单片机模糊控制技术在变频螺杆泵稠油开采中的研究.pdf

第 8卷第 6期 断 班 油 气 田 F A U 』 一阻 ￡ n O I L＆ GA S F 1 E L D 2 0 0 1 年 1 1月 单片机模糊控制技术在变频螺杆泵稠油开采中的研究 靳海鹏周 勇 孙玉民 周 梅 华北油田 公 司 第五采油厂 摘要 阐述 了利用模糊控制技术设计的单片机模糊地面驱动螺杆泵扭矩控制系e a - * - 作原理、 结构、 策略和实现方法 该系统具有较完善的自 诊断功能， 与模拟控制方式相比， 具有 性能好 、 可靠性 高、 控{ I ； 6 灵活等特点。该技术运用在螺杆泵抽油光杆扭矩控制上延长 了螺杆泵 捡泵周期， 提高 了油井产量和螺杆泵井的管理水平。 关键词模糊控制 螺杆泵单片机变频数据采集工作原理扭矩 引言 模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来 的一种新的控制技术。模糊控制方式是一种非线 性控制方式， 对无法取得数学模型和数学模型相 当粗糙的系统可以取得令人满意的控制效果。地 面驱动螺杆泵抽油光杆扭矩控制是一种非线性的 时变的复杂过程， 螺杆泵抽油光杆扭矩控制好坏 直接影响了油井的正常生产。为此利用模糊控制 技术设计了单片机模糊地面驱动螺杆泵扭矩控制 系统， 实验表明该系统比传统的 P 1 D扭矩控制系 统精度高、 速度快。 1 单片机模糊变频螺杆泵扭矩控制 系统的工作原理 该系统的被控对象为螺杆泵单井 ， 被控参数 为螺杆泵抽油杆的扭矩 y 通过变频器调节螺杆 泵电机的运行频率便可以改变螺杆泵的转速工 况， 从而改变螺杆泵抽油光杆 的扭矩。单 片机模 糊变频螺杆泵扭矩控制系统利用螺杆泵转速～扭 矩传感器检测螺杆泵实际扭矩的大小， 螺杆泵转 速一扭矩传感器输出模拟信号， 经信号变送器、 信 号调理电路送到单片机模糊变频螺杆泵扭矩控制 器上。该控制器根据设定的扭矩和运行时实际扭 矩值以及实际扭矩值的变化率， 将输入变量的精 确值变为模糊量， 即将被控系统的扭矩及扭矩变 化率的精确值转化为模糊量， 利用模糊控制算法， 把经模糊推理决策后所得的模糊控制量转化为精 确量。模糊决策机构的主要功能是根据输入变量 的模糊量和模糊推理规则表推断出控制决策， 求 出控制系统的控制输出量， 经过 D ／ A转换变为控 制变频器输出频率的模拟信号， 去控制螺杆泵的 转速。变频螺杆泵的控制器在 自动工作方式下， 根据扭矩及扭矩变化率推断出变频器的工作频 率， 进而控制螺杆泵的运行转速。从而改变螺杆 泵抽油杆的扭矩值 单片机模糊变频螺杆泵扭矩 控制系统的工作原理如图 1 所示 。 2 单片机模糊变频螺杆泵模糊控制 方法研究 2 ， 1 变频螺杆泵模糊控制器系统结构⋯ 1 变频螺杆泵模糊控制器系统结构如图 2 所 示 其中 y 、 y分别为输入、 输出量， E、 E 、 u 分别为螺杆泵扭矩偏差e 、 螺杆泵扭矩偏差变化 率 e 和控制量 的模糊语言变量， Kl 、 K 2 、 K3 为量化系数。 2 ． 2 模糊控制器的设计【 】 考虑 到螺杆泵 的扭矩具有 非线性 、 时变 等特点， 单片机模糊扭矩控制器采用模糊控制理 收稿 日期2 O O l 一 0 3 2 6 第一作者简介靳海鹏， 1 9 7 0年生． 工程师， 1 9 9 4 年毕 业于江扳石油学院采油专业， 现从事采油工艺研究工作， 地址 0 5 2 3 6 0 河北省辛集市第五采油厂工程技术研究 所 ． 电话 o 3 1 7 2 7 4 2 1 4 5 。 6 3 维普资讯 2 0 0 1 年 1 1 月 断 块 油 气 田 第 8 卷第 6 期 论， 通过总结现场操作人员对过程的操作和控制 的经验， 用模糊条件语句构成控制规则， 采用极 大、 极小合成运算原理， 从而得到一个模糊扭矩控 制模 型。模糊控制器 的控制步骤大体分为 3步 精确量模糊化 、 模糊控制规则推理模糊、 模糊判 决。 图 1 单片机模糊变频螺杆泵扭矩控制系统原理图 图2 变频螺杆泵模糊控制器系统结构图 2 ． 