（电力电子与电力传动专业论文）智能抽油机综合控制系统研究.pdf

哈尔滨j + 程人学硕卜学位论文 a b s t r a o t t h e r ei sn on e e dt og oi n t od e t a i l st ot e l lw h a ti m p o r t a n tp o s i t i o no fp e t r o l e u m i nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yt h er e s e r v eo fp e t r o l e u mi no u rc o u n t r y i sn o ts or i c ha n dm a k e st h ep e o p l e sw o r r i e d s o m eo i lf i e l d so fl a r g es c a l ei no u r c o u n t r ya r ef a c e dt o b ee x h a u s t e dw i t hd i f f e r e n td e g r e e sa n dal o to fo i lw e l l sa r e c l o s e df o r i n c o m ef a l l i n gs h o r to fe x p e n d i t u r e s ”b e s i d e s ，al o to fo i lw e l la r e f a c e dt ob e “r e t a i l e d ”f o rt o oh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n dt 0 0h i g hc o s io l r e c o v e r i n g i m p r o v i n gt h er e c o v e r i n gt e c h n o l o g ya n dr e d u c i n gt h ec o r r e s p o n d i n g c o s tm u s tb ee x t r e m e l ys i g n i f i c a n tf o rs a v i n gt h eo l do i1w e l l s i tw i l lb eo fg r e a t s i g n i f i c a n c ee s p e c i a l l yi no u rc o u n t r y u pt on o wt h eo i lp u m p sw i t hs u c k e r - r o da r e s t i l lt h em a i nf a c i l i t i e sf o r o i l r e c o v e r i n gi no u rc o u n t y t h eo i le x p e r t si nt h ew o r l ds t i l lp a yh i g ha t t e n t i o nt o r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nf o rs u c ho i lp u m p s d r ya n de m p t yp u m p i n ga r et h ep r i m a r yf a c t o r so fe n e r g yw a s t i n ga n dl o w e f f i c i e n c yi nt h eo l d e ro i lw e l l s i na d d i t i o n ，i tm a k e st h ee q u i p m e n t sq u i c kw e a r a n dt e a tl e a d sb r e a k so fs u c k e r - r o de t c t h em a j o ro b j e c t i v eo ft h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t ha r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et o r e a l i z ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o no fd r ya n de m p t yp u m p i n g ，a u t o m a t i ci n s p e c t i n g o ff a i l u r e s ，r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o ne t c b e