壓裂車變速箱模糊控制器的設計

蘇宏彪

摘要：壓裂車是油田的重要工程車輛，能夠完成壓裂增產的工作，壓裂車主要由底盤，臺上發動機，變速箱，高壓泵組成。結合壓裂車的實際使用情況，優化變速箱換擋控制，采用模糊控制設計，提高系統的整體性能。

Abstract： Fracturing truck is an important engineering vehicle， which can complete the work of fracturing stimulation. Fracturing truck is mainly composed of chassis， engine， transmission， high pressure pump. Combined with the actual use of the fracturing truck， the shift control of the gearbox is optimized， and the fuzzy control design is adopted to improve the overall performance of the system.

關鍵詞：壓裂車；變速箱；模糊控制

Key words： fracturing truck；gearbox；fuzzy control

中圖分類號：TP183 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0103-02

0 引言

壓裂車的主要用途是壓裂作業，壓裂作業的作用是為油田增產。壓裂車主要由底盤，臺上發動機，變速箱和高壓泵組成。變速箱連接發動機和高壓泵，通過變速箱檔位的變換起到調節高壓泵工作排量的目的。壓裂施工時是由十幾臺甚至幾十臺壓裂車同時工作，當要改變排量時，傳統的操作方法是認為手動操作來調整某臺壓裂車的檔位，這種人為的操作并不一定是最優的，有可能造成排量沖擊較大，影響壓裂施工質量，進而影響最終出油量。采用模糊控制方式，減少了由于換擋造成的排量和壓力波動，壓裂造縫均勻，增產效果明顯。

1 模糊控制器組構和算法

模糊控制理論應用必須要解決以下三個問題：①確定結構，即明確模糊控制器的輸出和輸入。②明確輸出變量和輸入變量的論域，控制器的參數；如：比例因子和量化因子等。③利用傳感器在控制器中讀取輸入量，然后模擬化處理輸入量，使其變成模糊集合的隸屬度函數。

下面就以上三個方面設計模糊控制器。

2 模糊PID控制器結構

控制器并不直接影響控制量u，是由整定參數（PID參數）對被控制對象進行控制決定的。

依照模糊控制器輸入量個數劃分，可將模糊控制器分成三類，即一維模糊控制器、二維模糊控制器、三維模糊控制器，通常最常見的是二維模糊控制器，即輸入為偏差量和偏差的微分。模糊PID控制器的輸入用來整定PID參數，所以為三輸出模糊控制器，輸出為ΔKp、ΔKi、ΔKd，如圖1所示，為模糊控制器系統結構圖。

根據模糊控制器的輸入量，控制器分為：①一維模糊控制器；②二維模糊控制器；③三維模糊控制器。

二維模糊控制器是最為常見的。

模糊控制器的輸入用來整定PID參數，結構圖如圖1所示。

3 模糊的方法

在模糊控制器的設計中，將輸入量的精確量模糊化是第一步。輸入量e和ec都是精確值，而在模糊推理中的操作是離散量。

模糊化過程包括以下幾個環節：確定輸入輸出實際值范圍→確定其論域→確定比例因子和量化因子→選擇合適的模糊語言變量→確定輸入輸出隸屬度函數。

4 論域的選擇

基礎論域是指模糊控制器的輸入變量的實際范圍和輸出變量的實際變化范圍。基礎論域是精確值，設e的基本論域[-emax，emax]，ec的基本論域為[-ecmax，ecmax]。取正整數m，令e的量化論域為{-m，-m+1，…，0，…，m-1，m}，則m為將[0，emax]范圍內連續變化的偏差離散化（量化）后分成的級數，這樣就使e離散化。同理取正整數n，則ec的量化論域為{-n，-n+1，…，0，…，n-1，n}，級數為n。理論上講，量化等級過于細分會使算法復雜，一般取m=6，這樣就組成包含13個整數的量化論域集合。

Ke和Kec直接影響系統，Ke較大時，使誤差的基本論域縮短了，使誤差變量的控制作用增大，這樣做的結果是超調量過大，過渡過程時間變長，上升時間變短。Kec與Ke恰恰相反，Kec對超調量的遏制作用效果顯著。通常，Ke增加，會降低穩態誤差；Kec增大，會縮小；穩態時誤差變化率。這說明Ke、Kec都會對動態性能產生影響，兩方面的作用都不容忽視。

