（电力电子与电力传动专业论文）智能采油控制系统研究.pdf

智能采油控制系统研究 s t u d yo nc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n c eo i le x t r a c t i o n a b s t r a c t n o w a d a y st h eo i lp u m p s w i t hs u c k e r - r o da r es t i l lt h em a i nf a c i l i t i e sf o ro i lr e c o v e r i n gi n o u rc o u n t y o i lp u m p sw i t hs u c k e r - r o d ，b e a mp u m p i n gu n i t ，o i l w e lp u m pc o n s u m eal o to f e n e r g y a tt h ee n do f o i l p u m p i n g ( n a m e dt e r m i n a lo i lw e l l ) t h es t r o k e se f f i c i e n c yi sv e r yl o w f o rt h ed e c r e a s eo fp r o d u c t i o n t h el o wf l u i dl e v e la n dt h ei n s t a b i l i t yf l u i dl e v e l i tl e a d st ot h e i n c r e a s eo fe l e c t r i c i t yc o s ta n dw a s t eal o to fe n e r g y o w i n gt oo i lp u m p se x c e s se n e r g y ，t h e n u l lp u m pb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s s o ，i ti sn e c e s s a r yt h a tw ec o u l dd e v e l o pan e w i n t e l l i g e n c ee n e r g ys a v i n gd e v i c et oc h a n g et h es t r o k e ss t a t ei nl o n gt e r ml o we f f i c i e n c y i t s h o u l dl e tt h es t r o k em a t c ht h el o a dt oa s s u r a n c ep u m p e do i ld u r i n ge v e r yp u m p i n g ，r e d u c e n u l lp u m p i n ga n dn u l lw o r k i tw i l lr e d u c et h ec o s to fe l e c t r i c i t ya n dt h el o s so fm a c h i n e ， d e c r e a s et h ec o s to f m a i n t e n a n c ea n di n c r e a s et h el i f eo f o i lp u m p s t h ep r e m i s eo fi n t e l l i g e n c ep u m p i n gi st h ev o l u m eo fp u m p s p r o d u c t i o na n dt h el i q u i d l e v e lo f o i lw e l l i ti sd i f f i c u l t yt om e a s u r et h el i q u i dl e v e lo f o i lw e l l r e c e n e t l y ，t h e r ea r en o t a n yw a y st om e a s u r eo i ll i q u i dl e v e l b u tm e t e r i n gp u m p s p r o d u c t i o nc a nt e l lt h el i q u i dl e v e l o fo i lw e l l t h em e a s u r e m e n td e v i c eo fw e i g ho i lc a nm e a s u r eo i lp r o d u c t i o nw i t ht h ew a yo f w e i g ho i l i tc a nm e a s u r eo n l i n e t h ep o w e rt r a n s d u c e rc a nm e a s u r et h ec o n s u m p t i o no f e l e c t r i c i t ye n e r y t h ep a p e ru s et h ew