一种随钻测量工具中旋转阀的转速控制模拟实验装置的制作方法

本发明属于钻井设备控制技术领域，涉及一种用于随钻测量工具中的钻井液连续压力波信号发生器的旋转阀转速控制模拟实验装置。

背景技术：

井下随钻测量(mwd)是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，mwd工具安装在钻头上部的钻铤内，见图1。在mwd工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。钻井液压力信息遥测通常采用连续压力波来传输井下信息，钻井液连续压力波信号由旋转阀式井下连续压力波信号发生器产生，旋转阀式连续压力波信号发生器由定子和相对于定子运动的转子组成。旋转阀位于安装有井下测量工具的钻铤上部，钻铤是钻柱的一部分，钻铤下部连接钻头；旋转阀的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定在钻铤内壁，转子安装在定子下部，钻井液从定子上部流入，从转子下部流出；为便于转子相对于定子转动，转子直径稍小于定子直径，且定子下表面与转子上表面之间留有一定间隙；转子由电机通过减速器进行驱动，定子和转子上有相同数量的多个孔口和叶片，定子和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔，在转子相对于定子转动过程中，转子上的孔口相对于定子孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使定子上部的钻井液压力发生变化，该压力以波动方式向井口传输，利用该压力波可以进行井下测量数据的上传。钻井液连续压力波信号通常为钻井液压力相移键控(psk)信号，实现方法为首先让旋转阀转子在某一固定转速下产生呈正弦变化的钻井液压力波作为通信载波，然后通过随钻测量数据形成的基带电压脉冲控制旋转阀转速，使旋转阀转速在一个载波周期的时间内降低，造成钻井液压力载波的相位延迟来表示编码信息，这一过程称之为钻井液压力相移键控(psk)调制，是一种机械调制方式，调制产生的钻井液压力相移键控信号即携带有井下测量信息，通过钻井液信道传输到井口后，经过井口压力传感器的检测、处理、解码等可以恢复信号携带的随钻测量数据，实现井下测量数据的上传。研究表明，旋转阀旋转过程中钻井液作用在旋转阀转子上的力矩随旋转角呈非单调的复杂规律变化，见图3，如果把该力矩看做旋转阀的负载力矩，旋转阀的负载力矩通过减速器传递到电机端，会对电机的转速控制造成极大影响，并直接影响旋转阀的转速。如果旋转阀的转速不能遵循随钻测量数据形成的基带电压脉冲变化，会造成旋转阀无法产生钻井液连续压力波信号，或产生的钻井液连续压力波信号品质严重变劣，无法满足随钻测量数据传输的要求。关于旋转阀的转速控制，美国专利u.s.pat.no.5237540介绍了一种采用磁力辅助来加快电机转速响应速度进行相移键控调制的方法，电机的转速控制采用自适应pd(比例—微分)调节算法，通过自动调节pd参数来克服钻井液流量和密度变化对转速的影响，但没有考虑旋转阀负载力矩随转角的复杂非线性变化对转速的影响；且在调相控制脉冲作用下，一个载波周期内旋转阀转速的上升或下降时间(达到稳定转速90％所用时间)达到载波周期的1/3，说明转速跟随调相控制脉冲的能力很差，会造成调制后的钻井液连续压力波信号品质的严重下降。