基于滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法及系统的制作方法
【专利摘要】基于滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法及系统，包括以下步骤：(1)三维建模：对钻井平台升降单元传动装置进行建模；(2)模型处理：将模型导入Adams机械系统，对模型进行处理；(3)仿真分析：进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；(4)低通滤波处理：建立低通滤波器，对各个仿真数据进行低通滤波处理，并对进行低通滤波器输出结果的平均运算；(5)传动效率计算：将各个仿真数据的平均值进行齿轮传动效率的计算，获得效率曲线；本发明与现有技术对数据离散程度的评价标准不同，弱化了离散程度大的数据点的影响，更强调离散程度越小的数据信息，计算过程的抗干扰性相应增强，得到的效率曲线计算结果也更加符合实际。
【专利说明】
基于滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及钻井平台仿真的技术领域，尤其涉及基于滤波的钻井平台升降单元传 动效率仿真方法及系统。
【背景技术】
[0002] 目前利用多体动力学分析软件，能够进行钻井平台升降单元行星齿轮机构的模型 仿真，获得齿轮机构的输入/输出的转速与输入/输出的力矩，但是由于齿轮轮齿的碰撞嗤 合所引起的接触力变化，以及数值计算中存在的误差，得到的仿真数据是波动的，存在若干 极值点。
[0003] 在现有的技术中，每隔一段时间采样一次得到一组仿真数据点，再对所得到的多 组离散数据点采用最小二乘法进行拟合，获得效率曲线。最小二乘法的缺点就是对所有数 据一视同仁，数据离散程度越大的点，与平均值的差越大，平方后也进一步放大;数据离散 程度越小的点，则效果相反，因此最小二乘法更受到极值点的影响，存在着对数据离散程度 的评价标准单一，得到的结果不一致，仿真效果不理想的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种弱化极值点影响的基于低通滤波的钻井平台升降单 元传动效率仿真方法。
[0005] 本发明的另一个目的在于提出一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率 仿真系统。
[0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，包括以下步骤：
[0008] (1)三维建模:对钻井平台升降单元传动装置进行建模；
[0009] (2)模型处理:将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模 型进行处理；
[0010] (3)仿真分析:进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；
[0011] (4)低通滤波处理:建立低通滤波器，对各个仿真数据进行低通滤波处理以去掉数 值噪声，并进行所述低通滤波器输出结果的平均运算；
[0012] (5)传动效率计算:将各个仿真数据的平均值进行齿轮传动效率的计算，获得效率 曲线。
[0013] 进一步说明，所述仿真数据包括电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿 轮转速。
[0014]进一步说明，所述三维建模是通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿 轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行建模。
[0015] 进一步说明，所述对模型进行处理包括如下内容：
[0016] A创建完整个实体装配模型，对部件进行简化，将独立运动的部件整体保存为.x_t 文件格式；
[0017] B将零部件导入Adams中，设置系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质 量信息；
[0018] C建立Adams动力学仿真边界条件，确定各构件的相对运动关系，附加初始条件。
[0019] 进一步说明，所述仿真分析进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转 矩，仿真时间、求解器和仿真步长来运行仿真，并输出所述仿真数据于文本文件中。
[0020] 一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真系统，包括三维建模模块、 模型处理模块、仿真分析模块和传动效率计算模块，还包括低通滤波处理模块，所述低通滤 波处理模块包括对各个仿真数据的滤波处理，以及对所述低通滤波器输出结果的平均运 算；
[0021] 所述传动效率计算模块包括各个仿真数据的平均值的齿轮传动效率的计算。
[0022] 进一步说明，所述三维建模模块包括通过Sol idworks软件对钻井平台升降单元的 对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔的建模。
[0023] 进一步说明，所述模型处理模块包括根据Adams机械系统分析的需要对模型的处 理。
[0024] 进一步说明，所述仿真分析模块包括进行虚拟样机的仿真以及仿真数据的输出。
[0025] 本发明的有益效果:本发明与现有技术对数据离散程度的评价标准不同，避免了 极值点的影响，增加了低通滤波处理的过程，通过截止频率可调的低通滤波器对仿真数据 进行平滑过滤，再进行传动效率的计算，获得效率曲线，从而弱化了离散程度大的数据点的 影响，强调离散程度越小的数据信息，结果一致性更好，使仿真效果更加准确、直观、方便， 计算过程的抗干扰性相应增强，得到的效率曲线计算结果也更加符合实际。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明一个实施例的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真 方法的流程图；
[0027] 图2是本发明一个实施例的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真 系统的框架图；
