油田回注水余氯模糊系統(tǒng)

龍　盼　周鳳星　萬興兵

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢　430081)

油田回注水余氯模糊系統(tǒng)

龍盼周鳳星萬興兵

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081)

摘要：針對(duì)油田回注水系統(tǒng)中余氯控制對(duì)象具有非線性、大時(shí)滯和時(shí)變性等特點(diǎn)，以及難以建立數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)狀，介紹了一種基于自適應(yīng)Smith的模糊PID控制方案。利用模糊控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 3個(gè)參數(shù)的自整定；采用Smith預(yù)估器對(duì)加氯控制系統(tǒng)的滯后進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)合模型參考自適應(yīng)算法，彌補(bǔ)Smith控制器對(duì)模型的依賴性。仿真結(jié)果表明，該方案能有效提高余氯的控制效果，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性及適應(yīng)參數(shù)變化的能力。

關(guān)鍵詞：余氯控制自適應(yīng)控制模糊控制PID控制Smith預(yù)估器油田污水處理

0引言

從目前國(guó)內(nèi)大部分油田的污水處理及應(yīng)用情況來看，污水回注地層是解決生產(chǎn)過程中污水的最佳方法。余氯是反映油田回注水水質(zhì)狀況的重要指標(biāo)，過高或過低都會(huì)直接影響油田污水的回注過程。為保證回注過程正常進(jìn)行，需對(duì)出口處余氯量進(jìn)行定值控制。出口處余氯量的優(yōu)化控制對(duì)提高回注水水質(zhì)、減緩管道腐蝕速度和減少環(huán)境污染具有重要的意義[1]。

通過對(duì)某油田污水處理系統(tǒng)的分析，為保證回注水余氯量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了一種自適應(yīng)Smith預(yù)估模糊PID控制方案。該方案采用Smith預(yù)估控制器，彌補(bǔ)回注水余氯控制系統(tǒng)的滯后，采用模型參考自適應(yīng)調(diào)整參考模型適應(yīng)模型失配的情況，并運(yùn)用模糊控制器對(duì)PID的比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行修正。仿真結(jié)果表明：該方案提高了余氯量的控制精度，縮短了上升及峰值時(shí)間，降低了超調(diào)量。

1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油田污水處理過程需對(duì)聯(lián)合站外輸泵出口處余氯量進(jìn)行定值控制。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)油田污水水質(zhì)、pH值和溫度等因素都會(huì)對(duì)出口處余氯量產(chǎn)生影響，而常規(guī)PID控制器對(duì)以上干擾的控制效果不佳，使出口處余氯量波動(dòng)頻繁，影響回注水水質(zhì)。為解決上述問題，本文在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，引入了Smith預(yù)估控制、模型參考自適應(yīng)和模糊控制。

基于自適應(yīng)Smith預(yù)估的余氯模糊控制系統(tǒng)如圖1所示。圖1中：γ為余氯給定值;y為余氯的測(cè)量值;μ為控制器控制量，相當(dāng)于輸出給加氯機(jī)閥門開度的電流值。

圖1　油田回注水余氯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2自適應(yīng)Smith模糊PID控制器

2.1模糊PID控制器

控制系統(tǒng)將采樣得到的余氯值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，并以PID的3個(gè)參數(shù)修正值作為輸出；根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID控制器，以滿足不同時(shí)刻的誤差e和ec對(duì)PID控制參數(shù)的需求。模糊PID控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　模糊PID控制系統(tǒng)框圖

(1) 輸入輸出量的模糊化。

選擇偏差和偏差變化率ec及3個(gè)輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd對(duì)應(yīng)的模糊語言變量，分別為E、EC、Kp、Ki、Kd。取模糊化論域?yàn)閇-6，6]，由7個(gè)語言變量組成，分別為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，簡(jiǎn)記為{NB、NM、MS、ZO、PS、PM、PB}。在油田加氯系統(tǒng)中，應(yīng)保持出口處余氯值在(0.50.12)mg/L[2]，選余氯偏差的基本論域?yàn)閇-0.12，0.12]，ec的基本論域?yàn)閇-0.02，0.02]，則可得量化因子Ke=6/0.12=50，Kec=6/0.02=300。隸屬函數(shù)選用三角形函數(shù)，計(jì)算方便。

