Оптимізація часу нагнітання в системах гідростатичних випробувань на основі методу Gain Scheduling

Abstract

Гідравлічні випробування високим тиском є важливим, фінальним етапом у виробництві труб нафтогазового сортаменту, що працюють під тиском. Результатом цих випробувань є підтвердження структурної цілісності матеріалу, що гарантує безпеку подальшої експлуатації. Успішне проведення випробування вимагає точного та контрольованого досягнення і утримання заданого випробувального тиску. Ключовою проблемою при керуванні гідравлічними мультиплікаторами, які використовуються для нагнітання рідини, є сильна нелінійність динаміки системи. Метою роботи є розробка та теоретичне обґрунтування адаптивної моделі керування на основі методу планування коефіцієнтів регулятора для гідравлічного мультиплікатора високого тиску. Для цього була сформульована повна фізико-математична модель системи, що враховує нелінійність та змінливість об'єму, розроблена стратегія адаптації коефіцієнтів в залежності від тиску, спрямована на мінімізацію часу нагнітання. Було підтверджено, що адаптивне керування здатне забезпечити плавний підйом тиску (нульове перерегулювання) та його точне утримання у допуску ±1 % протягом заданого часу, тим самим оптимізуючи технологічний процес. Методологія планування коефіцієнтів (Gain Scheduling) є широко застосовуваним підходом в адаптивному керуванні нелінійними динамічними системами, чиї параметри повільно або передбачувано змінюються в залежності від робочої точки. В контексті гідравлічної системи, що випробовується, критична динамічна характеристика – еквівалентний модуль об'ємної пружності – виявляє сильну нелінійну залежність від тиску. Цей підхід долає обмеження лінійних ПІД-регуляторів шляхом синтезу сімейства лінійних регуляторів, кожен з яких оптимально налаштований для конкретної робочої точки, що відповідає певному діапазону тиску.

High-pressure hydraulic testing is an important final stage in the production of oil and gas pipes that operate under pressure. The result of these tests is confirmation of the structural integrity of the material, which guarantees the safety of further operation. Successful testing requires accurate and controlled achievement and maintenance of the specified test pressure. The key problem in controlling hydraulic multipliers used for pumping fluids is the strong non-linearity of the system dynamics. The aim of the work is to develop and theoretically substantiate an adaptive control model based on the method of planning regulator coefficients for a high-pressure hydraulic multiplier. To this end, a complete physical and mathematical model of the system was formulated, taking into account nonlinearity and volume variability, and a strategy was developed for adjusting coefficients depending on pressure, aimed at minimising pumping time. It has been confirmed that adaptive control is capable of ensuring a smooth pressure rise (zero overshoot) and its accurate maintenance within a tolerance of ±1 % for a specified time, thereby optimising the technological process. Gain scheduling is a widely used approach in adaptive control of nonlinear dynamic systems whose parameters change slowly or predictably depending on the operating point. In the context of the hydraulic system under test, the critical dynamic characteristic – the equivalent volumetric elasticity modulus – exhibits a strong nonlinear dependence on pressure. This approach overcomes the limitations of linear PID controllers by synthesising a family of linear controllers, each optimally tuned for a specific operating point corresponding to a specific pressure range.