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

自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機中的應用研究

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)了國內(nèi)油田常用的智能抽油機技術(shù)的特點。為達到節(jié)能增效的目的，將ADRC技術(shù)移植到智能抽油機數(shù)字控制柜中，本文提出的基于ADRC技術(shù)實現(xiàn)的算法改進了抽油機的智能調(diào)節(jié)功能，通過現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明ADRC技術(shù)在智能抽油機中具備一定的實用價值。

自抗擾控制；智能抽油機；控制器

Controller

近年來，機采抽油機技術(shù)不斷向數(shù)字化、無線化、智能化甚至是智慧化的方向發(fā)展。智能抽油機在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、智能抽油機控制器、智能抽油機變頻控制以及沖程、換向等方面都有新設(shè)計、新產(chǎn)品投入到實際應用中。自抗擾控制技術(shù)（ADRC）自20世紀90年代提出后，經(jīng)過不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，在航天、航空、軍事、工業(yè)過程控制、機電控制等領(lǐng)域都得到成功應用。本文就將自抗擾控制技術(shù)引入到智能抽油機進行研究，擬通過該技術(shù)的應用達到節(jié)能增效的目的。

1 自抗擾控制(ADRC)技術(shù)

對于ADRC，可以理解為三部分，即TD（微分）跟蹤器、線性或非線性組合調(diào)整、ESO（擴展狀態(tài)）觀察器。其中跟蹤器對輸入信號的復制或者是快速定位便于下一步的分析處理；而線性組合或者非線性組合（一般情況下是非線性組合）進行調(diào)整，并將外界未知的干擾一并加入到調(diào)整中對輸出產(chǎn)生影響；ESO觀察器則是對輸出的值進行觀察，并將結(jié)果反饋到非線性調(diào)節(jié)組合的輸入端，對調(diào)節(jié)組合進行實時的影響和調(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準算法的數(shù)學表達式：

式1中包含安排過渡過程、線性狀態(tài)擴張狀態(tài)觀察器、誤差反饋控制。安排過渡過程屬于TD跟蹤器的一部分，它包含兩個參數(shù)；擴張狀態(tài)觀察器包含三個參數(shù)，這三個參數(shù)對閉環(huán)系統(tǒng)的影響很大；誤差反饋包含四個參數(shù)，其中一個參數(shù)是補償因子參數(shù)。根據(jù)文獻[1]所描述的方法，上述的所有參數(shù)除去補償因子外都與采樣步長可以建立對應的函數(shù)關(guān)系。因此，對應用來說，需要關(guān)注的兩個參數(shù)為：采樣步長、補償因子。這樣便簡化了現(xiàn)場應用中的調(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[2]，本文不再作詳細描述。

2 智能抽油機相關(guān)技術(shù)簡介

智能抽油機經(jīng)過近年的發(fā)展及積累，主要在以下幾方面進行了技術(shù)改動或創(chuàng)新：

（1）機械結(jié)構(gòu)上的技術(shù)

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

表1 抽油機機型分類表

在技術(shù)革新上，由于游梁抽油機使用范圍及數(shù)量均較大，又提出有偏置游梁式抽油機，在原有的梁式抽油機上增加平衡調(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）對平衡調(diào)節(jié)裝置進行手動或自動調(diào)節(jié)，使抽油機的狀態(tài)達到最佳平衡狀態(tài)。這種對結(jié)構(gòu)的改進，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，使抽油機具有智能特性。

至于主要用在稠油地區(qū)的雙驢頭抽油機則是對它的缺點驅(qū)動繩易磨損進行改進；塔架式抽油機技術(shù)在結(jié)構(gòu)上的改進則需要因不同油田的實際情況進行調(diào)整；皮帶式抽油機的結(jié)構(gòu)改進主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)潤滑、平衡箱的平衡校準方面。

（2）節(jié)能器的控制技術(shù)

由于大部分的抽油機都需要使用到電能，文獻[4]通過模型的分析，建立適合油井實際應用的電容定量關(guān)系式，從而達到提高電機功率因素的目的來實現(xiàn)節(jié)約電能。