(2)模糊規(guī)則和模糊推理。

針對(duì)不同的e和ec，根據(jù)操作者手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)及PID參數(shù)整定原則，將模糊控制器的模糊規(guī)則總結(jié)如下[3-4]。

①當(dāng)e>0且ec<0時(shí)，即余氯檢測(cè)值與余氯設(shè)定值的偏差有減小的趨勢(shì)。在初期階段，為了盡快消除偏差，須加快控制量的響應(yīng)速度，所以取較大的比例系數(shù)；為避免積分飽和，取較小的積分系數(shù)。當(dāng)余氯檢測(cè)值逐漸接近設(shè)定余氯值時(shí)，為提高系統(tǒng)的抗干擾性、減小在穩(wěn)定值點(diǎn)的振蕩，可適當(dāng)增加微分系數(shù)。

②當(dāng)e<0且ec<0時(shí)，即余氯檢測(cè)值超過余氯設(shè)定值，且偏差有增大的趨勢(shì)。為防止大的超調(diào)量出現(xiàn)，選取較大的微分系數(shù)，并適當(dāng)減小比例系數(shù)、積分系數(shù)。

③當(dāng)e<0且ec>0時(shí)，即余氯檢測(cè)值與余氯給定值的偏差有減小的趨勢(shì)。初期階段，為了盡快消除偏差，須加快控制量的響應(yīng)速度，所以取較大的比例系數(shù)和較小的微分系數(shù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)余氯檢測(cè)值逐漸接近設(shè)定余氯值時(shí)，為防止系統(tǒng)出現(xiàn)大的超調(diào)，可適當(dāng)增加微分系數(shù)，以減小積分系數(shù)。

④當(dāng)e>0且ec>0時(shí)，即余氯檢測(cè)值與余氯給定值的偏差有增大的趨勢(shì)。為減小超調(diào)，取較大的微分系數(shù)。當(dāng)偏差較大時(shí)，為盡快消除偏差，可適當(dāng)增大積分系數(shù)與比例系數(shù)，以減小微分系數(shù)。

根據(jù)上述原則，可將其轉(zhuǎn)化成模糊控制語句，如：

IFE=NBANDEC=NB，THEN ΔKp=PB，ΔKi=NB，ΔKd=PS；

IFE=NBANDEC=NS，THENΔKp=PB，ΔKi=NM，ΔKd=NS；

IFE=NBANDEC=ZO，THEN ΔKp=PB，ΔKi=NB，ΔKd=PS；

…

(3)解模糊。

2.2自適應(yīng)Smith預(yù)估控制器

Smith預(yù)估器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中:PID控制器為Gc(s)，Smith預(yù)估器為Gm(s)e-τms，出口處余氯控制過程實(shí)際對(duì)象為G0(s)e-τs。

圖3　Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖

由圖3推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(1)

當(dāng)Gm(s)=G0(s)、τ=τm時(shí)，傳遞函數(shù)變?yōu)?

(2)

由式(2)可知，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不含純滯后因子，使系統(tǒng)穩(wěn)定性不受時(shí)滯部分的影響。

考慮到油田污水處理過程參數(shù)的時(shí)變特性及不確定性，預(yù)估模型可能會(huì)存在偏差，而Smith預(yù)估控制器在模型匹配存在偏差的情況下會(huì)導(dǎo)致控制效果不佳，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。但是，如果對(duì)預(yù)估模型不斷調(diào)整，使之和實(shí)際被控對(duì)象相匹配，系統(tǒng)的控制效果就會(huì)得到明顯的改善。故將模型參考自適應(yīng)思想引入到Smith預(yù)估控制系統(tǒng)中，構(gòu)成自適應(yīng)Smith控制器。其原理是：選用Smith預(yù)估控制器為參考模型，回注水余氯對(duì)象模型為被辨識(shí)過程，通過Smith預(yù)估控制器與回注水余氯對(duì)象模型的廣義誤差，在線辨識(shí)回注水余氯對(duì)象模型；然后對(duì)參考模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，使參考模型的動(dòng)態(tài)性能盡可能與實(shí)際過程一致[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　余氯控制自適應(yīng)Smith系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制理論，目前應(yīng)用較多的是李亞普諾夫穩(wěn)定理論和波波夫超穩(wěn)定性理論。在油田污水處理過程中，希望控制系統(tǒng)可以使出口處的余氯量維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。由李亞普諾夫穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，故選用該理論為調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)律[6-8]。