a y o ff u z z yc o n t r o lt ol e tt h eo i lp u m p s n u m b e ro fs t r o k e i nap r o p e rr a n g e d u et ot h em a s sa p p l i c a t i o no ft h ec o n v e r t e r ，t h ep a p e ru s et h em e t h o r do f c o n t r o lt h ec o n v e r t e rt os e tt h eo i lp u m p s n u m b e ro fs t r o k e t h es y s t e mo ft h i sp a p e rr e s e a r c hm a k eu po fv a r i o u si n t e r f a c ea n dt h es i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rc 8 0 5 1 f 0 1 5 i tt a k eal o tt i m ei nt h el e c t o t y p et r a n s d u c e r ，d e s i g nf u z z y c o n t r o l l e ra n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n k e yw o r d s ：o i lp u m pw i t hs u c k e r - r o d ，s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r c 8 0 5 1 f 0 1 5 tf u z z y c o n t r o l ，p o w e r - s a v i n g i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：白该黏瓷日期：盈弦r 1 o 弓p 舀 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：z 卿d ；6 6 沈阳j ：业人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 背景和意义 在过去的几十年罩，我国石油行业迅速发展，使我国迅速甩掉了石油落后帽子，创 造了可观的国民经济产值。但从国内石油生产状况来看，由于受资源条件限制，我国石 油丌采成本较高。随着石油系统的重组改制和我国加入w t o ，石油企业面l 临非常激烈 的市场竞争。由于我国高速的经济发展需要大量的原油，因此许多低产油井仍在继续采 油。如何使这类抽油机在基本不影响产量的情况下大幅度节能，是一个急待解决的课题。 当l j i 油田的生产目标是降低生产成本，提高原油产量。 在各种人工举升采油方法中，目前应用最多的是往复驱动柱塞式抽油机，在这类抽 油机中，游梁式抽油机又占了主导地位。近年来为了满足大泵、深抽、长冲程及节能的 需求，国内各抽油机生产厂家开发了各种新型抽油机，如异相型、i i i 置型、气平衡型、 旋转驴头型、链条型、双驴头型、异型游梁型、偏轮型、二次平衡型等几十种新型抽油 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 应留有一定的余量。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，使得电动机余量进一步增大。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。尤其是随着我国油用石油的开采，大部分油井都到了中后期，地层 压力下降，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， 必然会发生空抽现象，即每次只能抽取很少甚至完全抽不到油。空抽首先会造成电能的 大量浪费；其次由于抽油设备长期连续运行，机械损耗大、加速设备老化，随之也增加 了维护费用和停机维修时间；更严重的情况下会由于液击而导致抽油杆的断裂口。因此 智能采油控制系统研究 这类油井应当及时降低抽油机的工作频率甚至停止抽油机运行，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。 长期以来，石油行业的专家、技术人员一直致力于在不降低产量的前提下如何避免 抽油机出现空抽，从而减少无效电耗和机械损耗。控制抽油机在空抽状态下停止运行是 最常用的方法。此时，如何判定抽油机处于空抽状态成为问题的关键。对此，专家们进 行了大量的研究，并取得了不少成果，在实际运行中也出现了采取人工操作、辅助测量、 定时控制等多种控制方法和相应设备。但是由于处理技术复杂，需要昂贵的仪器设备， 因此很长一段时间内都没有理想、实用的解决方案。随着超大舰模集成电路、微处理机 的出现，计算机测控技术的发展，使人们能够用较低廉的成本生产出高效能的节能控制 设备【2 1 。近几年束国内外纷纷把这一研究的重点集中到以微处理机为核心的智能化抽油 机节能控制装置上。 