而文獻[5]通過DSP來完成數(shù)據(jù)采集及處理、并集成相關(guān)算法實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的電容器切換，通過電能的補償實現(xiàn)電能的節(jié)約。

本質(zhì)上來看，兩者都是通過提高抽油機的功率因素來提高電能的使用效率，只是實現(xiàn)的方法上有所不同。

實驗組患者在此基礎(chǔ)上聯(lián)合吡貝地爾{LES LABORATOIRES SERVIER INDUSTRIE(法國)(施維雅(天津)制藥有限公司分裝);國藥準字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)

游梁式抽油機智能調(diào)節(jié)技術(shù)包括兩方面內(nèi)容[6]，一個是平衡調(diào)節(jié)，另一個是沖次調(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)，進行平衡度計算，有控制器根據(jù)計算結(jié)果進行平衡調(diào)節(jié)；而沖次調(diào)節(jié)是根據(jù)功圖的充滿度來判斷沖次是否需要調(diào)節(jié)，如需要調(diào)節(jié)則通過控制器對變頻器進行對應的改變。

（4 ）智能控制柜（亦稱數(shù)字化抽油機控制柜）控制器技術(shù)

一般來說[7-8]，智能控制柜需要具備節(jié)能、智能調(diào)節(jié)、遠程通信、遠程控制、報警等多項功能。其核心和關(guān)鍵的技術(shù)就是控制器，一些研究機構(gòu)、相關(guān)企業(yè)將該類控制器進行組合或整合來實現(xiàn)其功能。如節(jié)能控制器實現(xiàn)電能和電機控制以及通信功能，而主控制器實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、遠程控制、報警等功能；也有將以上功能集于一體的智能化控制器。無論是組合的還是一體化的，其核心指標如下：電能監(jiān)控和檢測、智能調(diào)節(jié)、遠程通信、傳感器數(shù)據(jù)收集及處理、智能算法（主要是指功圖算法）、報警機制。

3 基于ADRC的智能抽油機控制技術(shù)

將ADRC技術(shù)應用到智能抽油機中，首先要了解整個智能抽油機結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 抽油機結(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，在抽油機控制柜中至少包含電能檢測、智能調(diào)節(jié)、通信等多功能一體的控制器以及變頻器、保護裝置、平衡調(diào)節(jié)裝置等。

目前，針對此類結(jié)構(gòu)及實際應用需求本公司有兩套解決方

案，一套是有線解決方案，基于自主研發(fā)的有線載荷、有線角位移、智能電量模塊構(gòu)成的有線智能抽油機解決方案；另一套是基于自主研發(fā)的無線一體化示功儀、智能電量模塊構(gòu)成的無線智能抽油機解決方案。各產(chǎn)品的具體指標及參數(shù)參照表2~表5。

表2 有線載荷主要技術(shù)指標

表3 有線角位移主要技術(shù)指標

表4 無線一體化示功儀主要技術(shù)指標

表5 智能電量主要技術(shù)指標

ADRC技術(shù)實現(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)定充滿度的上下限系數(shù)；

（3）設(shè)定ADRC采樣步長與補償因子；

（4）觀察充滿度和平衡度的計算值；

（5）平衡度與充滿度的計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)；充滿度則是依靠功圖進行判斷和計算，用百分比形式表現(xiàn)。在算法實現(xiàn)上，平衡度與充滿度之間耦合越低效果越好；在實際應用中，平衡度調(diào)節(jié)的是平衡裝置的位移從而到達平衡的合理位置，而充滿度調(diào)節(jié)的是變頻器的頻率從而實現(xiàn)沖次的合理次數(shù)。

4 現(xiàn)場實驗驗證

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

表6-1 測試井口一測試結(jié)果

表6-2 測試井口二測試結(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)的智能抽油機控制器比原來一維搜索算法在現(xiàn)場調(diào)試時，調(diào)試時間可減少10分鐘左右。

5 結(jié)語

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

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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，湖北天門人，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向為油氣自動化及信息監(jiān)控。