沈跃等在“负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制”(科学技术与工程2018)一文中根据旋转阀负载力矩的计算模型，采用负载力矩的前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正，通过转速负反馈形成pid(比例—积分—微分)闭环实现旋转阀转速的快速随动控制，该控制策略经过matlab/simulink的仿真证明具有较好地转速控制效果，但需要通过实验进行进一步验证。旋转阀转速控制模拟实验装置正常运行的关键是如何实现旋转阀负载力矩的模拟，以4个阀孔的旋转阀为例，产生20hz的压力载波需要旋转阀的转速达到5转/秒，此时压力载波的周期为50毫秒，而负载力矩的变化周期大约为25毫秒，见图4；因此要求力矩模拟部件产生相应力矩变化的动态响应时间一般在1毫秒以内，即使在实验过程中通过适当降低旋转阀电机的转速或增加电机减速器的减速比来延长负载力矩变化周期，也需要将力矩模拟部件的动态响应时间限制在50毫秒以内。磁粉制动器是一种较理想的负载力矩模拟部件，通过其产生的制动力矩来模拟负载力矩；磁粉制动器以悬浮在液体中的磁粉作为工作介质，磁粉在磁场作用下聚集并对磁粉制动器中的转盘转动产生阻力，由此对磁粉制动器的转轴引入制动力矩，通过改变磁粉制动器励磁线圈的电流可以改变制动力矩，制动力矩与线圈电流基本呈近线性关系，且提供的制动力矩与转速无关；在励磁电流变化情况下，制动器中液体对磁粉的聚集与扩散运动存在阻滞作用，因此制动力矩的变化存在一定的反应时间，目前动作最快的磁粉制动器的制动力矩时间常数均大于400毫秒，要使制动力矩基本达到稳态值，通常要求计算机测控系统的采样周期为制动力矩时间常数的4倍，如果将计算机测控系统的采样周期确定为磁粉制动器的动态响应时间，则动态响应时间大于1600毫秒，如果用50个采样周期来构成旋转阀产生正弦压力信号的一个载波周期，则压力载波周期会大于80秒，以4个阀孔的旋转阀来计算，相当于旋转阀转速小于1/320转/秒，低于正常转速约1600倍。基于上述的数据分析，由于磁粉制动器的制动力矩存在较大的时间常数，磁粉制动器远不能达到提供快速变化的旋转阀负载力矩的实验需求，无法实现接近旋转阀工作状态的转速控制模拟实验。因此，如何大幅度提高磁粉制动器的动态反应速度是旋转阀转速控制模拟实验需解决的一个关键问题，但现有技术还无法提供有效的解决方法和解决途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种随钻测量工具中旋转阀的转速控制模拟实验装置，本发明所采用的技术方案是采用励磁电压的增量补偿方法提高磁粉制动器的动态反应速度；实验装置中采用磁粉制动器的制动力矩来模拟旋转阀的负载力矩，并通过磁粉制动器的转速控制来模拟旋转阀的转速控制效果。当磁粉制动器的励磁电压变化时，需要磁粉制动器产生的制动力矩变化能够跟随励磁电压的快速变化，由于磁粉制动器产生的制动力矩对励磁电压的反应存在一定的时间延迟，表现为制动力矩遵循时间的指数规律变化，只有当励磁电压的作用时间大于4倍的时间常数时，磁粉制动器的制动力矩才能基本达到稳定，因此，时间常数影响制动力矩的反应速度；由于磁粉制动器的时间常数较大，其制动力矩的变化无法做到对励磁电压变化的快速跟随，使磁粉制动器正常产生的制动力矩无法用于模拟旋转阀负载力矩的快速与复杂变化情况。通过提高磁粉制动器制动力矩增量的稳态值来补偿时间常数引起的制动力矩变化量的降低，可以大幅度提高磁粉制动器动态反应速度，采用励磁电压的增量补偿后，某一时刻t0施加给磁粉制动器的励磁电压增量应符合下述数学模型