[0028] 图3是本发明一个实施例的钻井平台升降单元传动装置仿真结构示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0030] -种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，包括以下步骤：
[0031 ] (1)三维建模:对钻井平台升降单元传动装置进行建模；
[0032] (2)模型处理:将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模 型进行处理；
[0033] (3)仿真分析:进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中；
[0034] (4)低通滤波处理:建立低通滤波器，对各个仿真数据进行低通滤波处理以去掉数 值噪声，并进行所述低通滤波器输出结果的平均运算；
[0035] (5)传动效率计算:将各个仿真数据的平均值进行齿轮传动效率的计算，获得效率 曲线。
[0036] 所述钻井平台升降单元传动装置为行星齿轮机构，由于齿轮轮齿的碰撞啮合所引 起的接触力变化，得到的仿真数据是波动的，因此在各个仿真数据中，大部分的数据点较为 集中，并存在若干极值点。若将仿真数据直接进行传动效率的计算，计算结果波动较大，在 现有技术中通常是间隔一定时间进行采样，得到多个离散的数据点，最后对多个离散的数 据点用最小二乘法进行拟合，获得效率曲线;而本发明提出的所述钻井平台升降单元传动 效率仿真方法与现有的方法对数据离散程度的评价标准不同，因为最小二乘法的缺点就是 对所有数据一视同仁，天然地更强调数据离散程度大的点，数据离散程度越大的点，与平均 值的差越大，平方后也越大;数据离散程度越小的点，则效果相反；因此本发明为避免极值 点的影响，增加了低通滤波处理运用于钻井平台升降单元的仿真中，所述低通滤波器是于 Matlab数学分析软件中建立，通过截止频率可调的低通滤波器对仿真数据进行平滑过滤， 再进行传动效率的计算，获得效率曲线，从而弱化了离散程度大的数据点的影响，更重视离 散程度越小的数据信息，结果稳定，使仿真效果更加准确、直观、方便，计算过程的抗干扰性 相应增强，得到的效率曲线计算结果也更加符合实际。
[0037] 线性数字滤波器模型的一般表达式为：
[0039] 其中{ma2…am}以及{b^…bm}为系数，z为复变量即z变换算子，m，n为模型阶次。
[0040] 假设输入信号为x(n)，则经过滤波器后的输出信号y(k)可以由下面的差分方程表 示为：
[0041] y(k) =-aiy(k_l)-. ? .-amy(k-m)+bix(k)+b2X(k-l) + . ? .+bn+ix(k-n)
[0042]其中k为系统的第k个采样周期。
[0043]上述数字滤波器可以在Matlab中建立，即使用Matlab的函数命令:假设滤波器可 以由a，b两个向量表示，且假设需要过滤的信号为输入向量X，则可以调用filter()函数直 接计算出过滤后的信号向量y为：
[0044] y = filter(b,a,x)
[0045] 上式中，x是未经滤波器处理的原始信号，y是经滤波处理后的结果。通过设置a，b 两个向量的值，即可构成相应的滤波器;在本发明中设置成低通滤波器。
[0046] 进一步说明，所述仿真数据包括电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿 轮转速。
[0047] 为了进行传动效率的计算，则所述仿真数据包括对电机转速、电机转矩、输出齿轮 单元负载和输出齿轮转速的输出数据，即传动效率值=(输出齿轮单元负载X输出齿轮转 速)/(电机转矩X电机转速）。
[0048]进一步说明，所述三维建模是通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿 轮、轴承、齿轮箱和若干孔进行建模。
[0049]所述钻井平台升降单元传动效率的仿真，即对齿轮、轴承之间的传动效率的仿真， 首先需要在三维设计软件中对钻井平台升降单元建立三维模型，因此需要对齿轮、轴承、齿 轮箱和若干孔进行建模，为后续的模型处理、仿真分析、低通滤波处理和传动效率计算提供 模型基础，所述Solidworks软件在理论上可以采用其他三维设计软件替代，如用Pro/E代 替。
[0050]进一步说明，所述对模型进行处理包括如下内容：
[0051 ] A创建完整个实体装配模型，对部件进行简化，将独立运动的部件整体保存为.x_t 文件格式；
[0052] B将零部件导入Adams中，设置系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质 量信息；
[0053] C建立Adams动力学仿真边界条件，确定各构件的相对运动关系，附加初始条件。 [OOM]使用Solidworks软件生成三维模型，将其导入Adams机械系统后，进行上述的模型 处理，对各构件添加运动副、接触力，以符合Adams机械系统分析的需要，从而满足钻井平台 升降单元的仿真要求，将Sol idworks与Adams和Mat lab组合，使所述钻井平台升降单元传动 效率的仿真更加方便有效。
[0055] 进一步说明，所述仿真分析进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转 矩，仿真时间、求解器和仿真步长来运行仿真，并输出所述仿真数据于文本文件中。
[0056] 在进行虚拟样机仿真后，将所述仿真数据输出至文本文件中，即获得升降单元的 输入输出转矩、转速数据，以便于在Matlab数学分析软件中对各个仿真数据进行低通滤波 处理和传动效率的计算。
[0057] 一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真系统，包括三维建模模块、 模型处理模块、仿真分析模块和传动效率计算模块，还包括低通滤波处理模块，所述低通滤 波处理模块包括对各个仿真数据的滤波处理，以及对所述低通滤波器输出结果的平均运 算；
[0058]所述传动效率计算模块包括各个仿真数据的平均值的齿轮传动效率的计算。
[0059]在所述钻井平台升降单元传动效率仿真系统设置了低通滤波处理模块，是用于在 Matlab数学分析软件中建立低通滤波器，从而对仿真数据可进行平滑过滤，再由传动效率 计算模块来获得效率曲线，弱化了离散程度大的数据点的影响，选择离散程度越小的数据 信息，避免了仿真数据中极值的影响，使仿真效果更加准确、直观、方便，使得到的效率曲线 也更加准确。
[0060]进一步说明，所述三维建模模块包括通过Sol idworks软件对钻井平台升降单元的 对齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔的建模。
