抽油机载荷的模拟与控制仿真研究

论文摘要

游梁式抽油机是使用最广泛的油田开采设备,也是主要的耗能设备,其自身结构,形成了抽油机特有的负载特性,即带有冲击的交变载荷。为了弄清抽油机实际的运行状态,有的放矢地开发节能装置及其控制系统,有必要研究工作载荷变化很大的抽油机的负载特性,为抽油机的节能运行提供理论依据。论文主要从理论上对抽油机的载荷模拟装置进行了深入研究,完成了基于磁粉制动器和飞轮相结合的载荷模拟装置的设计,以现场测试数据为依据,复现其载荷信息,并结合先进的控制手段对加载装置进行控制,从而满足载荷模拟装置的控制要求。论文来源于“抽油机蓄能节能技术研究与开发”项目,主要研究内容如下：首先分析了载荷模拟加载系统的现状,并结合抽油机采油过程中的负载特性,设计一套抽油机载荷模拟装置；接着分析了抽油机的悬点载荷,通过悬点的运动规律建立数学模型,研究悬点载荷的传递转换,从而得到电动机输出轴的扭矩,并与现场测试数据进行比较,为载荷模拟装置的设计提供数据支持；在此基础上对抽油机载荷的模拟方案进行了分析,提出一种新的载荷模拟装置,阐述了其工作原理；随后应用Matlab软件中cftool工具箱对现场数据进行曲线拟合,分析三相异步电动机的机械特性,建立了抽油机载荷模拟装置的数学模型,对机械部分进行运动仿真,以验证各机构参数的正确性；最后对抽油机正负载荷的模拟进行了控制策略的研究,设计了PID控制策略,并且用Matlab软件中的Simulink工具箱进行了仿真,得到可视化的仿真结果,进而调整参数,以获得比较满意的控制效果。抽油机载荷模拟装置的设计具有很重要的现实意义,为抽油机节能控制系统的研发提供数据支持,实现游梁式抽油机的节能降耗,从而解决“大马拉小车”这一问题。同时本论文的研究应用了机械、电子、控制理论和计算机技术,是一门多学科的交叉论文,充分体现了机械与电子的高度结合。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景
• 1.2 抽油机载荷模拟的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 抽油机悬点载荷分析及传递转换
• 2.1 游梁式抽油机概述
• 2.2 抽油机悬点的运动规律
• 2.2.1 简化为简谐运动时悬点运动规律
• 2.2.2 简化为曲柄滑块机械时悬点运动规律
• 2.3 抽油机悬点载荷分析
• 2.3.1 抽油杆柱的重力产生的悬点静载荷
• 2.3.2 液柱的重力产生的悬点静载荷
• 2.3.3 振动载荷与惯性载荷
• 2.3.4 摩擦载荷
• 2.3.5 其它载荷
• 2.4 抽油机悬点载荷的传递转换
• 2.4.1 曲柄轴扭矩的计算
• 2.4.2 电动机输出轴扭矩的计算
• 2.4.3 理论分析数据与现场测试数据对比
• 2.5 小结
• 第3章 抽油机载荷模拟原理与装置
• 3.1 抽油机载荷模拟方案分析
• 3.2 抽油机载荷机电综合模拟装置
• 3.2.1 驱动装置
• 3.2.2 加载装置
• 3.2.3 扭矩传感器
• 3.2.4 传动系统
• 3.3 小结
• 第4章 载荷模拟装置的数学模型
• 4.1 数学模型的概念
• 4.1.1 数学模型的定义与主要类型
• 4.1.2 建立数学模型的方法
• 4.2 三相异步电动机的机械特性
• 4.2.1 机械特性的表达式
• 4.2.2 固有机械特性分析
• 4.3 载荷模拟装置的数学建模
• 4.3.1 机理建模分析
• 4.3.2 抽油机正载荷模拟
• 4.3.2.1 正载荷数据的曲线拟合
• 4.3.2.2 正载荷模拟结果
• 4.3.3 抽油机负载荷模拟
• 4.3.3.1 负载荷数据的曲线拟合
• 4.3.3.2 负载荷模拟结果
• 4.4 小结
• 第5章 载荷模拟装置的控制策略
• 5.1 载荷模拟装置的传递函数描述
• 5.1.1 磁粉制动器的特性
• 5.1.2 磁粉离合器的特性
• 5.2 PID控制器
• 5.3 系统的PID控制仿真
• 5.3.1 Simulink仿真
• 5.3.2 磁粉制动器PID仿真模型的建立
• 5.3.3 磁粉离合器PID仿真模型的建立
• 5.4 小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文情况