自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用研究

楊輝，唐杰，衛(wèi)乾，劉星 （北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100011）

自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用研究

楊輝，唐杰，衛(wèi)乾，劉星 （北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100011）

本文介紹了ADRC（自抗擾控制）技術(shù)的基本原理和框架結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了國(guó)內(nèi)油田常用的智能抽油機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)。為達(dá)到節(jié)能增效的目的，將ADRC技術(shù)移植到智能抽油機(jī)數(shù)字控制柜中，本文提出的基于ADRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的算法改進(jìn)了抽油機(jī)的智能調(diào)節(jié)功能，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明ADRC技術(shù)在智能抽油機(jī)中具備一定的實(shí)用價(jià)值。

自抗擾控制；智能抽油機(jī)；控制器

Controller

近年來(lái)，機(jī)采抽油機(jī)技術(shù)不斷向數(shù)字化、無(wú)線(xiàn)化、智能化甚至是智慧化的方向發(fā)展。智能抽油機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能抽油機(jī)控制器、智能抽油機(jī)變頻控制以及沖程、換向等方面都有新設(shè)計(jì)、新產(chǎn)品投入到實(shí)際應(yīng)用中。自抗擾控制技術(shù)（ADRC）自20世紀(jì)90年代提出后，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，在航天、航空、軍事、工業(yè)過(guò)程控制、機(jī)電控制等領(lǐng)域都得到成功應(yīng)用。本文就將自抗擾控制技術(shù)引入到智能抽油機(jī)進(jìn)行研究，擬通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到節(jié)能增效的目的。

1 自抗擾控制(ADRC)技術(shù)

對(duì)于ADRC，可以理解為三部分，即TD（微分）跟蹤器、線(xiàn)性或非線(xiàn)性組合調(diào)整、ESO（擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)）觀察器。其中跟蹤器對(duì)輸入信號(hào)的復(fù)制或者是快速定位便于下一步的分析處理；而線(xiàn)性組合或者非線(xiàn)性組合（一般情況下是非線(xiàn)性組合）進(jìn)行調(diào)整，并將外界未知的干擾一并加入到調(diào)整中對(duì)輸出產(chǎn)生影響；ESO觀察器則是對(duì)輸出的值進(jìn)行觀察，并將結(jié)果反饋到非線(xiàn)性調(diào)節(jié)組合的輸入端，對(duì)調(diào)節(jié)組合進(jìn)行實(shí)時(shí)的影響和調(diào)整。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自抗擾控制結(jié)構(gòu)示意圖

式1是自抗擾控制二階標(biāo)準(zhǔn)算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式1中包含安排過(guò)渡過(guò)程、線(xiàn)性狀態(tài)擴(kuò)張狀態(tài)觀察器、誤差反饋控制。安排過(guò)渡過(guò)程屬于TD跟蹤器的一部分，它包含兩個(gè)參數(shù)；擴(kuò)張狀態(tài)觀察器包含三個(gè)參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響很大；誤差反饋包含四個(gè)參數(shù)，其中一個(gè)參數(shù)是補(bǔ)償因子參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]所描述的方法，上述的所有參數(shù)除去補(bǔ)償因子外都與采樣步長(zhǎng)可以建立對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此，對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)為：采樣步長(zhǎng)、補(bǔ)償因子。這樣便簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的調(diào)節(jié)參數(shù)數(shù)目。其具體的關(guān)系及參數(shù)整定方法可參考文獻(xiàn)[2]，本文不再作詳細(xì)描述。

2 智能抽油機(jī)相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

智能抽油機(jī)經(jīng)過(guò)近年的發(fā)展及積累，主要在以下幾方面進(jìn)行了技術(shù)改動(dòng)或創(chuàng)新：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)上的技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)主要使用的抽油機(jī)機(jī)型有如下幾種：偏置式抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)、游梁式抽油機(jī)、塔架式抽油機(jī)、皮帶式抽油機(jī)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]所描述的相關(guān)特點(diǎn)總結(jié)如表1所示。

表1 抽油機(jī)機(jī)型分類(lèi)表

在技術(shù)革新上，由于游梁抽油機(jī)使用范圍及數(shù)量均較大，又提出有偏置游梁式抽油機(jī)，在原有的梁式抽油機(jī)上增加平衡調(diào)節(jié)裝置，其原理是根據(jù)井況（一般是根據(jù)算法推算井中液面的狀況）對(duì)平衡調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)，使抽油機(jī)的狀態(tài)達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。這種對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，雖然增加了一定的安裝難度，但配合平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的使用，使抽油機(jī)具有智能特性。