其中，δt为励磁电压增量的作用时长；δmr(t0)为t0时刻基于旋转阀负载力矩计算模型得到的负载力矩增量；k为系数；τm为磁粉制动器的时间常数。

数学分析表明，经过励磁电压的增量补偿后磁粉制动器动态反应速度得到改善，改善效果为

其中，rm(t0)为t0时刻经过励磁电压增量补偿后的动态反应速度；r(t0)为t0时刻未经过励磁电压增量补偿的动态反应速度。

磁粉制动器动态反应速度的改善效果与δt/τm有关，计算表明，δt/τm越小，动态反应速度的改善越明显，动态反应速度越快；通过减小励磁电压增量的作用时间，使磁粉制动器的动态反应速度提高，可以在一定程度上克服时间常数对其制动力矩快速响应励磁电压变化的影响，使磁粉制动器产生的制动力矩可以用于模拟旋转阀负载力矩随时间快速与复杂的变化规律。

进一步，采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿实现磁粉制动器转速的快速随动控制；

磁粉制动器的转轴由直流电动机通过减速机来驱动旋转，磁粉制动器产生的制动力矩遵循旋转阀负载力矩计算模型的变化规律并作用于电机转轴，由于磁粉制动器的制动力矩随旋转角呈非单调的复杂规律变化，造成转角控制系统的严重非线性，为实现其转速控制，需要对磁粉制动器的转角控制系统进行线性化校正。

采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿可以实现转角控制系统的线性化校正，进而实现磁粉制动器转速的线性控制。在转角控制系统的线性化校正过程中，直流电机的控制电压规律应遵循下述数学模型

其中，v为角加速度给定值；ke为电机常数；ra为电机内阻；j为转动惯量；kn为减速机减速比；mr(t)为旋转阀负载力矩计算模型函数。

进一步，为使磁粉制动器的转速在脉冲信号作用下达到快速稳定，将pid环节串入经过线性校正的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成磁粉制动器转速的pid闭环控制。在转速闭环控制中，转速控制算法按照基带电压脉冲幅度给定磁粉制动器转速的期望值，同时对磁粉制动器的转速进行监测，将监测到的转速值反馈到系统输入端与转速期望值相减，得到转速误差值送入pid环节进行快速调节并将调节结果转换为角加速度设定值，然后根据旋转阀负载力矩的计算模型mr(t)通过上式产生电机控制电压用于控制直流电动机的转速，再通过减速器驱动磁粉制动器转轴，使转速快速达到期望值，实现磁粉制动器转速的快速稳定调节。

本发明的有益效果是：采用励磁电压的增量补偿方法提高磁粉制动器的动态反应速度，使磁粉制动器产生的制动力矩能够跟随励磁电压的快速变化，达到模拟旋转阀负载力矩随时间快速变化规律的目的；采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿实现磁粉制动器转速的快速随动控制，可以研究在脉冲信号作用下磁粉制动器转速的时间延迟及转速对脉冲信号的跟随特性，用于模拟研究钻井液压力psk调制过程中旋转阀转速在基带电压脉冲作用下的变化情况。本发明的实验装置能够真实地模拟旋转阀负载力矩对转速控制的影响并对旋转阀转速控制策略的控制效果实现实验评估。

附图说明

图1是现有技术中包含有随钻测量工具及旋转阀式钻井液连续压力波信号发生器的钻井装置示意图；

图2是具有4个阀孔的旋转阀构成的钻井液压力信号发生器结构示意图。

图3是钻井液流量影响下旋转阀负载力矩随旋转角变化的曲线；

图4是钻井液流量影响下旋转阀负载力矩随时间变化的曲线；

图5是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置的结构示意图；

图6是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置中磁粉制动器制动力矩的实验数据曲线；

图7是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置的电机转速pid闭环控制系统结构示意框图；

图8是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置阶跃信号下的磁粉制动器转速变化实验曲线。

图中，1-钻井液、2-地面、3-钻柱、4-钻井液泵、5-钻头、6-环形空间、7-地层、8-钻井参数及地层参数测量装置、9-信号发生器、10-高频电压表、11-信号处理装置、12-钻铤、13-钻井液罐、14-旋转阀定子、15-旋转阀转子、16-转子轴、17-减速器、18-旋转阀电机、19-旋转阀电机控制电路、20-旋转阀、21-直流电动机、22-减速机、23-转矩/转速传感器、24-磁粉制动器、25-电动机转轴连接器、26-减速机输出轴连接器、27-磁粉制动器转轴连接器、28-减震块、29-电动机底座、30-钢制底板、31-减速机底座、32-转矩/转速传感器底座。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，图1是现有技术中包含有随钻测量工具及旋转阀式钻井液连续压力波信号发生器的钻井装置示意图；图2是具有4个阀孔的旋转阀构成的钻井液压力信号发生器结构示意图。

1.采用励磁电压的增量补偿方法提高磁粉制动器的动态反应速度

研究表明，旋转阀的负载力矩与钻井液流量的平方有关，与钻井液密度呈线性关系，负载力矩随旋转角呈非单调的复杂规律变化，其计算模型可以表示为旋转角的多项式函数

mr(θ)＝b+ρq²(a0+a1θ+a2θ²+l+amθ^m)(1)

