仲志丹，吳進(jìn)峰，孫勇軍

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471003)

0 引言

繪制油井示功圖最簡單有效的辦法就是選擇相應(yīng)的傳感器分別測量出懸點(diǎn)的載荷和運(yùn)動位移，但由于在使用位移傳感器測量懸點(diǎn)的運(yùn)動位移時存在很多障礙[1]，所以目前油田上主要是通過對懸點(diǎn)的加速度信號進(jìn)行二次積分，從而間接獲得懸點(diǎn)的運(yùn)動位移。

受環(huán)境因素的影響，現(xiàn)場采集的加速度信號中通?；煊兄绷鞣至?、高頻噪聲和長周期趨勢項(xiàng)等；當(dāng)直接使用現(xiàn)場采集的加速度信號進(jìn)行二次積分時，這些因素會使得積分結(jié)果存在著較大的漂移誤差[2]。為減小漂移誤差，李云飛、樊大偉和楊尚霖等人根據(jù)抽油機(jī)做周期性運(yùn)動的特點(diǎn)，提出了周期去均值的方法[3-5]；去均值法能夠消除信號中的直流分量，使得測量精度有了一定程度的提高；但由于去均值法并沒有對低頻趨勢項(xiàng)進(jìn)行處理，所以積分后信號中仍然存在著較大的漂移誤差。賈德利等人基于消去原理，設(shè)計(jì)了一種隔直去漂濾波器[6]；隔直去漂濾波器能夠消除信號中的直流分量并抑制信號中的低頻趨勢項(xiàng)，因而采用濾波后的信號進(jìn)行積分漂移誤差較??；但隔直去漂濾波器的數(shù)學(xué)模型實(shí)質(zhì)上是一次去均值濾波，去均值濾波并不能夠徹底消除信號中的趨勢項(xiàng)，因此殘余的趨勢項(xiàng)會經(jīng)積分放大后最終累積到位移信號中?？傮w來講，為了得到精度更高的無漂移位移信號，還需要對位移信號做進(jìn)一步的處理。

目前消除漂移分量的常用方法主要有高通濾波、多項(xiàng)式法和EMD等[7]。但高通濾波可能會導(dǎo)致信號的幅值衰減和相位移動，而且在使用前也需要對信號的頻譜有一定的了解；同時由于抽油機(jī)懸點(diǎn)位移信號的基頻較低，因而設(shè)置的截止頻率會更低，設(shè)計(jì)這樣的一個高通濾波器較為困難。多項(xiàng)式法不存在相位問題，但不太適合具有復(fù)雜漂移分量信號，而且在使用前也需要對信號中漂移分量的具體類型有所了解。EMD在使用前不需要待分解信號的任何先驗(yàn)知識，而且對平穩(wěn)信號和非平穩(wěn)信號都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)用較廣泛；但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，僅僅把EMD分解的余項(xiàng)作為漂移分量時可能會導(dǎo)致較大的誤差，漂移分量可能是EMD分解的若干個低頻固有模態(tài)分量與余項(xiàng)的和[8]。因此為了較好地消除漂移分量，還需要一種辦法能夠準(zhǔn)確地判定EMD分解的固有模態(tài)分量是否為漂移分量。本文結(jié)合抽油機(jī)懸點(diǎn)位移信號的特點(diǎn)以及相關(guān)系數(shù)的性質(zhì)，提出了一種自動判定漂移分量的方法，并應(yīng)用于懸點(diǎn)位移信號漂移分量的提取，取得了較好的效果。

1 EMD算法原理

EMD是由N.E.Huang提出的一種信號處理方法。它根據(jù)待分解信號的本身特征，將待分解信號分解為一組頻率從高到低的固有模態(tài)分量；它既不需要待分解信號任何的先驗(yàn)知識，也不需要預(yù)先設(shè)置任何的基函數(shù)，同時不僅可以處理平穩(wěn)信號，也可以處理非平穩(wěn)信號，因而在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。EMD的算法原理如下：

根據(jù)定義，EMD的每一個固有模態(tài)分量均滿足以下2個條件：

(1)極值點(diǎn)的個數(shù)和過零點(diǎn)的個數(shù)相等或者最多相差為1個；

(2)上下包絡(luò)線的平均值為零。

其中EMD分解的每一個固有模態(tài)分量都是通過“篩分”獲得的，“篩分”的過程如下：

(1)首先使用三次樣條曲線分別擬合信號的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，獲得上下包絡(luò)線，并計(jì)算上下包絡(luò)線的均值；令信號減去該均值后，則可以得到一個新信號；重復(fù)上述步驟直至最后得到的新信號滿足固有模態(tài)分量的2個條件；

(2)將原始信號減去所有獲得的固有模態(tài)分量，則可以得到一個殘余信號，若殘余信號為單調(diào)函數(shù)或者很小時，則停止分解，殘余信號既漂移分量；否則令殘余信號繼續(xù)過程(1)，可以得到新的固有模態(tài)分量。

2 漂移分量的判斷方法

積分作用相當(dāng)于是一個低通濾波器，其具有抑制高頻噪聲的能力；因而當(dāng)抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度信號經(jīng)過二次積分后，得到的位移信號中基本上只含有低頻漂移分量和有效分量。本文根據(jù)低頻漂移分量、有效分量與原始信號的相關(guān)性差異，從而自動分辨出漂移分量。

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為

(1)

