魏 亭，楊盛泉，劉海泉

（西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710021）

油田輸油泵機(jī)械裝置主要由進(jìn)油機(jī)械管道、原油過(guò)濾器、流程切換閥、螺桿輸油泵、電機(jī)、油氣分離罐、故障緩沖罐、流量傳感器、壓力傳感器、安全閥門(mén)、調(diào)節(jié)閥門(mén)、外輸機(jī)械管道等組成[1]。不同油田的油井輸油泵機(jī)械裝置根據(jù)工藝與產(chǎn)能要求不同，設(shè)計(jì)上有部分細(xì)節(jié)會(huì)略有差異，但是其工作原理基本一樣。

油田輸油泵機(jī)械裝置是實(shí)現(xiàn)從油井來(lái)油進(jìn)行過(guò)濾、緩存、分離、加壓、外輸?shù)确浅Ｖ匾膭?dòng)力設(shè)備。因油井來(lái)油壓力經(jīng)常處于大范圍的波動(dòng)，但是外輸要求必須處于一個(gè)較為恒定的壓力范圍，如果壓力過(guò)低，對(duì)于長(zhǎng)距離輸送會(huì)造成動(dòng)力不足，如果壓力過(guò)大，可能會(huì)造成管路破裂，進(jìn)而原油泄漏，給油田企業(yè)造成損失并形成生態(tài)災(zāi)難。目前大部分油泵機(jī)械裝置壓力調(diào)控采用常規(guī)PID算法。因?yàn)檩斢捅霉苈穳毫φ{(diào)控具有動(dòng)態(tài)非線性滯強(qiáng)，輸入輸出耦合復(fù)雜，呈現(xiàn)出大慣性、多時(shí)變的運(yùn)行狀態(tài)，常規(guī)PID壓力調(diào)控算法一般參數(shù)通過(guò)靜態(tài)自整定或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ将@得，非常難適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)非線性大時(shí)滯油路壓力調(diào)節(jié)，因而對(duì)原油正常生成與輸送帶來(lái)很大的隱患。

專家系統(tǒng)（Expert System）是人工智能（Artificial Intelligence）技術(shù)的一個(gè)重要分支，它利用知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行非線性的控制，將專家系統(tǒng)跟常規(guī)PID算法結(jié)合起來(lái)對(duì)輸油泵裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力控制，就可以實(shí)現(xiàn)人工智能與增量常規(guī)PID算法的有機(jī)組合[2]，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，使得系統(tǒng)在任何外界變量環(huán)境下都能得到更好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓性能，有效保護(hù)了輸油泵機(jī)械管路的安全并且保障了油田企業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 輸油泵機(jī)械裝置智能專家PID控制算法的設(shè)計(jì)

裝置專家PID控制算法的實(shí)質(zhì)是基于油田輸油泵輸出管道壓力等按來(lái)油管道的壓力與流量多種狀況的規(guī)律以及適應(yīng)各種經(jīng)驗(yàn)調(diào)控手段，結(jié)合人工智能專家系統(tǒng)推理使用智能知識(shí)參數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)設(shè)置常規(guī)增量型PID壓力控制器。因此智能專家PID控制算法就是油田油泵專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)控制理論與常規(guī)增量型PID控制算法有機(jī)組合的優(yōu)化的復(fù)合控制器算法。

根據(jù)專家系統(tǒng)為基于知識(shí)的推理分析控制系統(tǒng)理論與增量型PID控制要求，結(jié)合輸油泵機(jī)械裝置控制特征，設(shè)計(jì)的輸油泵機(jī)械裝置專家控制原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸油泵機(jī)械裝置專家PID系統(tǒng)控制原理圖

機(jī)械裝置運(yùn)行原理說(shuō)明如下[3]：

（1）機(jī)械裝置原油管路輸入壓力函數(shù)為PV（t），工藝上管路設(shè)定壓力函數(shù)為SP（t），t為運(yùn)行時(shí)間，e（t）=PV（t）-SP（t），其表達(dá)的是運(yùn)行偏差。因?yàn)楣苈返膩?lái)油量是油井直接或者間接輸送而來(lái)，來(lái)油的流量與壓力是動(dòng)態(tài)變化的，因此PV（t）是一個(gè)上下波動(dòng)的曲線函數(shù)，但是一般外輸管路的壓力要求處于一個(gè)較為穩(wěn)定的區(qū)間，因此SP（t）一般表現(xiàn)為一個(gè)常量函數(shù)。