其中：θ为旋转阀的旋转角；q为钻井液流量；ρ为钻井液密度；b为常数项；ai为多项式系数，i＝0,1,2,l,m；m为多项式项数。

设旋转阀的稳定转速为ns，将旋转角转换为时间函数，有θ＝2πnst＝kat，式(1)可以变换为负载力矩随时间变化的计算模型

mr(t)＝b+ρq²[a0+a1kat+a2(kat)²+l+am(kat)^m](2)

对式(2)进行微分运算，得到负载力矩随时间的变化量为

δmr(t)＝ρq²[a1ka+2a2kat+l+mam(kat)^m-1]δt(3)

由于磁粉制动器产生的制动力矩用于模拟旋转阀的负载力矩，因此制动力矩应遵循旋转阀负载力矩计算模型mr(t)的变化规律。

磁粉制动器产生的稳态制动力矩与励磁电压呈线性关系，稳态制动力矩可以表示为

ms＝kv(4)

其中，k为系数；v为励磁电压。

设磁粉制动器产生的制动力矩为mm(t)，当励磁电压变化时，需要磁粉制动器产生的制动力矩变化能够跟随励磁电压的快速变化。由于磁粉制动器产生的制动力矩对励磁电压的反应存在一定的时间延迟，设磁粉制动器产生制动力矩变化量δmm(t)的时间常数为τm，励磁电压增量的作用时间为δt，则δt时间内励磁电压增量作用下磁粉制动器产生的制动力矩变化量为

其中，δms为制动力矩增量的稳态值；0≤t≤δt为励磁电压增量作用时间；δt为作用时长。

对式(5)进行求导运算，可以得到制动力矩增量随时间的变化率

如果将r(t)看做磁粉制动器的动态反应速度。可以看出，在励磁电压增量作用时长δt较小的情况下，时间常数τm的存在会造成制动力矩响应速度的降低，使制动力矩无法跟随励磁电压的快速变化。

为解决这一问题，在励磁电压增量作用时长内，通过提高制动力矩增量稳态值δms的方法补偿时间常数引起的制动力矩变化量的降低，以此来加快制动力矩的响应速度。

设δt时间内磁粉制动器制动力矩变化量应达到的期望值为δme，则有

则磁粉制动器应产生的制动力矩增量的稳态值应为

从式(7)可以看出，如果δt＜4τm，则有δms＞δme，即磁粉制动器产生的制动力矩变化量的稳态值应大于制动力矩变化量的期望值。

在某一时刻t0处，制动力矩变化量的期望值δme(t0)应与旋转阀负载力矩在该时刻的变化量δmr(t0)相等，因此有δme(t0)＝δmr(t0)＝mr(t0)-mr(t0-δt)，则t0时刻制动力矩增量的稳态值应达到

根据式(4)，由于ms＝kv，其微分为δms＝kδv，因此t0时刻需要磁粉制动器产生的稳态制动力矩变化量为

则t0时刻施加给磁粉制动器的励磁电压增量应符合下述数学模型

由式(10)可以看出，随着δt/τm的减小，励磁电压的增量δv(t0)逐渐加大，使磁粉制动器产生的制动力矩变化量δmm(t0)增加，从而实现励磁电压增量对制动力矩变化量的有效补偿，达到大幅度提高磁粉制动器动态反应速度的目的。

设t0时刻经过励磁电压增量补偿后的磁粉制动器的动态反应速度为rm(t0)，t0时刻未经过励磁电压增量补偿的动态反应速度为r(t0)，经过数学分析有

由于因此有rm(t0)＞r(t0)，即磁粉制动器的动态反应速度得到改善，改善效果为

计算分析表明，δt/τm越小，磁粉制动器动态反应速度的改善越明显。

经过励磁电压增量补偿后，δt时长内磁粉制动器产生的制动力矩某一时刻可以达到期望值δmr(t0)，而未经过励磁电压增量补偿时达到δmr(t0)所用时间为4τm，由于δt＜＜4τm，因此经过励磁电压增量补偿后制动力矩达到期望值δmr(t0)的时间大幅度减少，时间的占用率为