可將氯在緩沖罐中的反應(yīng)看成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)加小滯后環(huán)節(jié)[9]，其傳遞函數(shù)為：

(3)

由泰勒一階式可得[6]：

(4)

則余氯實(shí)際對(duì)象模型傳遞函數(shù)可寫為：

(5)

(6)

設(shè)Smith預(yù)估模型傳遞函數(shù)為：

(7)

開環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程為：

(8)

式中：r為模型輸入，等效于U；e為余氯實(shí)際對(duì)象模型與Smith預(yù)估模型的廣義誤差。

取ψ=kv-kckm，則選取李亞普諾夫函數(shù)：

(9)

則：

(10)

由式(8)解得：

(11)

代入式(10)中，得：

(12)

(13)

則可得：

(14)

又因?yàn)椋?/p>

(15)

將式(15)代入式(14)，得余氯控制系統(tǒng)的自適應(yīng)律為：

(16)

模型參考自適應(yīng)控制框圖如圖5所示。

圖5　模型參考自適應(yīng)控制框圖

3仿真分析

(17)

在Matlab中建立仿真模型，驗(yàn)證在參數(shù)失配的情況下，系統(tǒng)對(duì)象模型與Smith預(yù)估器模型的控制效果。分別設(shè)計(jì)了常規(guī)PID控制器、模糊PID控制器和自適應(yīng)Smith的模糊PID控制器。當(dāng)以0.5mg/L階躍信號(hào)為輸入時(shí)，3種控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　對(duì)象參數(shù)改變后余氯輸出曲線

比較3種控制器的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間：PID控制器分別為18.5%和287min；模糊PID控制器分別為12.3%和221min；自適應(yīng)Smith的模糊PID控制器分別為5.5%和212min。仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)Smith的模糊PID控制器具有上升時(shí)間短、調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小和控制效果好等特點(diǎn)。

4結(jié)束語

針對(duì)油田回注水余氯控制系統(tǒng)的非線性、大時(shí)滯

和時(shí)變性特點(diǎn)，本文提出了一種基于自適應(yīng)Smith的模糊PID控制方案。該方案兼顧了模糊控制和自適應(yīng)Smith預(yù)估控制的優(yōu)點(diǎn)，既對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，又對(duì)系統(tǒng)的滯后有很好的補(bǔ)償，從而保證了殺菌效果、提高了回注水水質(zhì)、減少了環(huán)境污染。與傳統(tǒng)的控制方法相比，該方案在控制性能上有很大的提高，且實(shí)現(xiàn)方便、控制效率高，極大地降低了油田運(yùn)行成本，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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Fuzzy System of Residual Chlorine in Oilfield Reinjection Water

Abstract：Aiming at the characteristics of object in residual Chlorine control, i.e., nonlinearity, large time delay and time-varying, etc., and the difficulty to establish the model for the process of oilfield reinjection water system, a fuzzy PID control scheme based on adaptive Smith prediction is introduced.The self-tuning of three of the PID parameters are implemented by using fuzzy control; and the time lag of Chlorination control system is compensated with Smith predictor, combining with the adaptive algorithm of reference model, the dependence of Smith controller upon the model is remedied.The simulation results show that the control effect of residual Chlorine can be effectively improved by this control scheme, the robustness and the capability of the system to adapt the changes in the parameters are enhanced.

Keywords:Residual Chlorine controlAdaptive controlFuzzy controlPID controlSmith predictorOil fieldSewage disposal

中圖分類號(hào)：TH86;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606019

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：61174106)；

武漢科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14ZRC149)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者龍盼(1991-),女，現(xiàn)為武漢科技大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方向的研究。