CN115370333B - 一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法，包括以下步骤：获取载荷传感器传送的悬点载荷信息；获取液面传感器传送的抽油杆油泵内液面高度信息；根据悬点载荷信息和液面高度信息控制无级变速器驱动电机变速和/或换向。本申请的有益效果是：抽油杆速度的调节满足在工作中从零开始无级调节的要求；可实现工作中进行正反向转换的要求；特殊场景可以根据需求进行转速的调整；整体调节满足自动化控制要求。
Description
技术领域
本发明涉及抽油机控制领域，尤其涉及一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法。
背景技术
常规游梁式抽油机具有结构简单、价格低廉、维修费用少等优点，长期以来，是油气田开采中最常采用的采油装备，在国内外的油田广泛使用。目前油田大部分抽油机都采用恒速驱动电机来驱动抽油机工作，这会造成大量电能的消耗以及倒发电现象。人们研究出了变速驱动技术通过改变不同工况下的转速，依据重载慢行，轻载快行的原则，可以有效减小复变载荷的冲击，提高油液充满度，从而提高电机效率，节约电能。但是，现有抽油机中对电机的变速控制存在以下问题：1、现有的机械变速器通常是根据井况预先设置抽油机的变速曲线，根据该变速曲线直接控制电机变速，但是实际抽油过程中井下情况比较复杂，预设的变速曲线无法体现实际的荷载情况，因此无法使电机速度与实际工况对应，从而影响抽油效率；2、目前抽油机节能***的研究中，控制***需要通过传感器采集到的多个数据源(压力，转矩，电流，拉力)等进行信号反馈，以实现抽油机的控制，这种多输入单输出的***(MISO)对***传感器其要求高，尤其是变速驱动情况下，精度不高的传感器会造成***滞后较严重，从而影响转矩匹配与电机转速的实时控制，现有技术中采用PID算法进行电机的速度控制，但是传统的PID控制方法应对这种高延时的场景达不到理想效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法，通过无级变速器控制电机，能够根据实际荷载情况控制无级变速器，进而提高抽油效率；同时对传统PID算法进行改进，利用模糊控制方法，实时在线调整PID参数，实现***最优控制。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法，包括以下步骤：
获取载荷传感器传送的悬点载荷信息；
获取液面传感器传送的抽油杆油泵内液面高度信息；
根据悬点载荷信息和液面高度信息控制无级变速器驱动电机变速和/或换向。
作为优选实施方式，所述方法还包括构建模糊PI控制***，基于模糊PI对所述无级变速器实施变速控制。
本发明采用上述技术方案，基于悬点载荷信息和液面高度信息控制无级变速器变速和换向，能够根据抽油机的实际工况调节电机转速及方向，能够更好的实施“重载慢行，轻载快行”的原则，有利于提高电机效率。并且，进了传统PID算法，利用模糊控制方法，实时在线调整PID参数，实现***最优控制，有效提高了抽油机***的工作能力和稳定性。
附图说明
图1为本实施例中抽油机变速控制***的示意图；
图2为本实施例中抽油机变速控制流程示意图；
图3为本实施例中抽油机***非线性耦合行为预测方法示意图；
图4为本实施例中基于多工况的变速驱动优化设计与评价平台的总体流程图；
图5为模糊PI控制原理图；
图6(a)是本实施例中电压误差E和电压误差变化率EC的隶属度函数，(b)是ΔKp和ΔKi的隶属度函数。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的实施例做进一步说明。
本实施例涉及一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法，用于游梁式抽油机的电机控制。首先，对抽油机的结构进行简单说明。如图1所示，游梁式抽油机主要包括驴头、游梁、曲柄连杆机构和动力机构，动力机构包括电机和变速器，工作时，电动机的转动经变速器、曲柄连杆机构变成驴头的上下运动，驴头经光杆、抽油杆带动井下抽油泵的柱塞作上下运动，从而不断地把井中的原油抽出井筒。游梁式抽油机的结构及工作原理为本领域的公知常识，在此不再展开描述。游梁式抽油机运转过程中，光杆运行到上死点和下死点之间的距离为抽油机的冲程，其中从下死点运行到上死点为上冲程，从上死点运行到下死点为下冲程，一个完整的下冲程和上冲程为抽油机的一个工作周期，因此，在一个工作周期内，无级变速器需要完成变速和换向控制。
游梁式抽油机领域中，遵循“重载慢速，轻载快速”的原则控制变速器驱动电动机转速以减小复变荷载的冲击，提高油液充满度。本实施例在遵循上述原则的基础上，提出了一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法，该方法能够结合实际的抽油机悬点载荷变化控制抽油机变速器工作。