c a u s eo f t h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a ls t r u c t u r eo f o i lf i e l d s ，t h e r ea r cl o t so f p r o b l e r n s o nn o n l i n e a r ，n o d _ d e f i n i t i o n ，t i m e v a r y i n g a n d n o l 3 一c o m p l e t e c h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r ei ti sd i m c n l tt oe s t a b l i s ha na c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d ej f o rc o n t l l o i l i n g t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ha ne x p e r tc o n t r o l l e rc o m b i n e dw i t hs o l 】、 l e a r n i n gt e c h n o l o g yt or e a l i z ea u t o m a t i ca c q u i s i t i o no fd r ya n de m p t yp u m p i n g c r i t e r i o n s ，a u t o m a t i ct r a c k i n go fs t o p p i n gt i m ef o rm a x i m a ld a i l yy i e l d s t h es y s t e mo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do fa v r s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a t m e g a 16a n ds e v e r a lk i n d so fi n t e r f a c ec i r c u i t s i nt h et h e s i s ，t h ed e t e c t i n go t l c u r r e n ta n dv o l t a g e ，s e l e c t i n gt h es e n s o r ，d e s i g n i n gt h ei g b l 、i n v e r tc o n t r o l l i n g 哈尔滨l 一稃人学硕十学何论文 c i r c u i t sa n dp r o g r a m m i n gt h es o f to ft h ee x p e r tc o n t r o l l e rh a v eb e e nd e s c r i b e di n t h em o r ed e t a i l s m e a n w h i l e ，t h es y s t e m sh a v es o m eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em r t h er e m o t ec o m m u n i c a t i o no f p u m p i n gu n i ta n dt h es t a r t i n gs o f t l yo f t h em o t o r k e yw o r d s ：o i lp u m pw i t hs t i c k e r r o d ；a v rs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra t m e g a l 6 i g b t ；s a 4 8 2 8 ；a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ；e x p e r tc o n t r o l l e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有丁作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：凰i 查 e t期：妒q t 年、月护日 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 石油是国民经济的命脉，在国民经济中占有无与伦比的地位。我国石油 储量丰富，但从国内石油生产状况来看，由于受资源条件限制，我国石油开 采成本较高。