2 ． 1 精确量的模糊化 模糊控制器采用目 前广泛使用的二维模糊控 制器。确定模糊变量为 e 、 e 、 ， 螺杆泵变频器频 率输出量 。相应的模糊语言变量取值为 e { 负大 N H ， 负 小 NL ， 零 Z O ， 正 小 P L ， 正大 P H } ； e ； 负大 NH ， 负小 NL ， 零 Z O ， 正 小 P L ， 正大 P H I ； ， { 零 z o ， 低 N M ， 中 N S ， 高 P S ， 最 高 P M 精确量的模糊化主要是求各词集的隶属函 数 。 2 ． 2 ． 1 ． 1 扭矩模糊子集的隶属函数 可将扭矩差论域划分为 7 档{ 一3 ， 一2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 } ， 通过统计可得模糊变量 e的统计表 ， 其 隶属度以图 3的图线表示。 2 ． 2 ． 1 ． 2 扭矩差变化率模糊子集的隶属函数 设扭矩差变化率论域划分为 7档； 一3 ， 一 2 ， 6 4 1 ， 0， 1 ， 2 ， 3 } ， 通过 统计 可得模糊变 量 e 的赋 值 ， 如 图 4所示。 隶属度 I 3 2 1 0 l 2 3 图 3输 入 模 糊 变 ‘ 的 隶 属 度 隶属度 一 2 一 I I 2 3 图 4 输入模糊变 ■ e 的隶属度 维普资讯 第 8 卷第 6 期 靳海鹏等 ． 单片机模糊控制技术在变频蠕杆泵稠油开采中的研究 2 0 0 1 年 i 1 月 2． 2 ． 1 ． 3 输 出量模糊子集的隶属函数 设输出量量化论域分为 7 档{ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 } ， 通过统计可得输 出变量 ，赋值的 z 语言 变量值表 见表 1 。 表 1 z 语言变量值 表 论域一 f m 0 0 O 0 0 0 0 Ⅲ 0 0 O 0 O 0 1 2 ． 2 ． 2 模糊控制规则的形成_ 3 对于双输入单输出模糊控制器， 其控制规则 可写成如下形式 I F P A a n d P B， ， T HE Nf ， i 1 ， 2 ， ⋯， ； j 1 ， 2 ， ⋯， 。 其中A， 为扭矩模糊子集， B ， 为扭矩变化率 模糊子集， C 为输出量，模糊子集。根据实际 运行经验 ， 分析归纳可确定模糊规则如表 2所示。 表2 控制■ ，模糊推理规则裹 PH P L m NL H 表 2中的控制规则可表示成一个总的模糊关 系 R， 即为 RY A B j C 1 R 的隶属函数为 R z， Y， z H V ,jl i 圳 2 当输入模糊变量分别取模糊集 A 、 B ， 时， 根 据模糊推理合成规则可以得输出量 ， G， A B， 0R 3 式中 0R 模糊关系合成。 则输出量 C的隶属函数为 。 。 z， Y ， 2 A B ] 4 2 ． 2 ． 3 模糊判决 通过把输出量 G， 进行模糊判决可得到实际 执行量 ， 为了充分利用模 糊控制 向量所取得的信 息， 本控制器系统采用加权平均法将模糊控制向 量转化为精确控制向量 6 ∑K U U 5 ∑ K， E i 取 K q ， 则 6 ∑ f U }～ 6 0 z J 式中 U 清晰化输出量； U1 模糊集隶 属函数 ； K 输出变量； 全值的规则序号。 3 单片机模糊变频螺杆泵控制器 的 硬软件 螺杆泵抽油光杆扭矩通过螺杆泵转速一扭矩 传感器进行采集， 输出 0 ～3 4 ． 7 5 mV的电流信 号， 经过信号调理和转换送到单片机控制系统中， 单片机模糊控制器是在控制应用程序软件的控制 下完成对螺杆泵抽油光杆扭矩控制 】 。该系统 控制应用程序软件主要包括主程序、 显示程序、 A ／ D数据采集转换子程序、 扭矩设定调节子程 序、 数据采集误差修正子程序、 数字滤波程序、 模 糊推理子程序、 模糊决策子程序、 函数子程序、 模 糊关系R表格处理子程序、 D ／ A数据采集转换子 程序以及其它中断服务子程序等组成。其程序流 程如图 5所示 。 