿轮泵3通过管路与液压缸13连通，压力传感器9和可调节流阀10均设置在所述管路上，液压缸13的活塞杆用于模拟翼肋，挡板15用于模拟井壁，弹簧负载11用于模拟外界负载，弹簧负载11的一端与液压缸13的活塞杆连接，弹簧负载11的另一端与挡板15连接；

所述控制系统包括：数据采集器16、控制器17、电机驱动电路18、通信装置19和上位机20，数据采集器16的输入端与压力传感器9连接，数据采集器16的输出端与控制器17的输入端连接，控制器17通过通信装置19与上位机20连接，控制器17的输出端与电机驱动电路18的输入端连接，电机驱动电路18的输出端与电机1连接。

上述结构的液压系统中，所述电机为无位置传感器无刷直流电机1，所述电机1和所述齿轮泵3之间通过联轴器相连，用于为液压系统提供动力，通过改变电机的转速来调节系统的压力；

所述液压缸13为单作用液压缸，用于模拟实际旋转导向的工作翼肋，所述模拟井壁的挡板位于液压缸前，通过负载弹簧与液压缸相连；

所述可调节式节流阀8，通过调节阀孔开口大小，使系统产生不同的工作压力，用于研究其对液压系统工作性能的影响；

上述结构的控制系统中，驱动电路与无位置传感器无刷直流电机的三相输入端相连接，通过控制器调节电机转速改变系统压力；

数据采集器连接压力传感器，用于将压力传感器采集的模拟量转化为数字量发送给控制芯片进行处理；

参见图2，系统运行过程中，上位机应用程序通过通信模块发送目标压力值给控制器，控制器接收到信号后启动电机驱动模块输出一定占空比的PWM波作用于电机驱动电路，从而带动电机转动使液压系统产生一定的压力，同时数据采集模块通过压力传感器采集系统当前压力值并反馈到控制器内，如果反馈的压力值与目标值出现偏差，控制器执行控制算法模块调整输出的PWM波占空比改变电机转速使系统压力达到设定值。同时控制器通过通信模块将采集的压力值发送给上位机便于实时监测。

采用本实用新型实施例提供的实验平台，可用于模拟此类旋转导向钻井系统执行机构的工作过程，具体的模拟方法可以为：

通过控制无位置传感器无刷直流电机1驱动齿轮泵3，齿轮泵3产生的高压油主要流入液压缸13和通过可调节流阀10流回油箱。距离液压缸13前一段距离设置有一块挡板来模拟井壁，活塞杆当做翼肋，弹簧11用来模拟外界负载，

当系统工作时液压缸13的活塞杆接触挡板，两者之间产生的相互作用力即为液压系统产生的导向力。通过调节溢流阀9的开口大小或者改变电机1的转速快慢可以控制系统压力，从而改变导向力。然而，在实际井下导向系统中只能使用不可调节流阻尼孔，因此通过该实验用可调节流阀改变节流孔的大小，测试节流阀在不同开口状态下系统压力的响应特性，研究其变化规律为实际导向机构的设计提供参考。

其中，控制系统用于实现对导向机构液压系统的压力控制，包括开环控制和闭环控制；

所述开环控制，通过上位机发送PWM占空比数据给控制器，所述占空比数据用于改变电机转速从而调节系统压力，从而模拟导向机构输出导向力的人工控制；

所述开环控制同时用于研究调节阀开口大小对系统工作性能的影响，所述调节阀为可调是节流阀，通过改变节流孔的大小以及调节所述占空比数据的大小，研究节流孔大小的影响；

所述闭环控制，通过上位机发送系统目标压力值给控制器，所述控制器启动控制算法改变电机转速从而调节系统压力，从而模拟导向机构输出导向力的自动控制。

因此，本实用新型实施例提供的模拟实验平台可以实现对旋转导向执行机构的实际工作方式的模拟，实现了系统压力的闭环控制和任意调节，研究了节流孔在液压系统中的作用，有助于实际导向机构的后期开发。

本实用新型实施例中，所述液压系统还包括：阀块6，阀块6位于齿轮泵3和液压缸13之间的管路上，阀块6上设置有单向阀5、插装溢流阀8、三通阀、压力传感器9和压力表；单向阀5为液体进口4，与齿轮泵3的液体出口连通；插装溢流阀8用于调节系统安全压力；三通阀分别连接液压缸13和可调节流阀10。

其中，所述单向阀5为进油口，与所述齿轮泵3出油口相连，用于防止油液回流；

所述插装溢流阀8用于调节系统安全压力；

所述压力传感器9和压力表12用于采集和显示系统压力。

本实用新型实施例中，所述控制系统还包括：电机过零检测电路21和保护电路22，电机过零检测电路21分别与电机1和控制器17连接，保护电路22分别与电机1和控制器17连接。

其中，过零检测电路用于获取电机反电动势过零点，控制器根据过零点切换电机换相信号。保护电路用于采集电路母线电压和电流，防止过载起到保护作用。

本实用新型实施例中，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，输出换相信号作用于电机驱动电路，用于控制电机换相和调速；采集压力信号通过控制算法模块实现系统压力的闭环控制，同时接受上位机控制信号和发送实时的系统压力值给上位机。

本实用新型实施例中，通信装置19通过RS232串口连接控制器17和上位机20。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本实用新型提供了一种旋转导向执行机构控制系统模拟实验台，该实验平台通过模拟旋转导向执行机构的工作方式，研究导向机构导向力的控制方法和关键部件的工作特性，为实际的导向机构控制系统的研制提供了技术支持，避免了重复设计、研制样机，资金投入小，周期短。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。