[0061] 通过三维建模模块对钻井平台升降单元建立模型，实现了钻井平台升降单元的对 齿轮、轴承、齿轮箱和若干孔的仿真，为后续的模块处理提供基础。
[0062] 进一步说明，所述模型处理模块包括根据Adams机械系统分析的需要对模型的处 理。
[0063]由所述模型处理模块进行所建模型的处理，是于Adams机械系统中，进行系统的装 配信息、构件的材料信息、构件的名称和质量信息的设置，确定各构件的相对运动关系等， 以满足钻井平台升降单元的仿真要求。
[0064] 进一步说明，所述仿真分析模块包括进行虚拟样机的仿真以及仿真数据的输出。
[0065] 由所述仿真分析模块在进行虚拟样机仿真，可获得升降单元的输入输出转矩、转 速数据的仿真数据，并将其输出至文本文件中，为低通滤波处理模块和传动效率计算模块 提供数据基础。
[0066] 实施例-一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法
[0067] 如图1所示，一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，包括以下 步骤：
[0068] (1)三维建模:通过Sol idworks软件对钻井平台升降单元的零部件齿轮、轴承、齿 轮箱和若干孔进行三维建模；
[0069] (2)模型处理:将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模 型进行处理，对各构件添加运动副、接触力，以满足钻井平台升降单元的仿真要求；
[0070] (3)仿真分析:进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转矩，仿真时间、 求解器和仿真步长来运行仿真，并获得并输出所述仿真数据电机转速、电机转矩、输出齿轮 单元负载和输出齿轮转速于文本文件中；
[0071] (4)低通滤波处理:于Mat lab数学分析软件中建立低通滤波器，对所述各个仿真数 据电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速进行低通滤波处理以去掉数值 噪声，并进行所述低通滤波器输出结果的平均运算；
[0072] (5)传动效率计算:将各个仿真数据的平均值进行齿轮传动效率的计算，获得效率 曲线，即传动效率值=(输出齿轮单元负载X输出齿轮转速)/(电机转矩X电机转速）。
[0073]以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的 原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术 人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它【具体实施方式】，这些方式都将落入 本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法，其特征在于:包括以下 步骤： (1) 三维建模:对钻井平台升降单元传动装置进行建模； (2) 模型处理:将模型导入Adams机械系统，根据Adams机械系统分析的需要，对模型进 行处理； (3) 仿真分析:进行虚拟样机仿真，并输出仿真数据于文本文件中； (4) 低通滤波处理:建立低通滤波器，对各个仿真数据进行滤波处理以去掉数值噪声， 并进行所述低通滤波器输出结果的平均运算； (5) 传动效率计算：将各个仿真数据的平均值进行齿轮传动效率的计算，获得效率曲 线。2. 根据权利要求1所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法， 其特征在于:所述仿真数据包括电机转速、电机转矩、输出齿轮单元负载和输出齿轮转速。3. 根据权利要求1所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法， 其特征在于:所述三维建模是通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的齿轮、轴承、齿轮 箱和若干孔进行建模。4. 根据权利要求1所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法， 其特征在于:所述对模型进行处理包括如下内容： A创建完整个实体装配模型，对部件进行简化，将独立运动的部件整体保存为.x_t文件 格式； B将零部件导入Adams中，设置系统的装配信息、构件的材料信息、构件的名称和质量信 息； C建立Adams动力学仿真边界条件，确定各构件的相对运动关系，附加初始条件。5. 根据权利要求1所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真方法， 其特征在于:所述仿真分析进行虚拟样机仿真，通过设置电动机角速度和负载转矩，仿真时 间、求解器和仿真步长来运行仿真，并输出所述仿真数据于文本文件中。6. -种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真系统，包括三维建模模块、模 型处理模块、仿真分析模块和传动效率计算模块，其特征在于:还包括低通滤波处理模块， 所述低通滤波处理模块包括对各个仿真数据的滤波处理，以及对所述低通滤波器输出结果 的平均运算； 所述传动效率计算模块包括各个仿真数据的平均值的齿轮传动效率的计算。7. 根据权利要求6所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真系统， 其特征在于:所述三维建模模块包括通过Solidworks软件对钻井平台升降单元的对齿轮、 轴承、齿轮箱和若干孔的建模。8. 根据权利要求6所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真系统， 其特征在于:所述模型处理模块包括根据Adams机械系统分析的需要对模型的处理。9. 根据权利要求6所述的一种基于低通滤波的钻井平台升降单元传动效率仿真系统， 其特征在于:所述仿真分析模块包括进行虚拟样机的仿真以及仿真数据的输出。
【文档编号】G06F17/50GK105912754SQ201610207331
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】吴平平, 马振军, 李光远, 陆军, 张静波
【申请人】广东精铟海洋工程股份有限公司