可以看出，δt/τm越小，磁粉制动器动态反应速度的改善越明显，制动力矩达到期望值所用的时间占用率越低。

将所有δv(t)进行相加，可以得到t0时刻应施加给磁粉制动器的励磁电压。将δv(t)、δmr(t)用微分表示，有δv(t)＝dv(t)，δmr(t)＝dmr(t)，则式(10)可以表示为

对式(14)两端进行定积分运算有

则t0时刻应施加给磁粉制动器的励磁电压为

其中，mr(t0)＝b+ρq²[a0+a1kat0+a2(kat0)²+l+am(kat0)^m]为t0时刻旋转阀的负载力矩；mr(0)＝b+a0ρq²为零时刻旋转阀的负载力矩；v(0)为零时刻应施加给磁粉制动器的励磁电压。

根据磁粉制动器的稳态制动力矩与励磁电压关系ms＝kv，零时刻磁粉制动器的制动力矩应与零时刻旋转阀的负载力矩相等，即mr(0)＝kv(0)，因此t0时刻应施加给磁粉制动器的励磁电压又可以表示为

用磁粉制动器产生符合式(2)的旋转阀负载力矩需要通过计算机测控系统来实现。设时间离散条件下的采样周期为t，时间序数为n，则t＝nt；如果δmm为一个采样周期内磁粉制动器产生的制动力矩变化量，n0为t0时刻的时间序数，则δt＝t，对应t0＝n0t，式(16)用时间离散参数表示为

其中，mr(n0t)＝b+ρq²[a0+a1kan0t+l+am(kan0t)^m]；mr(0)＝b+a0ρq²。

根据磁粉制动器励磁线圈的内阻及最大允许电流得到的最大励磁电压vmax，旋转阀负载力矩计算模型函数mr(nt)的最大值mrmax，基于式(17)的计算可以确定出采样周期

2.采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿实现磁粉制动器转速的快速随动控制

本发明的旋转阀转速控制实验装置中，直流电动机通过减速机来驱动磁粉制动器转轴，磁粉制动器产生的制动力矩mm(θ)遵循式(1)的旋转阀负载力矩计算模型mr(θ)的变化规律并作用于电机转轴，对电机和磁粉制动器的转速产生影响。

根据转速与转角的导数关系，磁粉制动器转速为如果磁粉制动器的转角可控，则其转速可控。

根据转矩平衡方程，可以得到磁粉制动器的转角控制数学模型

其中，θ为磁粉制动器转轴的旋转角；u为直流电动机的控制电压；ke为电机常数；ra为电动机内阻；j为转动惯量；kn为减速机的减速比；mm(θ)为制动力矩；t为时间。

式(19)中，为电机电压的控制项；为磁粉制动器制动力矩的影响项；这两项组成了磁粉制动器转角的控制项；由于制动力矩mm(θ)为旋转角的非线性函数，如果电机采用恒电压控制，则转角控制项呈非线性变化，此时磁粉制动器的转角控制系统为非线性系统，磁粉制动器转角或转速处于不可控状态。

为解决这一问题，采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿方法对磁粉制动器的转角控制系统进行线性化校正，可以实现磁粉制动器转角或转速的控制，其实现方式是：

如果令磁粉制动器转角的控制项为常数且定义该常数为线性控制的角加速度给定值，则式(19)转变为二阶线性微分方程，从而实现磁粉制动器转角控制系统的线性化。

根据磁粉制动器转速有令将mm(θ)转换为时间函数mm(t)，则v＝c3u-c1mm(t)。将上述各式代入到式(19)，可以得到线性化的转速开环控制系统数学模型

通过求解，可以得到磁粉制动器的转速

其中，为稳定转速，其受角加速度给定值v的控制；为转速时间常数。

式(21)表明，在角加速度给定值v的作用下，磁粉制动器的转速可以得到稳定控制，前提是v必须为常数。进一步，通过改变v的给定值，可以改变磁粉制动器转速。

根据角加速度给定值与电机控制电压的关系v＝c3u-c1mm(t)，将mm(t)用mt(t)代替，得到v＝c3u-c1mr(t)，则电机的控制电压为

式(22)表明，在角加速度的给定值v为常数条件下，电机控制电压除受v的影响外，还应遵循旋转阀负载力矩计算模型函数mr(t)的规律变化。进一步来说，在磁粉制动器的制动力矩mm(t)遵循mr(t)变化规律的基础上，如果电机控制电压遵循式(22)的变化规律，可以补偿制动力矩mm(t)的非线性对磁粉制动器转速控制的严重影响，这一方法称之为旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿。