随着石油系统的重组改制和我国加入w t o ，石油企业面临非常 激烈的市场竞争。近几年来油价下调，油田效益滑坡，这与过高的石油开采 成本有密切关系。因而，采用技术革新，降低石油开采成本是关系到我国经 济发展的一件大事。 在各种人工举升采油方法中，有杆抽油仍居于首要地位家，其中最具有 代表性的是使用方便、可靠、经济的游梁式抽油机“。为了减小抽油机上下 冲程负荷的波动，游梁式抽油机一般都配有平衡块。抽油机电机的负荷是一 周期性脉动负荷，并迭加有瞬间的冲击。抽油机电机的负荷曲线上有两个峰 值，分别为抽油机上下冲程的“死点”。抽油机自由停车后再启动时，总是从 死点处启动，因此抽油机电机要求启动转矩大。为了保证足够大的启动转矩， 抽油机电机选择应留有定的余量。另外，泵挂深度、动液面、含水粘稠度 和井口回压等也对载荷有较大的影响，使得电动机余鼍进一步增大。运行时 平均负荷率很低，一般在2 0 左右，负荷率高的也不过才3 0 。低负荷率运 行造成功率因数低，效率低，电能浪费大，造成“大马拉小车”的状况。尤 其是随着我国油田石油的开采，大部分油井都到了中后期，地层下降，造成 有些油井必然产液能力不足，这类油井采用抽油机采油时，由于产抽不平衡， 油井动液面会逐渐降低，当液面低于管式泵体时，抽油泵将长期处于低效工 作，而且会产生液击等危险情况。因此这类油井应当及时停上抽油机运行， 避免白白浪费电力。同时，减小设备的无效磨损，延长使用寿命。 课题的出发点就是优化广泛使用的游梁式抽油机控制系统，使之能够根 据油层变化随时任意方便地调节抽汲控制参数，节省电能，降低开采成本的 同时不影响原油产量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 抽油机控制系统的发展状况 多年来，人们为了优化抽油机控制系统，降低石油开采成本，做了很多 研究工作，主要分为二个方面： 1 从抽油机的电动机本身考虑，就是提高电动机效率和负荷率，从而提高 运行效率和功率因数。如：电磁滑差电动机、开关磁阻电机、稀土永磁同步电 动机等的设计。提高电动机效率的潜力不大，能提高几个百分点就很不容易， 而且是以提高电动机成本为代价的。 2 从控制方法上考虑，就是采用先进的控制方法优化抽油机系统，尤其是 对抽油机空抽的控制。 回顾近几十年来，人们为了优化抽油机的控制，避免“空抽”，节省能源， 采用过很多办法。 方法1 采用小功率电动机拖动，提高电动机的效率。但是，抽油机械的 转动惯量非常大，小功率电动机起动转距不足以起动抽油机，无实用效果。 方法2 采用节能型电动机( 或双速电动机) 。在抽油机械启动完成后再 次输入较小的电功率来维持抽油机的连续运转。此种方案可以达到一定的节 能目的。但不能解决抽空时对抽油机械的磨损和电能浪费的难题。该方法不 是彻底解决抽空问题的方案。 方法3 采用无功补偿措施节能，解决在抽空时电动机功率因数较低的问 题。通过电容器补偿提高功率因数，降低无功损耗。但没有解决抽空问题。 方法4 采用电动机轻载节能控制器，在轻载运行( 抽空) 时，适当的降 低电动机的端电压，减少励磁电流，达到提高功率因数的目的。该方法对无 功功率节电率较高，对有功功率节电率不理想。仍然没有从根本上解决抽空 问题。 方法5 采用定时工作方式。固定时间使抽油机间歇工作。此方法解决了 抽空时对机械的磨损及耗能。但时间的设定是一个难题，无确切依据来设定 时间，使得油藏量达到满抽条件时，不能及时起动抽油机，只能造成油井产 量降低。 随着先进技术的发展和完善，人们开始运用新型控制技术来优化抽油机的 控制的，防止“空抽”，其中最常见的控制方式有以下几种： 1 ) 检测示功图控制“空抽” 这是通过在抽油机的光杆上加装负荷传感器而感知井下负荷变化，并根 据负荷变化给抽油机设置适宜的启、停点和间歇时间，从而实现控制“空抽” 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的目的。这一方式下的优点是：依据示功图判别井下负衙的变化来反映泵效 既直接又准确。但不足之处是：由于加装了负荷传感器给安装和维护增加了 工作量。另外由于这一方式是根据井下负荷的变化来控制抽油机，因此抽油 机停抽的随意性会很大。 2 ) 检测抽油机电压、电流的相位角控制“控制” 这一方式，通过感应电机电流、电压的相位角的变化而感知井下负荷的 变化，并根据分析处理决定抽油机启、停点及间歇时问。这一方式的优点是： 无须加任何传感装置( 从理论上讲：电机电流、电压相位角的变化，完全可 以代表井下负载的变化) 。因此这一方式从理论上讲实现起来既简单又可靠。 同样，这一方式也有它的不足之处：由于它的原理是检测电机电流、电压相 位角来换算井下负荷的变化量。因此与值接检测井下负荷相比显得不够准确。 另外，电机电流、电压的相位角的变化在实际工作环境中并不完全反映井下 负荷的变化，它还受很多因素影响：如，机械传动的影响、电网波动的影响、 油井出现异常变化的影响等等。 