修井机绞车自控系统研制

论文摘要

修井机是原油开采中常用的作业机械,是维护油井正常生产的重要设备。绞车是用滚筒缠绕钢丝绳以对重物进行提升或下放的起重设备,是修井机的主要组成部分,在修井作业中承担着载荷的起升和下放工作。由于传统修井机仪表众多、操作复杂,增加了修井作业过程中司机的负担,降低了生产效率。针对此问题,我们研制了修井机绞车自控系统,该系统集修井机运行数据、作业数据监测和绞车运行速度控制为一体,提高了修井机的自动化水平。论文围绕修井机绞车自控系统的研制,主要展开了以下几方面的研究:对论文所属的项目进行介绍,阐述了修井机的原理;对绞车运行原理及其传动特性进行分析,并介绍了绞车控制系统发展现状;提出绞车自控系统的设计要求和总体结构。进行绞车自控系统的硬件设计,完成了车载电源、数据采集单元、数据监测单元和速度控制单元等部分的硬件电路设计;并针对现场作业环境,采用多种方法提高系统的可靠性。针对常规PID算法不能对绞车运行中的非线性、强扰动进行有效调节的问题,提出一种采用“Bang-Bang控制+模糊自适应PID控制”的复合控制算法来进行绞车运行速度控制。该算法通过协调快速性与稳定性之间的矛盾来获得良好的控制性能,仿真结果和现场应用均表明,复合控制算法的调节性能较好,其快速性、稳定性以及克服死区等非线性因素的能力均优于常规PID算法。设计了绞车自控系统的应用软件,以硬件为平台,速度控制算法为支撑,实现了修井机运行数据、作业数据的监测和绞车运行速度的控制,完成了绞车自控系统的研制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 修井机概述
• 1.2 绞车控制系统发展现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 论文的主要工作
• 2 绞车自控系统分析
• 2.1 绞车工作原理
• 2.1.1 传动系统结构及原理
• 2.1.2 绞车运行特性
• 2.1.3 绞车的操作
• 2.2 绞车自控系统设计要求
• 2.3 绞车自控系统总体结构
• 2.4 本章小结
• 3 绞车自控系统硬件设计
• 3.1 绞车自控系统硬件总体方案
• 3.2 电源及数据采集单元硬件设计
• 3.2.1 系统电源需求及分配
• 3.2.2 绞车自控系统电源设计
• 3.2.3 数据采集单元介绍
• 3.2.4 RS485 通信设计
• 3.3 数据监测单元硬件设计
• 3.3.1 微控制器选型及其外围电路设计
• 3.3.2 开关量输入/输出电路设计
• 3.3.3 人机接口电路设计
• 3.4 速度控制单元硬件设计
• 3.5 本章小结
• 4 绞车速度控制算法研究
• 4.1 速度控制单元结构及数学模型
• 4.1.1 各机构非线性的说明
• 4.1.2 步进电机控制精度的说明
• 4.1.3 执行机构数学模型
• 4.1.4 发动机系统数学模型
• 4.1.5 传动机构数学模型
• 4.1.6 主刹车数学模型
• 4.2 绞车速度控制算法
• 4.2.1 绞车速度控制算法概述
• 4.2.2 Bang-Bang 控制原理
• 4.2.3 模糊自适应PID 控制原理
• 4.2.4 基于修正因子的模糊控制器设计
• 4.3 复合控制的切换规则
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 5 绞车自控系统应用软件设计及实现
• 5.1 绞车自控系统软件流程
• 5.2 数据监测单元应用软件设计
• 5.2.1 数据监测单元软件流程
• 5.2.2 人机交互软件设计
• 5.2.3 数据越限报警软件设计
• 5.3 速度控制单元应用软件设计
• 5.3.1 速度控制单元软件流程
• 5.3.2 数据采集单元操作软件设计
• 5.3.3 速度控制算法软件设计
• 5.4 绞车自控系统实现应注意的问题
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间的研究成果