课题的出发点就足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油控制参数，节省电能，降低丌采成本的同时不影响原油产量。 12 抽油机工作效率的测量 机械采油井的深井泵是活塞式抽油泵，抽吸对象是油、气、水三相流体，工作在井 下数百甚至数千米。反映深井泵是否工作正常的重要标志是“泵效”，即实际排量与理 论排量的比值。 深井泵之所以能够j 下常排液是因为有液体进入泵筒内，即只要泵吸入口始终在液体 中，就会有泵效。泵吸入口以上的环空液柱高度称为沉没度。沉没度实际上是输送液体 进入泵筒内的能量，它的大小可以改变深井泵的工作状况。当沉没度高，泵吸入口则压 力大，有利于泵效的提高。如果深井泵的沉没度等于或大于泵吸入口深度即液面在井口， 将会导致“连喷带抽”的生产念势，泵效奇高。可见深井泵的泵效高低与沉没度大小有 着密切关系【3 】。因此，泵效和沉没度的关系成为人们衡量深井泵工作是否正常的标志。 如果沉没度很高而泵效很低或为零，说明井下有故障，需要上措施。 从经济角度出发，要求机械采油井必须有较高的总机效率，达到能耗低、效益高之 e i 的。在实际生产中，由于受多种因素的影啊，抽油机深井泵装胃的系统效率低，这 沈刚 ：业人学硕+ 学何论文 与抽油机结构、电机效率、皮带传动效率、变速箱传动效率、盘根盒所用材料产生的摩 擦力大小、抽油杆结构及防蜡降粘效果等因素有关。 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其中 最常见的描述抽油机工作效率有以下几种方法1 4 l ： ( 1 ) 检测示功图。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簧适宜的启、停点和间歇时间，从而实现检测抽油机的工作 效率。这一方式下的优点是：依据示功图判别井下负荷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束控制抽油机，因此抽油机停抽的随意性会很大。 ( 2 ) 检测抽油机电压、电流。这一方式，通过感应电机电流、电压的变化而感知井 下负荷的变化，并根据分析处理决定抽油机启、停点及间歇时间。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。 因此直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 ) 采用称重式单井计量器检测石油产量。称重式单井计量器( 以下简称计量罐) 是沈阳工业大学通益科技有限公司研发的产品，目前在全国各大油田均有应用。该计量 罐采用称重测量方式，可以在线检测石油产量，并传送数据。通过比较单位时间内的石 油产量可以反映出抽油机的工作效率。 本课题研究的方法是通过检测抽油机机有功功率、电流、电压、石油产量等参数， 来调节抽油机的冲程次数，使得抽油机的冲程次数达到一个合理的范围，使得抽油机的 能耗最小同时石油产液量最大，既减小每吨原油产液量的耗电量，达到节能的目的。 基于以上的控制思想，本文研制了抽油机控制器。 智能采油控制系统研究 1 3 控制器结构 1 3 1 控制器硬件结构简介 控制部分是以c 8 0 5 1 f 0 1 5 为核心，该芯片是c y g n a l 公司产品，具有一个真j 下的一 个1 0 位的多通道a d c 。有一个可编程增益放大器、两个1 2 位d a c 、两个电压比较器、 一个电压基准、一个具有3 2 k 字节f l a s h 存储器并与8 0 5 1 兼容的微控制器内核。还 有硬件实现的( 不是在用户软件中用位操作模拟) 1 2 c s m b u s 、u a r t 、s p i 串行接口 及一个具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列( p c a ) 。还有4 个通用的 1 6 位定时器和4 字节宽的通用数字i o 端口。有2 5 6 字节的r a m ，执行速度可达2 0 m i p s 。 该芯片配以辅助电路完成采集数据并通过模糊控制，输出4 2 0 m a 电流。通过变频器控 制抽油机的冲程次数。 控制器结构简图如下： = 伍三m c 8 0 5 j f o l 5 q 竺兰竺降二二 单片机 仁丁磊陪 图1 1 控制器结构简幽 f i g 1 1t h ef r a m e w o r kf i g u r eo f c o n t r o l l e r 图1 i 为控制器硬件结构示意图，描述了控制器结构，即单片机采集数据，并控制 变频器。同时控制液晶显示和接收键盘信息。 1 32 软件控制算法简介 本系统采用模糊控制，以当有功功率的变化量和原油产量的变化量为量化因子经模 糊控制算法给出的控制量( 精确量) ，并根据温度和电网电压的变化修证控制量并输出。 软件结构简图如图1 2 所示。 4 沈刚i ：业人学硕十学位论文 i 石油产量变化量k 令 模糊控制器 i 功率变化量k 令 图1 2 软件结构简图 f i g 1 2t h ef r a m e w o r kf i g u r eo f s o f t w a r e 图1 2 为控制器软件结构示意图，描述了软件工作过程，后面章节有详细叙述。 