3 ) 基于神经网络及模糊控制的专家智能控制” 该控制依据渗流力学原理，对油田不同类型储层的各类油气藏进行动态 系统辨识及预测，建立相应知识数据库，并通过不断的自学习来完善知识数 据库，然后根据数据库分析处理决定抽油机启、停点及间歇时j 司，具有极大 的人工智能。 课题研究的抽油机综合控制系统是基于抽油机电流检测控制和基于知识 的专家智能控制的融合，主要是更好的解决“空抽”现象，并更具有普遍性 和实用价值。 1 3 课题的主要工作 1 3 1 智能抽油机控制器的设计 该控制器以油井的主要设备抽油机为控制对象，测量抽油机电机电流、 电压( 计算有功功率) ，研究抽油机一个工作行程周期内电机电流变化规律( 理 论电机电流的变化完全可以代表井下负载的变化) ，根据统计规律，建立空抽 数学模型，然后根据空抽模型决定抽油机启、停点及问歇时间。 研究难点：空抽数学模型的建立，因为电机电流在实际工作环境中并不 完全反映井下负荷的变化，它还受很多因素影响，需要实验积累数据，建立 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相应数据库，然后应用专家系统的方法分析处理。 控制器的包括控制部分和执行机构两部分： 1 控制部分是以a v r 单片机a t i d e g a l 6 为主控芯片。a t i d e g a l 6 是 a t m e l 公司的一种新款单片机，采用哈佛结构，内部集成有8 通 道1 0 位a d 转换器、看门狗、5 1 2 字节e e p r o m 及内部实时钟 等硬件资源。控制器的核心是a t m e g a l 6 单片机，配以r s 2 3 2 串 口、显示模块、d a 及扩展的r o m 等构成控制模块。控制模块主 要处理的是当油井液面低于满抽值时先慢抽，这可通过控制执行 就构变频模块来实现：当油井液面低于空抽值时停止抽油机，当 间歇时间到再起动抽油机。 2 执行机构包括变频模块。变频模块主要负责抽油机的软启动、降 速慢抽及停机等。 完整的控制器结构如下图1 1 所示： 图1 1 抽油机控制器结构简幽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 基于知识的专家控制器的设计及其智能软件的开发 车。家控制器。的设计可仿照下图1 _ 2 ，从控制部分采集来的数据上传到 p c 机，p c 机通过专家控制的智能软件处理后将控制指令下传到控制器的扩展 r o m 中存储起来，之后控制器将后采来的信号与专家处理的结果相比较得出 控制结果。 图1 2 专家控制器结构简图 号家控制器的智能软件的开发在结构上采取了以c + + 面向对象的编程思 想，将知识库、规则集及推理机等部分实现了c + + 类。这不仅有利于软件的 调试和管理，也宵利r 以后软件的扩展，比如需要更好更准确的控制规则， 只需要在c + 十类中进行更改，而不需要进行程序结构的更改，避免了重复开 发。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基于知识的专家控制 近十多年来，专家系统技术的迅速发展及其在工业控制工程中的应用， 为智能控制开辟了一个新的研究方向，即专家控制( e x p e r tc o n t r 0 1 ) ，又称 为专家智能控制。所谓专家控制是指将专家系统的理论和技术同控制理论方 法与技术相结合，在未知的环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。 把基于专家控制的原理设计的系统或控制器，分别称为专家控制系统或专家 控制器。 2 1 专家控制系统口钉 专家系统是指相当于专家处理知识和解决问题能力的计算机智能软件系 统。专家控制系统不同于离线的专家系统，它不仅是独立的决策者，而且是 具有活得反馈信息并能实时在线控制的系统。 2 1 1 专家控制系统的特点 工业生产过程由于本身的连续性及对产品质量要求高精度等特点，对专 家控制系统提出了一些有别于一般专家系统的特殊要求。因此，专家控制系 统具有下述特点： ( 1 ) 高可靠性及长期运行的连续性 工业过程控制对可靠性要求苛刻和其他领域相比显得更为突出。工业过 程控制往往数十甚至数百小时连续运行，而不允许间断工作。 ( 2 ) 在线控制的实时性 工业过程的实时控制，要求控制系统在控制过程中要能实施的采集数据， 处理数据，进行推理和决策，对过程进行及时的控制。 ( 3 ) 优良的控制性能及抗干扰性 工业控制的被控对象特性复杂，如非线性、时变性、强干扰等，这就要 求专家控制系统具有很强的应变能力，即自适应和自学习能力，以保证在复 杂多变的各种不确定性因素存在的不利环境下，获得优良的控制性能。 ( 4 ) 使用的灵活性及维护的方便性 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用户可以灵活方便的设置参数，修改规则等。