所述方法应用于抽油机变速控制***，所述抽油机变速控制***包括游梁式抽油机、载荷传感器、液面传感器和控制器，其中，荷载传感器安装在抽油机悬点处用于检测悬点荷载，液面传感器用于检测油泵内液面高度，荷载传感器和液面传感器与控制器通信，控制器与无级变速器连接，通过无级变速器调节电机转速及方向；还包括井下传感器，井下传感器检测抽油杆油泵的位置，并将其检测到的信息发送到控制器。无级变速器包括调速模块和换向模块，调速模块用于调节转速，换向模块用于调节冲程。
所述方法应用于控制器，包括以下步骤：
获取载荷传感器传送的悬点载荷信息；
获取液面传感器传送的抽油杆油泵内液面高度信息；
根据悬点载荷信息和液面高度信息控制无级变速器驱动电机变速和/或换向。
上述无级变速器控制方法，可以根据实际载荷变化自动控制电机转速及方向，相较于现有技术中根据井内状况设置的变速曲线的变速控制方式，对变速器的变速控制更加准确及时，有利于提高油液充满度，从而提高电机效率。
上述方法中，抽油机一次装油卸油为一个完整的变速周期，其对应于抽油机的一个工作周期，光杆从上死点往下死点移动，油泵下降至井内抽油，然后光杆从下死点往上死点移动，充满油液的油泵卸油。
所述方法还包括：接收到电机启动信号时，向无级变速器发送正向调节信号，控制电机逐步加速至预设阈值。本实施例中电机采用三相异步电动机，其可以空载启动，电机启动时无级变速器为零，因此，抽油机工作过程中可以使抽油杆的速度从零开始无级调节，能够使电机输出功率有效跟踪交变荷载的变化。且一个变速周期中，电机启动时是一个逐步加速的过程，因此抽油杆油泵下降时是加速接近井下油液的过程，能够提高抽油效率。其中，所述向无级变速器发送正向调节信号，包括，控制器向无级变速器发送一个正向调节信号，使变速杆离开原点方向向速度要求方向逐渐移动，实现软起动。本实施例中的无级变速器为机械式变速器，通过变速杆改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。本公开引入无级变速器进行电机调速，相比于直接控制电机变速，机械变速器效率更高，也更稳定，易于纠错维修。
所述方法还包括：获取抽油杆油泵离液面高度的信息，在检测到抽油杆油泵接近井内液面时，向无级变速器发出减速信号，在油泵下降直至浸没这一过程中，根据荷载传感器传送的荷载变化信号实时向无级变速器发出速度变化信号，使电机输出功率跟踪交变荷载的变化。在具体实施例中，可以基于井下工作环境例如温度、湿度等确定速度衰减系数，在根据荷载传感器确定对应速度后，经过所述速度衰减系数处理后作为最终速度控制无级变速器。
本公开通过井下传感器检测抽油杆油泵离液面的高度信息。设置在接近井内液面时减速，能够有效降低油泵入液的冲击荷载，提高泵内油液充满度，进而提高效率。在其他实施例中，还可以通过设置在抽油杆上的传感器检测抽油杆油泵距离液面的高度信息。
所述方法还包括：当油泵浸没时，监测油泵内液面高度信息，若液面高度达到预设高度，或者悬点荷载达到预设荷载阈值，向换向机构发送换向信号，控制无级变速器换向，油液举升。抽油机中油泵通常根据容量设有最大充油高度，以及设有最大悬点载荷以保证能够将油液举升。基于此，本公开监测油泵浸没后油泵内的液面高度以及悬点载荷，根据上述信息自动控制无级变速器换向，使油液举升，满足工作中的正反向转换要求。
油液举升时，控制器向无级变速器发出减速信号，以确保井内油液举升时提供足够的牵引力。在油液举升过程中，综合考虑液面传感器和荷载传感器的信号确定无级变速器的速度。该过程中，油液举升时减速可以有效降低抽油机电机的装机工况，并提高电机效率。
卸油后开始新一轮的变速周期。
综上所述，本公开的整体工作流程如图2所示，抽油机工作时，在动力机构(包括电机和无级变速器)驱动下，悬点上下往复运动，悬点载荷周期变化，载荷传感器检测悬点载荷信息，控制器根据所述悬点载荷信息根据控制无级变速器的调速机构工作；同时，油泵内液面传感器检测泵内液面高度，结合液面传感器发送的信号控制无级变速器的换向机构工作，事先都抽油机的自动化控制。
需要进一步说明的是，本领域中根据游梁式抽油机的运动学和动力学模型，结合电机的外特性曲线，可以计算某一悬点载荷下对应的电机转速。因此，为了实现上述方法中的根据悬点载荷实时驱动无级变速器，本公开中事先进行抽油机***非线性耦合行为预测，在抽油机非线性耦合行为预测的基础上，为了实现实时地电机最佳功率匹配与转速拟合，建立基于多工况的变速驱动优化设计与评价平台，以得到最优的变速曲线。基于该变速曲线，可以基于悬点载荷驱动无级变速器进行无级变速。上述抽油机***非线性耦合行为预测方法具体如图3所示，基于多工况的变速驱动优化设计与评价平台的总体流程如图4所示，依据本领域的运动学和动力学理论知识即可得到上述方案，在此不再展开赘述。
本公开的方法的主要改进点在于基于悬点载荷信息和液面高度信息控制无级变速器变速和换向，能够根据抽油机的实际工况调节电机转速及方向，能够更好的实施“重载慢性，轻载快行”的原则，有利于提高电机效率。