至于主要用在稠油地區(qū)的雙驢頭抽油機(jī)則是對(duì)它的缺點(diǎn)驅(qū)動(dòng)繩易磨損進(jìn)行改進(jìn)；塔架式抽油機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)則需要因不同油田的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；皮帶式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑、平衡箱的平衡校準(zhǔn)方面。

（2）節(jié)能器的控制技術(shù)

由于大部分的抽油機(jī)都需要使用到電能，文獻(xiàn)[4]通過(guò)模型的分析，建立適合油井實(shí)際應(yīng)用的電容定量關(guān)系式，從而達(dá)到提高電機(jī)功率因素的目的來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能。

而文獻(xiàn)[5]通過(guò)DSP來(lái)完成數(shù)據(jù)采集及處理、并集成相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的電容器切換，通過(guò)電能的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約。

本質(zhì)上來(lái)看，兩者都是通過(guò)提高抽油機(jī)的功率因素來(lái)提高電能的使用效率，只是實(shí)現(xiàn)的方法上有所不同。

實(shí)驗(yàn)組患者在此基礎(chǔ)上聯(lián)合吡貝地爾{LES LABORATOIRES SERVIER INDUSTRIE(法國(guó))(施維雅(天津)制藥有限公司分裝);國(guó)藥準(zhǔn)字J20140064;50mg*30s}治療,具體方法為:口服。每日150毫克到250毫克,即每日3-5片,分3-5次服用。

（3）智能調(diào)節(jié)技術(shù)

游梁式抽油機(jī)智能調(diào)節(jié)技術(shù)包括兩方面內(nèi)容[6]，一個(gè)是平衡調(diào)節(jié)，另一個(gè)是沖次調(diào)節(jié)。平衡調(diào)節(jié)需要結(jié)構(gòu)上帶有平衡調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其原理是利用游梁上的角位移傳感器和抽油桿上的載荷傳感器上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平衡度計(jì)算，有控制器根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)；而沖次調(diào)節(jié)是根據(jù)功圖的充滿(mǎn)度來(lái)判斷沖次是否需要調(diào)節(jié)，如需要調(diào)節(jié)則通過(guò)控制器對(duì)變頻器進(jìn)行對(duì)應(yīng)的改變。

（4 ）智能控制柜（亦稱(chēng)數(shù)字化抽油機(jī)控制柜）控制器技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)[7-8]，智能控制柜需要具備節(jié)能、智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警等多項(xiàng)功能。其核心和關(guān)鍵的技術(shù)就是控制器，一些研究機(jī)構(gòu)、相關(guān)企業(yè)將該類(lèi)控制器進(jìn)行組合或整合來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。如節(jié)能控制器實(shí)現(xiàn)電能和電機(jī)控制以及通信功能，而主控制器實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警等功能；也有將以上功能集于一體的智能化控制器。無(wú)論是組合的還是一體化的，其核心指標(biāo)如下：電能監(jiān)控和檢測(cè)、智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程通信、傳感器數(shù)據(jù)收集及處理、智能算法（主要是指功圖算法）、報(bào)警機(jī)制。

3 基于ADRC的智能抽油機(jī)控制技術(shù)

將ADRC技術(shù)應(yīng)用到智能抽油機(jī)中，首先要了解整個(gè)智能抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2中，游梁上需要安裝位移（或角位移）傳感器，在驢頭和抽油桿連接之間安裝載荷傳感器，在抽油機(jī)控制柜中至少包含電能檢測(cè)、智能調(diào)節(jié)、通信等多功能一體的控制器以及變頻器、保護(hù)裝置、平衡調(diào)節(jié)裝置等。

目前，針對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)及實(shí)際應(yīng)用需求本公司有兩套解決方

案，一套是有線(xiàn)解決方案，基于自主研發(fā)的有線(xiàn)載荷、有線(xiàn)角位移、智能電量模塊構(gòu)成的有線(xiàn)智能抽油機(jī)解決方案；另一套是基于自主研發(fā)的無(wú)線(xiàn)一體化示功儀、智能電量模塊構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)智能抽油機(jī)解決方案。各產(chǎn)品的具體指標(biāo)及參數(shù)參照表2~表5。