在系统出现故障或异常情 况时，系统本身应能采取相应措施或要求引入必要的人工参预。 2 1 2 专家控制系统的结构 由于工业控制对专家控制系统提出了上述的可靠性、实时性及灵活性等 特殊要求，所以转寄控制系统中知识表示通常采用产生式规则，于是知识库 就变为规则库。a s r o m 研制的一个专家控制系统的结构如图2 i 所示。 图2 1 专家系统结构图 这个专家控制系统具有一定的代表性。一般说来，产生式专家控制系统 由以下几部分组成： ( 1 ) 数据库：主要存贮事实、证据、假设和目标等。如对过程控制而言， 事实包括传感器测量误差、操作阀值、报警水位阀值、操作时序约束、对象 成分配置等静态参数；证据包括传感器及仪表的动态测试数据等：假设包括 用来丰富现有事实和集合等：目标包括静态目标和动态目标，静态目标是一 个大的性能目标阵列，动态目标包括在线建立的来自外界命令或程序本身的 目标。 ( 2 ) 规则库：含有产生式规则，这种规则的典型描述为“如果( 条件) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 那么( 结果) ”，其中“条件”表示来源于数据库的事实、证据、假设和目标； “结果”表示控制器的作用或一个估计算法。 规则也可看作是运行状态的函数，因为，数据库中定义的状态要比通常 控制理论中的状态概念更加广义。这些产生式规则可以包括操作者的经验和 可应用的控制和估计算法，这些算法的适当特性以及应用时系统监控和诊断 等规则。 专家控制系统中的规则库相当于一般专家系统中的知识库。 ( 3 ) 推理机：按照不同的策略从当前数据库的内容中，确定下一条产生 式规则。 1 4 ) 人一机接口：产生式专家控制系统的人一机接口包括两部分，一部 分含更新知识库的规则编辑和修改；另一部分是运行时用户接口，它包含一 些解释工具，用以帮助用户询问等，用户接口还可以跟踪规则的执行。 ( 5 ) 规划环节：在控制过程中出现在线错误时，规划环节给出指令改变 产生目标等，产生一些不干涉动作的调整作用，以保证控制系统能够随着所 需要的操作条件去在线改变控制过程。 控制规则的执行可以看作是在一个大的网络中，寻找到达当前已建立的 目标的路径。 2 1 3 专家控制系统的原理 下面以图2 1 给出的系统为例，阐述专家控制系统的原理。 图2 1 中的专家系统是基于o p s d 框架结构，用l i s p 语言编写的产生式 系统。o p s 4 框架中包括数据库、规则库和推理机。推理机控制着规划的执行。 产生式规则的形式为： 规则名 ( “条件单元”一“动作”) “条件单元”是与工作存储的内容相匹配的模式，该模式含有变量和常 量。如果在规则中所有条件部分匹配，那么规则是令人满意的，将执行动作。 结果能给数据库添加新的内容，删除旧内容或执行用户编写的l i s p 函数等。 推理机重复寻找所有匹配的规则，它选择其中的一个并执行动作。当没 有找到规则时，系统等待输入信息。下一个信息或者是来自数据库的新内容， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 或者是被估计的l i s p 函数。新的存储内容又引起新规则的匹配，因此，又开 始执行规则。推理机就是这样不断的进行匹配。 算法库包括控制、识别和监控三组算法，采用p a s c a l 语言编成。图中的 信箱用于连接专家系统和算法库，信箱中有读或写信息的队列。信息写成 l i s p 表达式并与一行文本相连接。由于在l i s p 语言中，数据和程度并没有 区别，所以这样简化了通信。专家控制系统可以接受来自控制算法库的状态 识别结果或监视报警，也可向算法库添加新算法，更改参数或改变操作方式。 该系统中的人一机接口使用l i s p 语言，传播两类命令：一类是面向算法 库的命令，如改变参数，改变操作方式；另一类是指挥专家系统去做什么的 命令。当然它也具备一般专家系统具有的支撑工具环境，如跟踪、添加、清 除或在线编辑规则等。 a s t r o m 所研制的专家控制系统的基本原理：将传统的控制工程算法同启 发逻辑相结合，例如带有启发式逻辑的工业p i d 控制器，除有p l o 算法外， 还包括操作方式选择、输入信号滤波、极限校正和报警、程序开关的选择、 输出及速率的限制等功能。 2 2 实时过程控制专家系统 工业过程控制问题是工业控制领域中的主要对象，由于现代化工业过程 控制所要求的高精度，实现控制的复杂性及所要求控制的实时性之间存在着 矛盾，所以近年来开发的实时过程控制专家系统已经成为解决这种矛盾的有 效途径，其中比较有代表性的是p i c o n 系统。p i c o n ( p r o c e s si n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 ) 实时过程控制专家系统是l i s p 机器公司m o o r e 等人1 9 8 4 年设计的， 用于控制分布式过程控制系统。