田5 单片机模糊控制应用程序流程 撼 矗 肋 肋 №Ⅵ面 Ⅷ 面 ∞ 维普资讯 2 0 0 1 年 1 1 月 断 块 油 气 口 第 8 卷第 6 期 模糊控制器的 C P U采用 A T 8 9 C 5 1单片机 ， 它是一种低 功耗 、 高速 的 8位 C OMS芯片 ， 具有 4 K B可编 程 R OM， 1 1 8 4 X 4位的 R AM 数据存储 器， 3 2 条 I ／ O线以及 2 个 l 6 位的定时／ 计数器等 资源。经过模糊控制器处理 ， 控制输 出量经转换 为模拟控制量来控制变频器的输出频率的大小。 控制器采用 R S一2 3 2 通信方式 ， 在单 片机控制电 路中用来存储控制过程参数。利用键盘组合功能 来完成系统参数的设置与修改， 采用定时中断扫 描工作方式 ， 在 8 位数码管中对工况参数逐位扫 描、 显示并具备打印功能。模糊控制 与常规控制 和传统 P I D控制在扭矩 控制性能方面 的比较如 图 6 所示 。 5 0 o 4 0 o 专 。 o 0 量2 0 0 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 O 8 O 时间 ／ s 圈 6 各种控 制的扭矩控制性能 比较 圈 4 系统主要技术指标与运行效果 单片机模糊变频螺杆泵控制主要技术指标 扭矩测量精度 0 ． 2 ％； 扭矩控制精度 0 ． 3 ％； 超调整量 0 ． 5 ％。 单片机模糊变频螺杆泵控制系统在稠油开采 和生产过程中获得 了较成功的应用 ， 把操作者经 验判断和处理归纳在一起， 获得了最佳控制效果。 系统运行稳定可靠， 智能化高， 具有较完善的自 诊 断功能， 可实现变频螺杆泵油井生产的高效控制 ， 有效解决螺杆泵井瞬时启动抽油杆扭矩过大造成 杆断的问题， 真正实现了延长螺杆泵运转周期， 提 高了螺杆泵井的生产时率 ， 增强了螺杆泵井的自 动化管理水平 ， 对提高螺杆泵油井生产 自动化水 平意义重大。 参考文献 1 易继锴． 侯嫒彬智能控制技术 ． 北京 北京工业大学出版 社 ． 1 9 9 9 2 窦振中． 模l 6 孽 逻辑控制技术及技术应用 ． 北京 北京航无航空 大学出版杜 ． 1 9 9 5 1 0 --1 2 3 李友善 模l 6 孽 控制理论及其在过程控制中的应用 ． 北京 国 防工业出版社 ． 1 9 9 3 4 陈粤韧， 窦振中， 昊悌远等 ． 单片机应用设计与实践 ． 北京 北京航无航空大学 出版社 ． 1 9 9 1 c 编辑邵晓伟 征订启 事 石油与天然气化- r } 是由中国石油西南油气田分公司天然气研究院主办、 四川省石油学会天 然气处理与加工专业委员会、 天然气学会处理加 工储运分套联合 协办， 是 国内石油天然 气化工类 T E 的 2 2种 中文核 期刊之一、 创刊 于 1 9 7 2年 ， 刊 号 I S S N1 0 0 73 4 2 6及 C N5 1 1 2 1 0 ／ T E 本 刊是我国目 前唯一以油气生产“ 下游” 工程 化学加工 为主要报导方向的公开杂志， 本刊论文。 尤其 是天然气及其凝液的利用、 油气处理与加工、 天然气分析等领域的研究报告代表 了我国的最高水 平， 油田化学及油气田环境监测与治理领域的论文也代表 了国内的最 高或先进 水平。能在相 当程 度上反映所涉及的科技领域国内外水平及发展动向。可供国外相关专业领域从事研究、 生产、 应用 和管理的人员以及相关走专院校师生参考 本刊按国家标准即走十六开本出版为双月刊， 全年6 期， 每期7元， 全年4 2元 邮费在内 ， 欢迎订阅 。订闽办法两种 1 通过银行汇款 收款单位 西南油气田分公司天然气研究院， 开户行 四川泸州市建行 兰田分理 处， 账号 2 6 1 0 9 5 4 2 通过邮局汇款 地址 四川省泸州市邻玉天然气研究院， 收款人 胡兰， 邮编 6 4 6 0 0 2 ， 电话 0 8 3 0 3 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