5 模糊控制器語言

模糊語言變量的各個模糊集合應該合理定義，要使它們較好的覆蓋整個論域，要使它們全體在模糊論域上的分布合理。為了不出現靈敏區的“空擋”，論域中的任何一個元素的隸屬度最大值都不能太小。如果太小，甚至造成失控，系統性能變壞。

之前選取的論域為[-8，8]，總共17個，通常模糊控制語言個數>8個，要想得到良好的控制效果，最好將論域中的元素個數設置為模糊控制語言的2～3倍取輸入變量e，ec和輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制語言為：{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。

6 隸屬度函數的選擇

隸屬函數確定方法不是固定的，它是由總結操作者的控制經驗來確定。隸屬函數離散化，就得到隸屬度，構成模糊變量的模糊集合。模糊集合是通過隸屬函數來描述的，本質就是確定模糊集合隸屬函數曲線的形狀。

語言變量是由它的語言值得集合來描述的。可以通過圖形、表格、公式及坐標等隸屬函數的表示方法進行描述這些語言值的模糊集合。語言變量由語言值描述，每個語言值是一個模糊量。

③梯形。

三種隸屬函數對控制效果的影響不大，但對各個模糊集合隸屬函數的幅寬大小對性能的影響很大。實際實驗選用三角和梯形隸屬函數，因為輸入值變化時，這兩個函數比正態分布隸屬函數更靈敏，當偏差時，能快速的產生一個控制量輸出，并且數學表達簡單，運算簡單，占用內存空間小。

7 控制規則的確定

手動控制策略是指人們通過學習和長期經驗的積累而形成并存儲在操作者大腦中的技術知識集合。人工手動控制策略的某種思維方式可由模糊控制器的控制規則反映出來。控制規則是由輸入和輸出語言變量的不同排列組合而構成的一組模糊條件語句。

模糊控制器與普通控制器的不同點是，傳統算法是基于某種算法的數值來控制控制量，模糊控制規則是基于操作經驗和專家知識，模仿人的操作思維方式來獲得控制量。

模糊控制規則的確定是設計模糊控制器的過程中最重要的一步。因為合適的控制規則能在具體控制中更好的反映操作者的經驗，提升系統性能。

規則的形式，條件語句“if … then …”，通常描述為：

if x is A and y is B，then z is C

這是表示系統控制規律的推理式，稱為規則。其中x、y是輸入變量，z是推理結果；if部分的“x is A and y is B”稱為前部件，then部分的“z is C”稱為后部件。

8 模糊控制在變速箱控制應用中的優勢

模糊控制在變速箱控制應用中優勢主要體現在以下方面：

變速箱控制系統有兩大特點，一是數學模型復雜，二是非線性。模糊控制技術的特點正好適應這兩點，一是不必知道系統的數學模型，二是能夠很好的控制非線性對象。

模糊控制技術有些類似人類的思維，在自動變速箱的控制中應用模糊控制，就相當于為變速箱配備了一個經驗豐富的操作員，這個操作員會根據當前井場的實際工況合理的控制每一臺車的檔位，讓變速箱能夠合理的和發動機配合工作。

9 變速箱模糊控制器的設計

模糊控制的設計有兩種方法。一是試驗。根據井場的排量，壓力，砂比等數據，在規定條件下相對應的檔位，對這些數據進行處理，求解出換擋規律。二是根據壓裂車理論建立數學模型。

10 結論

壓裂車工作可靠度要求極高，稍有差錯就會造成幾十萬甚至上千萬的經濟損失，甚至是人員傷亡。這就要求壓裂車具有優良的品質，通過對變速箱換擋的優化，可以提高壓裂車的可靠性，保證在使用時，最少的出現人為操作錯誤。北方重工現場壓裂車變速箱控制選用三參數換檔規律。

操作員在規定條件下進行實際操作，記錄下操作員手動換檔時油門開度和發動機轉速，然后對這些數據進行處理，求解出換檔規律，得出合適的換檔點，以后就可以進行模糊劃分，再通過模糊控制表的求解。

通過在吉林松原油田實驗驗，在壓裂過程中，減少了由于換擋造成的排量和壓力波動，壓裂造縫均勻，增產效果明顯，相對于其他變速箱，可提高20%-30%的壓裂出油（出氣）率。如圖2，松原實驗現場。

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