该系统包括：l i s p 处理机专家系统、6 8 0 1 0 处理机高速数据获取与处理系统、分布式过程控制系统、人一机接口及图形 显示等部分。其结构如图2 2 所以。 用作专家系统的l i s p 处理机在系统中实现高层次推理，其中包括用于诊 断的反向推理，指导6 8 0 1 0 处理机中的实时智能机器环境r t i m e ( r e a l t i m e i n t e l l i g e n tm a c h i n ee n v i r o n m e n t ) 的数据采集工作，同时能监视系统的运 9 哈尔滨二l 程人学硕士学位论文 行过程，并对面向图形的知识获取系统加以控制。 用作高速数据采集与处理的6 8 0 1 0 处理机在系统中实现低层次推理。 6 8 0 1 0 处理机中的r t i m e 实际上用c 语言编写的程序，它具有下述功能： ( 1 ) 能够实现低层次推理和算法计算的并行处理。低层次推理主要指对 过程检测和报警的规则推理，以及对实时算法计算结果的推理： ( 2 ) 监视过程变量和报警以及传递分布式系统的数据，推理机通过改变 扫描频率以较高的频率对关键数据进行扫描； ( 3 ) 对可能出现的有意义的事件产生l i s p 处理机中断，使处理机处于待 命状态； ( 4 ) 保存输入的数据、计算结果及在存储器中的推理程序。 过程 图2 2 实时过程控制专家系统 过程 用作专家系统的l i s p 机和用作高速数据采集与处理的6 8 0 1 0 处理机， 通过多通道与分布式过程控制系统相连接，通过高速高效接口实时的接受从 分布系统来得信号。并能实现两个处理机的并行运行。因此，p i c o n 系统可 监视多达2 0 0 0 0 个过程变量和报警信号。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 专家控制器 工业生产所遇到的被控对象千变万化，其复杂过程也不尽相同，如果都 对被控对象( 过程) 建造专家控制系统进行控制，这显然是不必要的。因此， 对于一些被控对象，考虑到对其控制性能指标、可靠性、实时性及对性价比 的要求，可以将专家控制系统简化。例如，可以不设人一机自然语言对话； 考虑到专用性，可将知识库规模减小，规则集也被压缩，于是，推理机就会 变得相当简单。这样的专家控制系统实际上变为一个专家控制器。 2 3 1 专家控制的一般结构 专家控制器通常由知识库、控制规则集、推理机构及信息获取与处理四 个部分组成。 ( 1 ) 知识库 由事实集和经验数据库、经验公式等构成。事实集主要包括被控对象的 有关知识，如结构、类型及特征等，还包括控制规则的自适应及参数自调整 等方面的规则。经验数据库中的经验数据包括被控对象的参数变化范围，控 制参数的调整范围及其限幅值，传感器的静态、动态特性、参数及阀值，控 制系统的性能指标以及由专家给出或由实验总结出的经验公式等。 ( 2 ) 控制规则集 专家根据被控对象的特点及其操作、控制的经验，可以采用产生式规则、 模糊关系及解析形式等多种方法来描述被控对象的特征，这样可以处理各种 定性的、模糊的、定量的、精确的信息，从而总结出若干条行之有效的控制 规则，即控制规则集，它集中反映了专家及其熟练的操作者在某领域控制过 程中的专门知识及经验。 ( 3 ) 推理机构 由于专家控制器的知识库及其控制规则集的规模远小于专家控制系统， 因此它的推理机构的搜索空间变得十分有限，这样导致推理机变得简单。一 般采用前向推理机制，对于控制规则由前向后逐条匹配，直至搜索到目标。 ( 4 ) 信息获取与处理 专家控制器的信息获取主要是通过其闭环控制系统的反馈信息及系统 的输入信息，对于这些信息量的处理可以获得控制系统的误差及其误差变化 哈尔滨工程犬学硕士学位论文 量等对控制有用的信息。此外，信息的处理也包括必要的滤波措施等。 由上述四部分构成的专家控制器的一种结构如图2 3 所示。专家控制器 由于其知识库、控制规则库的规模小。且推理机构简单，因此可以采用单板 计算机或单片机来实现。 图2 3 某种专家控制器结构 2 3 2 一种工业过程专家控制器 根据工业过程控制的特点，采用产生式规则描述过程的因果关系，并通 过带有调整因子的模糊控制规则建立控制规则集。 设定专家控制器的输入集f 及输出集分别为 e = 一e ”，一e ”一1 ，一，一e i ，0 ，e l ，8 2 ，。一，e ” ( 2 一1 ) u = 一”，一“h 一1 ，一1 ，0 ，“1 ，材2 ，“”) ( 2 2 ) 其中为正整数，其值由知识库中的经验规则确定，一般取大于或等于6 。 