一5 智能采油控制系统研究 2 抽油机控制系统数学模型的建立 2 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，下面就以游粱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 由游粱连杆一曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分组成，如图2 1 所 示。 幽2 1 抽油机结构幽 f i g 2 i t h ec o n f i g u r a t i o nf i g o f o i l - p u m p i n gu n i t l ：电动机2 ：刹午3 ：减速箱4 ：曲柄5 ：平衡重物6 ：连杆8 ：平衡块9 ：游粱支撑1 0 ：游梁 1 i ：驴头1 2 ：悬绳器1 3 ：支架1 4 ：底座 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，曲柄通过连十t 经横梁拉着游梁 后端上下摆动( 或者是连杆直接拉着游粱后端) 。游梁前端装有驴头，活塞以上液注及抽 油中t 等载荷均通过悬绳器悬接在驴头上，由于驴头随【可游梁一起上下摆动，结果驴头带 动洒塞作e 下的垂直钉：复运动，就将汕抽也井筒。 沈阳j ：业大学硕十学位论文 1 ) 活塞上行2 ) 活塞f 行 图2 2 抽油泵结构图 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o nf i g o f o i lp u m p l ：拉杆，2 ：i ：作筒，3 ：游动反尔，4 ：杞塞，5 ：l 司定反尔 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工作筒 下端的固定反尔组成，其工作原理如下： 当活塞上行时( 图2 2 左) 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，活塞下面泵筒空日j 罩压力降低，在环形空问的液柱压力作用下， 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阳j 液柱压力时，固定反尔靠自重而关闭。在活塞继续下 行中( 图2 2 右) ，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 智能采油控制系统研究 大，光杆下行时排油忽小，这一忽大忽小是周期性的变化。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 足周期性变化的。 2 2 沉没度的基本概念 图2 3 深井泵沉没度示意图 f i g 2 3t h ef i g u r eo f o i lp u m ps i n k i n g 如图2 , 3 所示沉没度h 。是泵的吸入e l 至动液面的高度。在深井泵工作状念下，“沉 没度”是该井供排平衡的重要标志。“沉没度”越大，“排液高度”越小，表明该井油 沈目l ：业人学硕十学何论文 层的供液能力大于深井泵的排液能力，即“供大于排”。当“沉没度”等于泵吸入口深 度即液面在井口时，深井泵的“排液高度”为零【6 1 。此时由于该井油层的供液能力过强， 且具有自喷生产能力，即称为“连喷带抽”的工作状态。当“排大于供”，“沉没度” 减小，环空液柱压力降低，进入泵体空间的混合液体将分离出大量天然气，充填泵体空 间，降低泵效；当“沉没度”，趋近于一个较小值时，进入泵体空日j 的将不完全是混合 液体，还有分离出来的天然气，即所谓“气影响”，造成深井泵的泵效下降；当“沉没 度”趋近于零时，进入泵体空间的将是以在环空中分离出来的天然气为主，造成深井泵 无法j 下常工作，无液体排出，即“抽空”现象发，土【7 1 。 另外，由于泵漏、反尔漏、杆断脱等机械故障，还会造成特殊的反常现象，即“该 大的不大，该小的不小”。所谓“该大的不大”就是沉没度大，泵效该大而不大，这种 较大的沉没度不是“供过于排”，而是排液系统失灵。 我们需要把沉没度控制在一个合适的范围内。由于直接测量深井泵沉没度十分困 难，所以采用以下方法可以间接的反映深井泵沉没度。 2 3 功率因数的计算 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波【8 1 。设电流和电压 可分别表示为： u = 4 2 vs i n c o t ( 2 1 ) i = 、i 2 i s i n ( c o t 一妒) = 丑c o s 伊s i n 肼一d s i n p c o s ( o f = i p + i a ( 2 2 ) 其中，妒为电流滞后电压的相角。 电流f 被分解为和电压同相位的分量和比电压滞后9 0 度的分量f q 。