（2）機(jī)械裝置推理機(jī)構(gòu)（Reasoning Agency），它為專家PID的神經(jīng)中樞。常規(guī)的推理機(jī)是在一定的控制方法或者算法策略下，專家PID系統(tǒng)根據(jù)問(wèn)題信息（用戶與專家系統(tǒng)交流的信息）及知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)執(zhí)行對(duì)問(wèn)題的求解[4]。本系統(tǒng)中，推理機(jī)根據(jù)輸入的e（t）處于不同的閾值范圍以及t處于不同的時(shí)間階段，搜索機(jī)械裝置控制知識(shí)庫(kù)，得到一個(gè)控制H（FP，F(xiàn)I，F(xiàn)D，EV，EK）五元組，其提供給增量型PID控制器進(jìn)行運(yùn)算。

（3）知識(shí)庫(kù)（Knowledge Base）是指專家PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)所應(yīng)用的控制規(guī)則集合，包含邏輯規(guī)則所聯(lián)系的事實(shí)及數(shù)據(jù)，它們的全體構(gòu)成壓力測(cè)控知識(shí)庫(kù)。本系統(tǒng)中，知識(shí)庫(kù)提供輸油泵機(jī)械裝置各種情況下增量型PID對(duì)油泵變頻器調(diào)控效果的知識(shí)，它由自動(dòng)變頻控制理論、油泵專家知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)油泵操作人員經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生。知識(shí)庫(kù)規(guī)則指的是對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)化、計(jì)算機(jī)化的表達(dá)，其主要表現(xiàn)為IF-ELSE邏輯推理規(guī)則。

（4）增量型PID控制器（Increment PID Controller）是油泵控制的核心大腦，是通過(guò)對(duì)油泵變頻器控制量的增量進(jìn)行比例、積分、微分三種操作并線性組合成控制量，以減小系統(tǒng)e（t）誤差，提高油泵系統(tǒng)調(diào)控管路快速符合設(shè)定壓力響應(yīng)速度和響應(yīng)效果，它需要推理機(jī)構(gòu)為其提供合適的比例系數(shù)FP、積分系數(shù)FI、微分系數(shù)FD以及專家條件限制EV、EK。

（5）自學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)是專家PID系統(tǒng)的自循環(huán)優(yōu)化人工智能自學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)，它動(dòng)態(tài)地根據(jù)機(jī)械裝置原油管路壓力調(diào)控效果的好壞，決定是否需要繼續(xù)優(yōu)化保留當(dāng)前H（FP，F(xiàn)I，F(xiàn)D，EV，EK）五元組或者剔除該參數(shù)，使得知識(shí)庫(kù)中最大程度動(dòng)態(tài)優(yōu)化知識(shí)規(guī)則。

2 輸油泵機(jī)械裝置增量型PID控制算法設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，PID控制算法是最為常見(jiàn)的較為成熟的過(guò)程控制算法，它結(jié)合了比例（Proportional）、積分（Integral）和微分三種環(huán)節(jié)于一體的閉環(huán)循環(huán)模式[5]。閉環(huán)控制是根據(jù)控制對(duì)象的測(cè)量值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行輸出調(diào)整，一段時(shí)間后再看測(cè)量是否符合設(shè)定要求，這樣一直反復(fù)進(jìn)行下去，其目標(biāo)使得當(dāng)測(cè)量值與設(shè)定值出現(xiàn)偏差時(shí)，按定額參數(shù)或動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)進(jìn)行糾正輸出，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量值動(dòng)態(tài)跟隨設(shè)定值。

經(jīng)典的PID控制算法因公式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定性好、輸出波動(dòng)小、重復(fù)性好，而成為工業(yè)連續(xù)控制的主流技術(shù)，在溫度、壓力、流量等方面得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)被控對(duì)象的運(yùn)行規(guī)律和控制參數(shù)不能完全通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，采用PID控制技術(shù)最為方便。

油泵機(jī)械裝置中，PID控制器算法如公式（1）所示。

其中，Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；e（t）為偏差；op（t）為控制量；用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠蹋?jīng)過(guò)離散化，獲得位置PID的離散算法，如公式（2）所示。

位置式PID算法控制的輸出與整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，它用到了誤差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差，另外它計(jì)算繁瑣，而且保存e（k）數(shù)組需要占用很多內(nèi)存，運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的閥位突變，因此在工業(yè)控制中位置型PID算法不太常用。

將位置型PID算法公式經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)差值演變運(yùn)算，即用第K次的OP減去第K-1次的OP數(shù)值，得到如下增量型PID算法公式（3）：

增量式PID算法易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換，不產(chǎn)生積分失控。由于增量式PID輸出的是控制量每個(gè)周期的Delt增量，如果計(jì)算機(jī)、傳感器或者電氣儀表出現(xiàn)故障，閥門(mén)調(diào)節(jié)誤動(dòng)作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶開(kāi)度功能，可仍保持原來(lái)的開(kāi)度，通常不會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)控系統(tǒng)的工作，而位置式PID算法的輸出直接對(duì)應(yīng)閥門(mén)對(duì)象的輸出，因此對(duì)系統(tǒng)管路閥門(mén)壓力穩(wěn)定影響較大。