设，为输入集e 到输出集u 的一个映射，为使推理机构能实时的在控制 空间搜索到目标，既能保证最大限度的发挥控制作用，又能避免搜索不到目 标而导致“失控”，因此建立控制规则必须满足，是e 到u 的满射，即 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 厂 ) = u ( 2 3 ) 控制规则集是在知识集的基础上概括、总结归纳而成的，它体现了专家 的专门知识和经验，集中反映了人在操作过程中的智能控制行为和决策艺术。 该控制规则集包含下述6 条规则： ( 1 ) i fe e p bt h e n u = u n b ( 2 ) i fe c p bt h e n ( 4 ) i fc t o 的新状态，而要做到这一点，就需要系统的模型。 把一个状态同驱动系统达到某个新状态的控制行为联系起来，就构成了 一个状态转移集合所组成的模型。如果对任何已知状态s o 和理想状态s 1 ，都 存在一个控制系列，使得s o 能转移到函，则系统是能控的。寻找条从s o 到 s 1 的途径实际上并不令人满意。 状态转移是由控制器的知识库中的规则决定的，一个转移需要一条独立 的规则，而转移是由每一个允许控制下的每一个状态所确定的，这就意味着 规则条数等于控制行为数与状态数之乘积，这显然是不能用于高阶的复杂系 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统。为减少控制决策的规则条数，缩小搜索空间，采用在对象各子系统之间 因果关系的基础上建立符号模型的方法。这种方法直接定义状态子集之间的 变换，而不是个别状态之间的变换。 对于一个具有个子系统的s i s o 系统，控制决策直接影响第一个子系 统。一般来说，第胛个子系统直接影响第玎+ 1 个子系统。由于其他因果关系 都是间接的，故可在各子系统相互作用的基础上来建立对象的因果关系模型， 而每一个子系统内的状态变量就只与对其有直接因果影响的子系统有关。用 这种方法建模所需的规则条数只与子系统数成正比例，这就大大减小了搜索 的空间，使得这种基于给子系统间因果关系描述的符号模型方法适用于复杂 系统。 建立被控过程的符号模型首先是通过知识工程师( 或领域专家) 对被控对 象的特性进行分析总结，找出对象各子系统之间的因果关系。然后，在此基 础上建立描述因果关系的符号模型。 系统的符号模型是由若干含有因果关系的规则构成，其基本表达式为 条件j ( 原因斗结果) 其中符号“j ”表示逻辑蕴含，“斗”表示因果关系。这种规则反映了使当 前条件和“原因”为真的一类状态到由“结果”定义的一类状态之间的交换， 描述了不同条件下对象各予系统之间的因果关系。此外，“条件”与“原因” 之间是相对独立的，从而增强了这种知识表达方式的“启发式能力”。 运用符号模型来实现基于知识的智能反馈控制系统的结构如图2 4 所示。 系统中的历史数 、谓词及设定点、符号模型三个部分构成了知识库。在系 统运行中，运用测量数据、观测矩阵和人机交互，还可对规则进行修改和补 充，使知识库逐步完善。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 莉湃l 2 5 本章小结 图2 4 基于知识的智能控制控制系统结构图 本章首先介绍了专家控制系统的特点、结构及其工作原理，列出了一个 工业实时工程控制系统，然后继续介绍了专家控制器的一般结构，讲述一个 工业过程专家控制器的具体构建，最后给出了一个基于知识的智能控制系统 的符号模型和具体结构。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章抽油机的数学模型 3 1 抽油机的工作原理 我国油田多数用的抽油机是游梁式抽油机，下面就以游梁式抽油机介绍 抽油机的工作原理。游梁式抽油机的类型很多，但其基本结构和工作原理是 相同的。抽油机主要由游梁一连杆一曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助 装置等四大部分组成，如图3 1 所示。 工 i 电动机2 ，刹车 3 减运箱4 曲柄5 平衡重 6 连杆8 甲衡块 9 游粱支承 1 o 游浆l i 驴头 i2 悬绳器 1 3 支梨f 4 底应 图3 1 抽油机结构图 抽油机的工作原理是：电动机将其高速旋转运动传递给减速箱的输入轴， 并经中间轴带动输出轴、输出轴带动曲柄作低速旋转运动。同时，曲柄通过 连杆经横梁拉着游梁后端上下摆动( 或者是连杆直接拉着游梁后端) 。游梁前 端装有驴头，活塞以上液注及抽油杆等载荷均通过悬绳器悬挂在驴头上，由 1 8 哈尔演工程大学硕士学位论文 于驴头随同游梁一起上下摆动，结果驴头带动活塞作上下的垂直往复运动， 就将油抽出井筒。 l ， 图32 ( a , - 活塞上行，b ：括塞f 行) 图3 2 巾1 ：拉杆，2 ：工作简，3 ：游动反尔，4 ：柱塞，5 ：固定反尔。 