和f q ，分别 f f p = v r 2 1 c o s 妒s i n c o t l = 一砌s i n q ，c o s c o t ( 2 3 ) 智能采油控制系统研究 电路的有功功率尸就是其平均功率，即： 肛f u i d ( 州) = 去卜乇+ ”i q ) d ( c o t ) 2 , rf 4 ( c o s 伊- u 1 c o s f o c o s 2 c o t ) d ( c o t ) + 去卜u s i n 删n 2 0 ) t ) d ( t o t ) = u l c o s o ( 2 4 ) 电路的无功功率定义为： 9 2 u i s i np ( 2 ，5 ) 可以看出，q 就是被积函数的第2 项无功功率分量“的变化幅度。u 的平均值为 零，表示其有能量交换而不消耗功率。q 表示了这种能量交换的幅度。在单相电路中 这种能量交换通常是在电源和具有储能元件的负载之问进行的。 在工程上把电压电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极值，这个值也就是电气 设备最大可利用容量f 9 1 。 有功功率和视在功率的比值为功率因数： 五= 争u i c o s 婴s 妒 ( 2 6 ) 五2 i 一。0 8 妒 m j 可见在j 下弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相角差决定的。视在功率为： s 2 = p 2 + q 2 ( 2 7 ) 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和j 下弦电路 相同。但非j 下弦周期函数可用傅罩叶级数表示成： u ( c o t ) = 口。u + us i n ( 疗科+ 群) ( 2 8 ) 月= l i ( c o t ) 2 口j + c ：s i n ( n m t + 纯) 1 0 ( 29 ) 沈阳i ：业人学硕十学仲论文 式中s i n ( c o t + 仍) 、s i n ( o x + 仍) 、s i n ( a 口t + 仍) 等都是互相j 下交的。也就是说，上述 函数集合中的两个不同函数的乘积在一个周期内的积分为零。所以其有功功率为： p 卜i d ( o x ) 2 7 r = 艺叫。c 。s 4 鲁“o “1 电流和电压的有效值分别为： 因此 j ” u ；1 u ： y 月；l ，5 、露 yn = l 溯i = 露鼯 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 含有谐波的非正弦电路中的无功功率的情况比较复杂，至今没有被广泛接受的科学 而权威性的定义。仿照前面的定义，可以定义无功功率： q ，= u 。，。s i n f p 。 ( 2 1 4 ) 它是由同频率的电压电流f 弦波分量之问产生的；畸变功率d ，它是由不同频率的 电压电流j 下弦波分量之日j 产生的。则视在功率为： s 2 = p 2 + 研+ d 2( 2 1 5 ) 实际中电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变很大，设萨弦电压的有效值为u ， 畸变电流的有效值为，其基波电流的有效值及与电压相角差分别为，。和仍，n 次谐波 有效值为l 。考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率，可得 有功功率：p = u ic o s ( p 无功功率：研2 嘲s i nc p l 智能采油控制系统研究 视在功率：s 2 2 u2 ，2 2 【，2 ，? 十u 2 ，： 功率因数：2 = c o s 妒= ；一u 1 1 c o s 螋= 量ic o s 仍su l 在这罩功率因数仍定义为有功功率与视在功率之比，但此时并没有一个实际的相角 与之对应，只是一种习惯的表示方法。根掘实际工程经验，油阳油井的井下负荷变化可 从抽油机的有功功率的变化体现出来。给抽油机供电的电网电压通常变化不大，可以作 为一个系数，考虑到实际电网有波动，可以根据实际情况将此系数修证。 24 油井液量的在线测量系统简介 称重式单井计量器采用称重的方式对流经计量罐的原油进 i 称莺，实现油井液量的 在线测量，其工作原理如图2 4 所示f ”i ： 幽2 4 计萤罐原理示意幽 f i g ，2 4t h es k e l e t o nd r a w i n go fm e t e r i n gt a n k 1 2 沈r ii 业大学硕十：学位论文 如图2 4 所示通过进油口的原油经分离器装入翻斗。翻斗装置是由对称的两个独立 料斗组成，为了排除稠油粘斗带来的测量误差，经过称重传感器检测得到了重量随时间 变化的曲线，根据重量变化规律，利用积分计算即可得到累计流量，再换算成产量。然 后通过4 8 5 总线传输测量值。 2 5 抽油机能耗的测量 本系统从原理来说是依据功率大小来判断空抽、满抽的，在采用功率判断的系统中， 很多系统是以时间为基准进行处理的。例如将空抽基准值定义为一分钟的平均功率，用 人工设定或自动测算的方法求得并永久保留该值作为空抽判断基准值。在抽油机运行过 程中通过累计每分钟的功耗算出这段时帕j 的平均功率，再将其与空抽基准值比较1 。 这种方法处理起来简单，但是存在很大误差。因为抽油机是以冲程为周期工作的， 一分钟不可能证好包含整数个冲程，假如每分钟4 5 个左右的冲程，那么多出的半个冲 程可以是上冲程，也可能是下冲程。