浮式钻井装置受海浪影响产生升沉运动,带动钻柱运动,引起钻压变化、降低钻井效率、甚至引发钻井事故,需要安装升沉补偿装置进行钻柱运动补偿。进行天车升沉补偿实验装置开发研究,为设计制造工程样机提供技术支持。论文首先对天车升沉补偿实验装置进行介绍,利用相似理论确定了实验装置的设计参数,介绍了实验装置的机械结构、液压系统和工作原理。论文采用ADAMS建立系统的动力学仿真模型,采用AMESim软件建立系统的液压系统仿真模型,利用两个软件进行联合仿真分析,验证了实验装置的可行性;仿真结果表明,被动补偿率在57%左右,半主动补偿率为95%以上。系统参数特性仿真研究表明,以速度为控制信号时,系统补偿效果较好,系统能耗随着蓄能器体积的增大而减小,随着主动腔面积的减小而减小,当补偿效果一致时,补偿缸倾斜安装时,系统所需压力、流量和能耗均较小,但受力性能较差。论文进行了实验装置控制系统设计,控制系统以西门子PLC为下位机,上位机利用WinCC组态人机交互界面,PLC与WinCC之间、泵站PLC与阀台PLC之间均采用TCP/IP协议进行通信。完成控制系统硬件设计,进行了PLC的CPU、电源模块、输入输出模块等模块的选型,完成了软件系统设计,编写了泵站PLC和阀台PLC的控制程序并进行了仿真调试,组态了监控系统的控制界面、动态曲线界面、报警界面和登录界面等。完成了升沉运动模拟、负载模拟和升沉补偿运动调试,开展了半主动式升沉补偿实验研究,结果表明,系统补偿率在93%以上,大钩位移随着升沉位移的增大而增大。进行了PID控制方式研究,当采用P+PI控制时,大钩位移最小,系统补偿效果最好。研究了在不同工况下系统的补偿性能,结果表明系统补偿能力受升沉周期、比例阀死区的影响较大,且系统滞后时间越长系统补偿性能越差。