抽油泵主要由工作筒、衬套、柱塞( 空心的) 和装在柱塞上的游动反尔及 装在丁作筒下端的固定反尔组成，其工作原理如下： 当活塞上行时( 图3 2a ) 游动反尔受油管内液柱压力作用而关闭并排出活 塞冲程的一段液体。与此同时，活塞下面泵筒空间里压力降低，在环形空间 的液柱压力作用下，井中液体顶开固定反尔，进入泵内活塞所让出的空间。 活塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力增高，当此压力等于环形空间液柱压 力时，固定反尔靠自重而关闭。在活塞继续下行中f 图3 2b ) ，泵内压力继续 升高，当泵内压力超过油管内液柱压力时，泵内液体即顶开游动反尔并进入 油管内。这样，在活塞不断地上下运动中，固定反尔和游动反尔也不断地交 替关闭和打开，结果油管内液面不断上升一直到井口排入出油管线。 综上所述，抽油机泵的工作原理可概括为：活塞上行时吸液入泵，排液 出井：活塞下行时泵内液体转入油管，不排液出井。在理想情况下，当泵充 满很好时，是上下冲程都出油。当不考虑液体运动的滞后现象，从井口观察 排油时，应当是光杆上行时排油忽大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是周期性的变化。实际上，由于原油中混有天然气，有压缩性，使液体运动 滞后于活塞运动，同时泵受多种因素影响，所以井口实际排油时呈复杂状况。 抽油机一般由电动机驱动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管 网中，电动机轴上形成的负荷即抽油机的合成扭矩呈周期性波功，即抽油机 的动力电机的有功功率是周期性变化的。 3 2 抽油机的采样测试 为了准确掌握抽油机有功功率及功率因数变化规律，建立比较确切的抽 油机模型，我们在实验室模拟了实地油田广泛应用的游梁式抽油机工作情况 进行了测试。测试内容为电流和电压的幅值、波形及变化情况，为功率凶数 的计算做准备。测试位置在变压器的二次测和抽油机电机之间。为了全面了 解各种工作情况下的功率因数变化情况，我们分别对一拖一、一拖二、一拖 三的情况分别进行了测试。 我们采样得到的是电压和电流的模拟量x ( t ) ，它与采样函数( c o m b ( t ，t s ) ) 相乘并取样后得到一个有限长度的离散时间序列x ( 1 3 ) 量化的精度( 即分辨率) 由a d 板的位数( b i t ) 决定。我们选择的是1 2 b i t 的a d 板，它的精度大于 0 5 ，电压范围为士5 v ，采样频率最高5 6 k h z 。当它工作在双极方式下，则 有一个b i t 用于表示正负，1 1 个b i t 表示信号幅值，则5 v 以下的任意模拟 量都可以与二进制序列的一种形态对应，共存在2 ( 2 0 4 8 ) 种状态，每两个 状态之间间隔5 v 2 0 4 8 = 2 5 m v ，故量化误差1 2 5 m y 。进行抗混叠预处理，采 用了具有大于3 6 d b o c t 、平坦度小于2 的低通滤波器。采样原理图见图3 3 。 a b co 誓旧弘一 _ _ 葶一 = j l b 一 占 图3 3 采样原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 测试数据的分析 为了寻找抽油机的功率因数变化规律，对采样的数据作了以下分析 3 3 1 时域分析 在时域分析中我们经常是作波形、统计特征值及相关分析。将计算机采 样的离散时间序列用线性回归的方法画出图形。对于己知离散时间序列 扛0 ) ) 的回归分析模型为 p z 0 ) = 一艺口k x ( n 一女) + 口2 0 ) ( 3 1 ) 五= 1 口女：模型系数甜2 ：为残余能量误差序列p ：模型阶数 11 、：nj -_ t j l 、 l 。 。 圈3 4 电流、电压时域波形 a 通道：电流波形 b 通道；电压波形 从剧3 4 我们可以看出：电压波形是正弦波形，但是电流波形有很大的畸 变。如果放大来看，还可以看到发电现象，也就是蜕电机的三种状态在抽油 机的一个工作周期中都会出现。我们分别对供电变压器拖动抽油机电机中一 拖、拖二、一拖三等情况进行了测试，其结果比较接近。 2 】 5 i _ 5 i ；5 i 5 5 z ： ； 毛 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 3 2 频域分析 在频域分析中，我们常做的是功率谱、线性谱和对数谱分析。首先对x ( n ) 进行傅里叶变换x ( k ) ，则幅值谱： ：、嚼r t i = l 幺埘 我们对电流做幅值谱分析，结果如下： 群1 1 1 ) _ 甚 髓， 暑瞄 蔚瓣 i4 1 , 1 1 2l “。尊 l2 趴弘 l3 5 l h j 碰箍 i 肛：j 口2 h zj 舶四h 图3 5 电流幅值谱 髓 l 。啪 i i 强 l 捌 l 浩强 i j 砸 图3 5 为一拖一频谱分析，一拖二频谱与一拖三频谱与此类似。通