若抽油机平衡锤调的位置不是非常好时，下冲程中 往往出现负功( 多数都会出现负功) ，那么，加上的是上冲程的f 功则结果可能大于五个 冲程的功耗；若加上的是下冲成的负功则可能小于四个冲程的功耗，也即可能造成超过 2 0 的误差。即便平衡锤调得很准，上、下半个冲程的功率差也很大，计算结果也会有 很大误差。所以以时间为基准处理时，常常把时间选的长一些，例如5 分钟，以减小这 一误差，但是时间又不能选得太长，否则影响灵敏度，所以以时问为基准的处理方法误 差总是相当可观的【1 2 】。 为了保证检测的准确性，最好采用以冲程为基准的处理方法。本系统采用了这种方 法，通过累计若干个冲程周期( 1 分钟或1 分多钟内的整数个冲程) 的功耗，并记录下这 段时| 日j 的长度，然后算出这几个冲程的平均功率。 2 6 抽空点的判断 2 6 1 空抽的危害 空抽泛指抽油量不满的情况。空抽有两种直接危害或缺陷： ( 1 ) 空抽产生液击，液击严重时会导致抽油杆断裂； ( 2 ) 空抽导致有用功耗下降，以至消耗大量电能。 智能采油控制系统研究 2 6 2 空抽的判另0 根据文献，在个冲程周期内，如果井下负荷不变的话，抽油机的动力电机的平均 有功功率也几乎不变，即抽油机的有功平均功率变化可体现油井的实际负荷变化。由于 油液面越低渗油速度越快，因此在对抽油杆不会造成损伤的情况下，空抽到一定程度是 有利于提高产油量的1 3 】。在采用电机电流进而计算功率检测情况下，有以下判空方法： ( 1 ) 瞬时功率法。控制机自动检测和标定每个冲程的起始和过程时刻，以人工事先 设定的相对冲程时刻作为判点( 如从上冲程起点丌始的x x 冲程时刻) ，在人工判断发生 空抽时给控制机输入一个按键信号，控制机自动将判点时刻的瞬时平均有功功率只记录 下来作为该油井的空抽判据。以后在萨常运行时只要检测到判点时刻的瞬时平均有功功 率等于或小于只，就操作空抽停机。该方法的优点是判点数掘变化明显、易于捕捉f “1 。 ( 2 ) 产量检测法。计量罐通过计量石油的重量的方式在线计量石油产量。当计量罐 计量值为零时，既石油产量为零时，认为空抽发生。正如上文叙述的计量罐的工作原理， 决定了判断计量罐的空抽需要一定的时间，既等待一段时间计量灌没有发送数掘认为抽 空发生。 2 7 控制目标 智能抽油机控制器的基本机理是合理的调整抽油机的冲程次数以达到抽油机的能 耗最小同时石油产液量最大，并且在发生空抽现象时停止抽油机工作。对于每个周期的 抽油量q ，一般有以下规律：一是油液位越低，渗油速度越快；二是停抽时间越长，下 一次的抽油量越大【1 5 l 。 本文采用模糊控制，把单位时| 日j 内能耗的变化量和产量的变化量作为量化因子，频 率的变化量作为输出。内建抽油机控制模型叙述如下： ( 1 ) 采集当阿一段时间的功率q ，当前原油产量p 和当前电压u ，当前功率q 经处 理和当前原油产量p 送到数掘单元。 1 4 沈t ：业人学硕十学位论文 ( 2 ) 数据单元罩的数据经过模糊控制器处理得出抽油机工作频率厶。并且空抽点有 功功率e o ，空抽时停止时刻t o 由经验给定。 ( 3 ) 当前有功功率与r 比较。如果小于昂就认为抽空发生。或者计量罐给出的数掘 为零时也认为空抽发生。当空抽发生时停止抽油机t o 时间后继续工作l 。否则就按频率 五运行正，后继续调整频率。 抽油机控制器如图2 5 所示： 图2 5 抽油机控制器框图 f i g 2 5t h ed i a g r a mo f o i lp u m pu n i tc o n t r o l l e r 考虑到实际的工作情况当前功率s 2 = u 2 2 受电网电压影响较大，电网电压通常会在 3 6 0 v , - 4 1 0 v 之间波动所以我们采用乘比例系数的方法以减小电网电压波动的影响。当前 电压u 小于3 8 0 v 时公式如下： 岛= s 。( 矿3 8 0 - u ) ( 2 1 6 ) 当前电压u 大于3 8 0 v 时公式如下： 智能采油控制系统研究 墨：苎! ! 坠 ”f u 一3 8 0 ) 经过处理后的功率值存储到数据单元，输入到模糊控制器。 6 ( 2 1 7 ) 沈日jt 一业人学硕十学位论文 3 模糊控制理论基础及控制器设计 3 1 模糊控制理论基础 3 1 1 模糊控制的特点及研究意义 所谓模糊控制，既不是指被控过程是模糊的，也不意味着控制器是不确定的，它是 表示知识、概念上的模糊性。一个模糊控制算法虽然是通过模糊语言来描述，但它所完 成的却是一项完全确定的工作。 模糊控制理论是在控制理论领域中很有发展前途的一个分支，这是因为对工业生产 过程来说，模糊控制具有一系列传统控制无法与之比拟的优点。模糊控制的优点在于： ( 1 ) 不需要建立精确的数学模型，适当地利用模糊规则和隶属函数就可以实现智能 化模糊控制。 ( 2 ) 通过选择合适的模糊规则、隶属函数和不同的计算语吉编程，可以很容易地解 释系统出现的某些过程和现象，处理一些不稳定的因素，从而使系统变得稳定，也就是 说系统对时变参数适应性强。 ( 3 ) 模糊控制器具有结构简单、容易实现，便于操作和成本低等特点，在工业中采 用模糊控制可以实现很高的性能价格比。 模糊控制技术虽然在应用中取得了巨大的成功，然而要进一步深化其技术尚有许多 问题需要解决【1 6 】。 ( 1 ) 模糊控制在非线性复杂系统应用中的模糊建模，模糊规则的建立和模糊推理算 法的深入研究。 ( 2 ) 由于复杂模糊规则的相互作用，使得到的合成推理算法具有相当程度的非线性 性能，致使模糊控制效果不够理想。 ( 3 ) 模糊控制系统的稳定性理论探讨。 ( 4 ) 自学习模糊控制策略和智能化系统结构及其实现。 ( 5 ) 简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置，通用模糊控 制系统的开发和推广应用。 智能采油控制系统研究 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字 控制，它本质上是一种非线性控制。模糊控制的核心是模糊推理，模糊推理是通过模糊 控制规则束实现的。为了和现行应用的控制器物理结构相匹配，模糊控制器还要有变换 精确信息的专门接口，即模糊化和反模糊化接口。模糊控制不需要知道系统的精确数学 模型，控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用。模糊控制系统的鲁棒性 强，干扰和参数变化对控制效果影响被大大减弱，尤其适合非线性、时变及纯滞后系统 的控制”。 模糊控制是指模糊控制理论在控制技术上的应用。在模糊控制回路中被控过程的敏 感量输出构成模糊控制器输入。模糊控制器的输出则是被控系统的调节量输入。 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统性能的优劣，主要取决于模 糊控制器的结构，所采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等囡素。 幽3 1 模糊控制器的结构图 f i g ，3 1t h ef r a m e w o r ko f f u z z yc o n t r o l l e r 模糊控制器的组成框图如3 1 所示。它包括有：输入量的模糊化接口、数据库、规 则库、推理机和输出解模糊接口五个部分【18 1 。 3 1 2 模糊化接口 模糊控制器的输入接口必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解，因此它实际 上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实地确定量输入转换成一个模糊矢 量。该部分的输入量包括外界的参考输入和系统地输出或状念等。模糊化过程首先要将 沈日i ：业大学硕十学位论文 输入量进行处理，变成模糊控制器所要求的输入量。常见的情况是计算参考输入与输出 的偏差e 和偏差e 的变化率e c 。经过处理的输入量还需进行尺寸变换，使其变换到模糊 控制器所规定的论域范围内，再将其进行模糊处理，使原来精确的输入量变成模糊量， 并用相应模糊集合来表示该模糊量。模糊化的具体过程须经模糊量化、模糊划分和模糊 表达三个过程1 19 1 。 如图3 1 所示，模糊控制器接受的输入为偏差e 和偏差的变化率e c ，它们均为连续 量，其论域为连续的。模糊量化将此连续论域划分成一个个小部分，每个部分对应一个 元素。如对于连续论域 a ，b 】，经量化后的论域为【- n ，n 1 ，0 n 一1 ，n 】，则存在系数q g ：- 2 n + l( 3 1 ) 0 一a q 称为量化因子。量化后论域元素的个数称为量化级数，量化级数一般取5 1 5 。量 化级数应足够多，以满足隶属函数的逼近表达；量化级数应足够少，以节省存储空间。 当量化级数减小为2 时，接近开关控制。当量化级数多至无穷时，则成了连续论域。 由于在实际控制中，如果偏差大，则用大控制量，这时模糊划分的宽度可以粗些； 如果偏差小些，则用小控制量，此时划分的宽度应细些。所以模糊量划分的宽度应随着 模糊量离0 元素距离的增大而非线性增大较为恰当。 模糊划分即为在给定的论域中确定模糊量的个数。模糊划分主要依掘经验进行，没 有一种确定的方法。对一个给定的论域而言，模糊量划分过少，则语言变量就会过于粗 糙，这会对控制系统的控制质量产生不良的影响。若划分的模糊量过多，则形成的控制 规则就会过多，进行模糊推理就会占用大量的时间；在模糊关系计算时会产生庞大的关 系矩阵，是关系运算复杂，产生的控制表也会因数据庞大而占用较多的内存。 在实际应用中，模糊划分与模糊量化有直接的关系。若论域量化后，离散元素为 2 n + l ，而模糊划分的模糊量为m 个，则论域元素的个数应为模糊量的1 5 2 倍。令 p = 1 5 _ 2 ，则有； 2 玎+ 1 = p 埘 ( 3 2 ) 智能采油控制系统研究 在论域中模糊量隶属度函数的形状称为模糊量的模糊表达。模糊量的表达在实际应 用中可以用多种方法，如图形表示法、公式表示法、表格表示法和坐标表示法等。图形 表示法和坐标表示法主要用于论域为连续的情况，而公式表示方法和表格表示方法用于 论域为离散的情况。 3 1 3 知识库 知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，它通常由数掘库和模糊控 制舰则组成。 