为使磁粉制动器的转速在脉冲信号作用下达到快速稳定，以用于模拟钻井液压力psk调制过程中旋转阀转速在基带电压脉冲作用下的快速变化情况，将pid环节串入经过线性校正的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成磁粉制动器转速的pid闭环控制。在转速闭环控制中，转速控制算法按照基带电压脉冲幅度给定磁粉制动器转速的期望值，同时对磁粉制动器的转速进行监测，将监测到的转速值反馈到系统输入端与转速期望值相减，得到转速误差值送入pid环节进行快速调节并将调节结果转换为角加速度设定值，然后根据旋转阀负载力矩的计算模型mr(t)通过式(22)产生电机控制电压用于控制直流电动机转速，再通过减速器驱动磁粉制动器转轴，使转速快速达到期望值，实现磁粉制动器转速的快速稳定调节。

通过磁粉制动器转速的pid闭环控制，可以研究在脉冲信号作用下磁粉制动器转速的时间延迟及转速对脉冲信号的跟随特性；此外，通过改变磁粉制动器产生的制动力矩幅度与变化规律，使其与旋转阀负载力矩计算模型mr(t)产生一定的偏差，研究这种偏差产生的干扰对磁粉制动器转速控制的影响，用于模拟研究旋转阀实际工作状态下负载力矩变化时对旋转阀转速的影响，评估旋转阀转速控制策略对干扰的抑制效果。

本发明提出的一种随钻测量工具的旋转阀转速控制模拟实验装置，按以下技术方案实现：

首先根据磁粉制动器励磁线圈的内阻及最大允许电流确定最大励磁电压，再根据式(2)描述的旋转阀负载力矩计算模型及磁粉制动器的时间常数，通过式(18)确定出励磁电压的采样周期，计算机测控系统基于式(17)在一个励磁电压采样周期的起始时间点输出电压脉冲信号给磁粉制动器的励磁线圈使其产生制动力矩，然后运行转速的pid闭环控制算法；转速控制算法的计算与调节周期远小于磁粉制动器的励磁电压采样周期，因此在磁粉制动器的一个励磁电压采样周期时间内控制算法可以完成多循环的计算与转速调节。转速控制算法首先将基带电压脉冲幅度设定为磁粉制动器转速的期望值，然后将转矩/转速传感器的转速测量值反馈到控制系统输入端与转速期望值相减，得到转速误差值送入pid环节进行快速运算并将运算结果转换为角加速度设定值，并根据与采样周期同步的旋转阀负载力矩计算模型的函数值，通过式(22)产生电机控制电压控制直流电动机的转速，再通过减速机驱动磁粉制动器转动使其转速逼近期望值；在磁粉制动器的一个采样周期过程中，制动力矩一直在发生变化，转速控制算法根据磁粉制动器转速的期望值与反馈值之差不断调节伺服电动机转速，使磁粉制动器的转速迅速达到期望值。

图5是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置的结构示意图。直流电动机21与减速机22的输入轴通过电动机转轴连接器25同轴连接，减速机22的输出轴与转矩/转速传感器23通过减速机输出轴连接器26同轴连接，转矩/转速传感器23与磁粉制动器24通过磁粉制动器转轴连接器27同轴连接，电动机底座29、减速机底座31、转矩/转速传感器底座32及磁粉制动器24安装在钢制底板30上，钢制底板30下部用减震块28减震；磁粉制动器24的作用在于模仿钻井液连续压力波信号发生器的旋转阀转子受力，磁粉制动器的制动力矩用于模拟旋转阀的负载力矩，转矩/转速传感器23用于测量磁粉制动器的制动力矩与转速。