式中：cov(X,Y)為固有模態(tài)分量X與原始信號Y的協(xié)方差；var(X)為固有模態(tài)分量X的方差；var(Y)為原始信號Y的方差。

一般情況下，當(dāng)|f|>0.5，則認(rèn)為該固有模態(tài)分量與原信號的相關(guān)性較好，為有效分量；否則，該固有模態(tài)分量與原信號的相關(guān)性較差，為低頻漂移分量。

3 仿真信號測試

本文以下面的仿真信號為例進(jìn)行測試，分析了本文所提出方法的有效性。由于抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度信號為類正弦信號[9]，為簡化運(yùn)算，這里式(2)作為抽油機(jī)懸點(diǎn)模擬加速度信號：

(2)

式中：c為直流分量；z為高斯白噪聲。

變量b可以用來調(diào)整沖程，變量n可以用來調(diào)整沖次，這里b和n均取2。模擬的加速度信號波形如圖1所示。

圖1 模擬加速度信號

3.1 預(yù)處理和積分過程

為了消除信號中的直流分量，這里采用去均值的方法，也就是在每次積分前，首先按照周期減去加速度信號/速度信號的平均值，其中信號周期的計(jì)算可以采用波峰波谷法或者Rife-Jane法[10]?；谌ゾ捣ê蜁r域積分得到的速度信號和位移信號分別如圖2和圖3所示。

圖2 去均值后的速度信號

圖3 經(jīng)積分得到的位移信號

從圖3可以看出，積分得到的位移與理想的位移信號之間還存在著一定的漂移誤差，因此想要得到精度較高的無漂移位移信號，還需要對積分得到的位移信號做進(jìn)一步的處理。

3.2 基于EMD消除漂移分量

采用EMD法對積分得到的位移信號進(jìn)行分解，則分解后得到的一組固有模態(tài)分量和余項(xiàng)如圖4所示。

圖4 EMD分解結(jié)果

計(jì)算出各固有模態(tài)分量以及余項(xiàng)和位移信號之間的相關(guān)系數(shù)，它們依次分別為：0.995 3、0.108 4、-0.221 7?；诒疚乃岢龅钠品至颗卸ǚ椒?，則固有模態(tài)分量IMF2和余項(xiàng)應(yīng)均為漂移分量。消除漂移分量后的位移信號以及去除余項(xiàng)的位移信號如圖5所示。

圖5 消除漂移分量后的位移信號

從圖5可以看出，一方面，基于EMD能夠得到漂移誤差較小的位移信號；另一方面，與僅僅消除余項(xiàng)相比較，應(yīng)用本文方法判定為漂移分量的固有模態(tài)分量和余項(xiàng)，則可以得到精度更高的位移信號。

4 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)測試

實(shí)驗(yàn)用的抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)來自新疆克拉瑪依油田某采油廠，其中該采油廠抽油機(jī)的標(biāo)稱沖程為7.3 m，沖次為3.95次/min?，F(xiàn)場實(shí)測的加速度信號的波形如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場實(shí)測的加速度信號

如果對加速度信號直接進(jìn)行一次積分和二次積分，則得到的速度信號和位移信號失真較嚴(yán)重，如圖7所示。

圖7 速度信號和位移信號

圖8 速度信號和位移信號

如果在每次積分前，選取整數(shù)個周期，采用去均值的方法對信號進(jìn)行預(yù)處理，則得到的速度信號和位移信號質(zhì)量顯著提高，如圖8所示。但從圖8可以明顯看出，位移信號中還存著一定的漂移分量，還需要對位移信號做進(jìn)一步的處理。

4.1 基于EMD消除漂移分量

基于EMD法提取位移信號中的漂移分量，分解得到的一組固有模態(tài)分量和余項(xiàng)如圖9所示。

圖9 EMD分解結(jié)果

基于本文所提出的漂移分量判定方法，消除位移信號中的漂移分量，如圖10所示。

圖10 消除漂移分量后的位移信號

從圖10可以看出，與消除應(yīng)用本文方法判定為漂移分量的固有模態(tài)分量以及余項(xiàng)后得到的位移信號相比，僅消除EMD分解的余項(xiàng)得到的位移信號中仍然還存在著一定的漂移分量。

4.2 精度分析

為了分析本文方法的穩(wěn)定性和精度，隨機(jī)選取100組現(xiàn)場實(shí)測的抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度信號進(jìn)行測試，同時把抽油機(jī)的沖程這個參數(shù)作為精度的評價指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 沖程誤差

由圖11可以看出，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的沖程計(jì)算誤差均控制在±1.5%以內(nèi)，結(jié)果準(zhǔn)確，精度較高,滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的測試和仿真實(shí)驗(yàn)表明信號中的漂移分量可能是EMD分解后的幾個固有模態(tài)分量和余項(xiàng)的和，利用本文所提出的自動判定方法能夠有效地判定EMD分解的固有模態(tài)分量是否為漂移分量。

(2)基于EMD對積分得到的位移信號做進(jìn)一步的消除漂移分量處理，通?？梢缘玫骄雀叩奈灰菩盘枺慌c傳統(tǒng)的EMD僅僅減去余項(xiàng)得到的位移信號相比，減去本文方法判定為漂移分量的固有模態(tài)分量和余項(xiàng)，從而得到的位移信號漂移誤差更小、精度更高。

(3)本文基于EMD剔除位移信

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析，利用各個傳感器組采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作參數(shù)，通過4G傳輸方式將采集到的參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器中，最終實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲等功能。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效監(jiān)測到發(fā)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、各個部件的工作溫度以及電網(wǎng)參數(shù)等數(shù)據(jù)，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障預(yù)測以及故障診斷提供數(shù)據(jù)。