数据库中包含了各语言变量的隶属度函数、尺寸变换因子和模糊空间的分级数等， 它所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值( 即经过论域等级的 离散化以后对应值的集合) ，若论域为连续域，则为隶属度函数。如对于上述输入模 糊变量e ，即需将隶属函数值存放于数据库。在规则推理的模糊关系方程求解过程中， 向推理机提供数据。但耍说明的是，输入、输出变量的测量数师集不属于数据库存放的 范畴【2 。i 。 规则库就是用米存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供拧制规则。 反映了专家的控制经验年p 知识，由模糊语言变量所表示的一系列控制规则构成。模糊控 制规则表达了人对被控对象执行控制时的模糊思维和判别过程，其本质为人的模糊推理 规则。模糊控制规则用模糊条件语句表示。 由上述可知，规则条数和语言变量的模糊子集划分有关。这种划分越细，规则条数 越多，但这并不意味着规则库的准确程度越高。 对任意输入，模糊控制器均应给出合适的输出，这种性质称为完备性。模糊控制的 完备性取决于数掘库或规则库。根掘完备性要求，控制规则数不能太少，但若太多又会 使计算复杂。挖制规则数应在满足完备性的条件下，尽量取较少的规则数。 3 1 4 模糊推理 推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊 芙系方程，并抉得模糊手孛制最的功能部分f 2 2 】。 沈r 1 i ：业人学硕十学位论文 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基本模糊概念的推理能力。模糊推 理过程是按模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。设有模糊集合a 和模糊集合b ， 变量x ，y 的论域为：x ，y ，x a ，y b 的隶属度函数为。o ) 和1 。( y ) 。若模糊推理 的| j i 提为：“x 为一；如果x 为a ，则y 为b ”，结论为：“y 为b ”。则a 与占问的蕴 涵关系为：r = a b 。常见的模糊蕴含关系运算方法有：模糊蕴涵最小运算( r ) 、模 糊蕴涵积运算( r 。) 、模糊蕴涵算术运算( r d ) 、模糊蕴涵最大最小运算( 民) 等。 模糊推理由条件聚合，推断和累加三部分组成。模糊推理首先计算控制率中每条规 则条件的满足程度，然后依据条件的满足程度推断单一规则输出的大小。最后将所有规 则的输出累加，得到总的模糊输出。在模糊逻辑中，对- i f at h e n b 规则，结论部分的满 足度受条件部分满足度的限制。常见的限制方法有最大最小和最大乘积法。在最大最小 方法中结论的满足度为条件的满足度和结论隶属函数的最大值。而在最大乘积法中结论 的满足度由条件的满足度和结论隶属函数的成积得出。在最大最小推论方法中结论的隶 属函数由条件的总满足度截断。而在最大乘积法中继续保持结论隶属函数的原有形式， 只是结论隶属函数按条件的满足度成比例的缩小。 最后将所有规则的结论累加起来，形成模糊控制器的输出。 常用的模糊推理方法有： ( 1 ) 扎德推理法 r = ( a 专b ) = 1 ( 1 4 + b ) ( 3 3 ) 或 r = ( a - 9 b ) = ( a a 曰) v ( 1 一a )( 3 4 ) 那么其隶属函数为： ，“- - 9 b ( x ，y ) = 【a ( x ) a b ( y ) 】v 【l 一a ( x ) 】 ( 3 5 ) ( 2 ) 玛达尼( m a m d a n i ) 推理法 r = 0 _ 占) = a a b ( 3 6 ) 智能采油控制系统研究 那么其隶属函数为 a b ( x ，y ) = 【t ( x ) a b ( y ) 】= r 。( x ，y ) ( 3 7 ) 3 ，1 5 清晰化 清晰化的作用是将模糊推理得到的模糊量转换为应用于实际控制的清晰量。清晰化 过程有以下两个步骤实现：( 1 ) 将模糊量清晰化，变换成表示在论域范围内的清晰量；( 2 ) 对在论域范围内的清晰量进行尺度变换，变成应用于实际的控制量，清晰化计算通常有 以下几种方法： ( 1 ) 最大隶属度法。若输出量模糊集合u 的隶属度函数只有一个峰值，则取隶属度函 数的最大值为清晰值，即； p l j ( z o ) u ( z ) ( 3 8 ) 其中表示清晰值。若输出量的隶属的有多个极值，则取这些极值的平均值为清晰 值。 ( 2 ) 中位数法。选取将模糊子集的隶属曲线和横坐标所围成区域的面积平分为两部分 的点，即将模糊集中位数作为控制量。该法比较充分地利用了模糊子集提供的信息，但 计算比较复杂，在连绩隶属函数时需要求解积分方程，而且缺乏对隶属度较大元素提供 主导信息的充分重视，因此咳法在实际应用中受到一定限制。 ( 3 ) 加权平均法。该法是模糊控制系统中应用较为广泛的一种方法，其计算公式为： 以t u = ( 3 9 ) k ， - l 这种方法计算量较大，但模糊控制器的性能较好。当所采用的模糊控制规则、隶属 函数。或被控对象等不同时，情况会有所变化。但有研究表明，使用取中位数法的模糊 控制器类似于多缴继电器控制，加权平均法则类似于p i 控制器。一般而言，加权平