本实验装置由计算机测控系统进行信号采集与控制，计算机测控系统可实现多路的数据采集、可控电压输出及转速控制算法的高速运算，实现磁粉制动器的励磁电压控制与电机转速控制。磁粉制动器的励磁线圈连接到计算机测控系统的电压信号输出端，转矩传感器23的信号输出端连接到计算机测控系统的信号输入端，计算机测控系统按照式(17)的数学模型输出电压信号给磁粉制动器励磁线圈，使磁粉制动器产生制动力矩的反应速度大幅度提高，磁粉制动器产生的制动力矩通过转矩/转速传感器23将转矩转换成电压信号输入到计算机测控系统实现力矩的监测。

图6是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置中，磁粉制动器的励磁电压采样周期为50ms情况下，磁粉制动器制动力矩的实验数据曲线及通过负载力矩计算模型得到的计算数据曲线。可以看出，制动力矩的变化与负载力矩基本相符，只是负载力矩在短时间内大幅度变化时制动力矩的跟踪有一些延迟，但二者的变化规律基本一致，说明通过励磁电压的增量补偿改善了磁粉制动器的动态反应速度。本发明的旋转阀转速控制实验装置中使用的磁粉制动器为zkg-50yn，实测其时间常数τm＝500ms，励磁电压采样周期t＝δt＝50ms，根据式(12)计算可得到磁粉制动器动态反应速度的改善效果为10.5倍，根据式(13)计算可得到磁粉制动器的制动力矩达到期望值所用的时间占用率仅为2.5％。

图7是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置的电机转速pid闭环控制系统结构示意框图。

转速期望值与磁粉制动器转速值通过减法器得到转速误差，转速误差送入pid环节进行快速运算并将运算结果转换为角加速度设定值送入非线性校正环节，在非线性校正环节中，根据角加速度设定值及旋转阀负载力矩计算模型的函数值通过式(22)产生电机控制电压驱动直流电动机运转，实现磁粉制动器转角控制系统的线性化校正及电机转速的线性控制，电机控制电压调整电机转速并通过减速机驱动磁粉制动器转动使其转速快速逼近期望值；其中，减速机的减速比为10。

图8是本发明的旋转阀转速控制模拟实验装置在转速控制函数为6r/min的阶跃信号作用下，磁粉制动器励磁电压的采样周期为50ms时，磁粉制动器转速变化的实验曲线。可以看出，磁粉制动器可以较迅速地达到稳定转速，制动力矩的变化对稳定转速基本无影响，与理论计算和仿真结果相符。

本发明的优点还在于：

(1)采用励磁电压的增量补偿方法提高磁粉制动器的动态反应速度

通过在较短的时间内增大励磁电压的增量，使磁粉制动器产生的稳态制动力矩变化量增加，克服磁粉制动器的时间常数对制动力矩变化的抑制作用，依靠励磁电压增量的放大实现对制动力矩变化量的有效补偿，大幅度提高磁粉制动器的动态反应速度，使磁粉制动器产生的制动力矩能够跟随励磁电压的快速变化，达到模拟旋转阀负载力矩随时间快速变化规律的目的。

(2)采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿实现磁粉制动器转速的快速随动控制

采用旋转阀负载力矩计算模型函数的前馈补偿方法对磁粉制动器的转角控制系统进行线性化校正，进而实现磁粉制动器转速的线性控制，在此基础上将pid环节串入经过线性校正的转速开环控制系统前向通道，加入转速负反馈形成磁粉制动器转速的pid闭环控制，使磁粉制动器的转速快速达到稳定；在脉冲信号作用下，通过研究磁粉制动器转速的时间延迟及转速对脉冲信号的跟随特性，用于模拟研究钻井液压力psk调制过程中旋转阀转速在基带电压脉冲作用下的变化情况。

(3)磁粉制动器的励磁电压及转速的同步控制

采用计算机测控系统进行磁粉制动器的励磁电压输出控制与制动力矩的检测，同时运行转速控制算法对磁粉制动器的转速进行控制，实现磁粉制动器的励磁电压及转速的同步控制；通过改变磁粉制动器产生的制动力矩幅度与变化规律，使其与旋转阀负载力矩的计算模型产生一定偏差，研究这种偏差产生的干扰对磁粉制动器转速控制的影响，用于模拟研究旋转阀实际工作状态下负载力矩变化时对旋转阀转速的影响，检验旋转阀转速控制策略对干扰的抑制效果，实现旋转阀转速控制策略的实验模拟及转速控制效果的实验评估。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。