表2 有線(xiàn)載荷主要技術(shù)指標(biāo)

表3 有線(xiàn)角位移主要技術(shù)指標(biāo)

表4 無(wú)線(xiàn)一體化示功儀主要技術(shù)指標(biāo)

表5 智能電量主要技術(shù)指標(biāo)

ADRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的算法載體就在智能電量模塊中，其算法控制的步驟如下：

（1）設(shè)定平衡度的上下限系數(shù)；

（2）設(shè)定充滿(mǎn)度的上下限系數(shù)；

（3）設(shè)定ADRC采樣步長(zhǎng)與補(bǔ)償因子；

（4）觀察充滿(mǎn)度和平衡度的計(jì)算值；

（5）平衡度與充滿(mǎn)度的計(jì)算值是否在合理范圍，若是，結(jié)束；否，轉(zhuǎn)到步驟（3）。

平衡度是指抽油機(jī)平衡裝置與游梁之間的平衡程度，用百分比形式表現(xiàn)；充滿(mǎn)度則是依靠功圖進(jìn)行判斷和計(jì)算，用百分比形式表現(xiàn)。在算法實(shí)現(xiàn)上，平衡度與充滿(mǎn)度之間耦合越低效果越好；在實(shí)際應(yīng)用中，平衡度調(diào)節(jié)的是平衡裝置的位移從而到達(dá)平衡的合理位置，而充滿(mǎn)度調(diào)節(jié)的是變頻器的頻率從而實(shí)現(xiàn)沖次的合理次數(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照前面描述的控制過(guò)程，將有線(xiàn)解決方案在南方某油田選取了兩個(gè)井口（兩井口的產(chǎn)能處于較低產(chǎn)能的穩(wěn)定產(chǎn)能期）進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，具體結(jié)果參照表6。

表6-1 測(cè)試井口一測(cè)試結(jié)果

表6-2 測(cè)試井口二測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可知，在電能消耗量有所降低的條件下，其單井產(chǎn)量有所提高。另外，基于現(xiàn)有ADRC技術(shù)的智能抽油機(jī)控制器比原來(lái)一維搜索算法在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，調(diào)試時(shí)間可減少10分鐘左右。

5 結(jié)語(yǔ)

智能抽油機(jī)技術(shù)一直在不斷發(fā)展和進(jìn)步，但任何新技術(shù)的應(yīng)用和推廣都需要根據(jù)不同的實(shí)際情況進(jìn)行改變和適應(yīng)。一方面，基于工業(yè)生產(chǎn)中安全的重要性，如果新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)未得到有效辨識(shí)和在可控制范圍內(nèi)使用，其推廣應(yīng)用會(huì)大打折扣；另一方面，如果新技術(shù)的應(yīng)用不能帶來(lái)效益的顯著提升，對(duì)油氣田生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，其吸引力也會(huì)下降；更為重要的是，國(guó)內(nèi)油田分布極廣，新技術(shù)需要根據(jù)不同的實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)整和改變，增加了新技術(shù)的推廣應(yīng)用難度。ADRC技術(shù)作為新技術(shù)中的一種，亦不例外。因此，未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)從兩個(gè)方向進(jìn)行，一是提升算法的魯棒性，使其在適應(yīng)不同的井況上更具優(yōu)勢(shì)；二是提升算法的效率，使其帶來(lái)的效益有顯著提升。

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Application Research of Auto Disturbance Rejection Control Technology in Intelligent Oil Pumping Unit

This paper briefly introduced the basic principle and the frame structure of ADRC (auto disturbance rejection control) technology. It then summarized the characteristics of the commonly used intelligent pumping unit technology in the domestic oil field. To achieve the purpose of energy efficiency, this paper proposed a new algorithm by transferring the ADRC technology into the intelligent control cabinet of oil machine digital drainage. The field test demonstrated that this algorithm friendly improved the pumping oil machine intelligent adjustment function. The results show that ADRC technology in intelligent pumping oil machine has certain practical value.

Auto disturbance rejection control; Intelligent oil pumping unit;

B

1003-0492(2016)09-0084-04

TP273

楊輝（1988-），女，湖北天門(mén)人，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛蜌庾詣?dòng)化及信息監(jiān)控。