因此，增量式PID算法得出的是油泵機(jī)械裝置每次變頻器控制量的增量，這使得壓力調(diào)控誤動(dòng)作影響小，有著較好的控制誤差效果。

其算法偽代碼表示如下：

3 輸油泵機(jī)械裝置智能專家PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸油泵機(jī)械裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如圖2所示的三層結(jié)構(gòu)：感知輸出層、邏輯控制層、應(yīng)用顯示層。輸油泵機(jī)械裝置控制系統(tǒng)主調(diào)度模塊為本系統(tǒng)的主循環(huán)控制程序，是本系統(tǒng)的主調(diào)度模塊，它采用后臺(tái)周期循環(huán)方式與事件驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行編程。油泵機(jī)械裝置控制系統(tǒng)主調(diào)度模塊主要管理按照層次化的方式控制管理感知輸出層、邏輯控制層、應(yīng)用顯示層中模塊的運(yùn)行。這三層結(jié)構(gòu)包含的模塊有：傳感采集模塊、變頻閥門(mén)輸出模塊、基本邏輯控制模塊、專家PID控制模塊、數(shù)據(jù)記錄顯示模塊以及動(dòng)態(tài)曲線報(bào)表模塊等。

圖2 輸油泵機(jī)械裝置智能專家PID控制模塊組成

這三層包含的模塊詳細(xì)內(nèi)容描述如下：（1）傳感采集通信模塊：輸油泵機(jī)械裝置需要采集管路油溫、管路油壓、過(guò)濾器壓力、燃?xì)鈮毫?、閥門(mén)開(kāi)度、變頻器當(dāng)前信息，這些信息可以采用RS485或者M(jìn)odbus TCP的通信協(xié)議獲取。（2）變頻閥門(mén)輸出模塊：當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，需要本模塊輸出控制油泵啟動(dòng)或者停止命令或者閥門(mén)開(kāi)啟或者關(guān)閉，最為核心的是實(shí)現(xiàn)調(diào)控PID得到的OP送給變頻器功能。（3）基本邏輯控制模塊：實(shí)現(xiàn)輸油泵機(jī)械裝置的基本設(shè)備啟停與安全運(yùn)行的條件邏輯運(yùn)算，比如油泵溫度超高，立刻停泵運(yùn)行，或者環(huán)境燃?xì)鉂舛冗^(guò)高，立刻報(bào)警處理。（4）專家PID控制模塊：該模塊為本系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，通過(guò)專家系統(tǒng)理論結(jié)合增量型PID算法綜合運(yùn)算，通過(guò)推理機(jī)動(dòng)態(tài)檢索知識(shí)庫(kù)，動(dòng)態(tài)設(shè)置合適的PID參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)外輸壓力動(dòng)態(tài)跟隨設(shè)定壓力，以達(dá)到安全平穩(wěn)輸油的目的。（5）數(shù)據(jù)記錄顯示模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)采集的管路壓力、管路溫度、燃?xì)鈮毫?、運(yùn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且可以隨時(shí)通過(guò)表格的形式查看。（6）動(dòng)態(tài)曲線報(bào)表模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)將記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)以折線圖的形式直觀顯示，并且根據(jù)用戶需要可以輸出打印報(bào)表。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于本文提出的理論框架，應(yīng)用面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集輸油泵各種傳感數(shù)據(jù)如溫度、流量、閥位、壓力等測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)定外輸管路壓力，可以動(dòng)態(tài)平穩(wěn)地輸油。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，操作人員或者油泵專家可以輸入增量型PID的各種條件下經(jīng)驗(yàn)參數(shù)存到知識(shí)庫(kù)中，系統(tǒng)后臺(tái)可以周期性地記錄各種測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)，用戶可以隨時(shí)查看測(cè)量壓力與設(shè)定壓力動(dòng)態(tài)曲線。

本系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某油田企業(yè)得到成功應(yīng)用，其運(yùn)行效果得到了用戶的好評(píng)，跟傳統(tǒng)的PID控制的輸油泵相比，本系統(tǒng)具有故障率低、輸油壓力穩(wěn)定、輸油效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文提出的結(jié)合專家系統(tǒng)理論與傳統(tǒng)增量型PID控制算法，發(fā)揮了二者的各自長(zhǎng)處，可以為工業(yè)控制領(lǐng)域類似的測(cè)控系統(tǒng)提供較好模板與榜樣，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。