上述方法中，由于是控制器根据传感器获取的参数控制无级变速器调节电机转速，因此，采用PID算法对控制过程进行优化以纠正被控对象的偏差。抽油机实际生产环境中，由于传感器数据滞后等因素，整机的转速匹配效果无法达到足够的精度，对部分负载敏感工况如变速驱动效率影响较大。目前抽油机节能***的研究中，控制***需要通过传感器采集到的多个数据源(压力，转矩，电流，拉力)等进行信号反馈，以实现抽油机的控制。这种多输入单输出的***(MISO)对***传感器其要求高，尤其是变速驱动情况下，精度不高的传感器会造成***滞后较严重，从而影响转矩匹配与电机转速的实时控制。传统的PID控制方法应对这种高延时的场景达不到理想效果。针对这一问题，本公开改进传统PID算法，利用模糊控制方法，实时在线调整PID参数，实现***最优控制，有效提高了抽油机***的工作能力和稳定性。
本公开主要涉及无级变速器的变速控制，其中最关键的是通过载荷传感器所传递的载荷信号,经过控制器计算后,向无级变速器提供转速控制信号,实现目标转速。
图5为模糊PI控制原理图，如图所示，模糊PI控制***主要由模糊控制器和PI控制器两部分组成。将被测***的误差e及其误差变化率ec输入进模糊控制器，计算后输出ΔKp和ΔKi。将该输出作为PI控制器的输入，并对PI控制器的Kp、Ki进行修正，实现PI参数的实时整定。
实时整定的PI控制器参数如下：
上式中，Kp和Ki是修正后的PI参数，Kp0、Ki0是PI控制器依据抽油机***停机状态下所整定的初始参数，ΔKp、ΔKi是模糊控制根据抽油机运行参数实时修正的PI参数变化量。
本公开将模糊PI控制用在无级变速器转速匹配控制***中。根据模糊控制器基本理论，结合实际运行工况设计模糊控制器。
第一步是确定输入输出变量的论域和模糊合集。依据无级变速器实际转速匹配需要，将模糊控制器的控制结构设计成二输入二输出模式，其中载荷电压信号误差E和电压误差变化率EC作为输入量，输出量是PI控制器参数整定量ΔKp和ΔKi。理论上模糊控制器输入输出变量的模糊合集子集个数与控制性能和控制精度成正比关系，但是庞大的子集个数会大量占用***计算资源，从而增加实现难度。本文中，根据实际控制精度要求并考虑到模糊集的结构，选择负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)共七个级别作为模糊集。
定义电压误差E、电压误差变化率Ec的模糊集合为：
{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} (5.2)
定义输出量ΔKp和ΔKi的模糊集合为：
{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} (5.3)
模糊控制器的论域数值决定了粗糙程度，论域过大调节效果不明显，论域过小导致调节速度缓慢。考虑到这些因素，本公开结合实验试凑法和传统经验法，根据抽油机***的结构特点选择模糊控制的论域，使其输入变量调节范围在+10到-10之间，输出变量的调节范围在+1到-1之间。
定义电压误差E、电压误差变化率EC的模糊集合为：
{-10,-6.6,-3.3,-1.5,0,1.5,3.3,6.6,10} (5.4)
定义输出量ΔKp和ΔKi的模糊集合为：
{-1,-0.66,-0.33,0,0.33,0.66,1} (5.4)
接下来是清晰量模糊化以及隶属度函数确立。
本文将模糊控制器输入作为清晰量，先将其模糊化，后将模糊变化量控制在输入论域范围内，根据以下公式确定量化因子：
其中K1，K2分别为电压误差E和电压误差变化率EC的量化因子；aE,aEC分别为电压误差E和电压误差变化率EC的论域范围；NE,NEC分别为电压误差E和电压误差变化率EC的模糊集合的个数。
根据抽油机***的控制特点，取K1＝0.01，K2＝0.0001作为量化因子。同时选取三角隶属度函数作为转速匹配控制器的隶属度函数，如图6所示，图6中(a)是电压误差E和电压误差变化率EC的隶属度函数，(b)是ΔKp和ΔKi的隶属度函数。
最后是模糊规则的建立和去模糊化。根据PI参数的整定要求，结合转速匹配控制特点，得到ΔKp和ΔKi的模糊控制规则如下表所示：
表5.1ΔKp的模糊控制规则表
表5.2ΔKi的模糊控制规则表
经过模糊推理运算后，得到模糊输出量。通过重心法对该结果进行解模糊，求解得到变量μ，如下式所示：
其中，μ即为输出清晰量，μi为各组元素的权重。
依据μ计算得到精确度较高的实时电压,并转化成电流信号输入控制器,依据“重载慢驱,轻载快驱”的要求,对无级变速器实施变速控制。
上述方法改进了传统PID算法，利用模糊控制方法，实时在线调整PID参数，实现***最优控制，有效提高了抽油机***的工作能力和稳定性。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法的实施例全部或部分步骤可以通过程序指令执行，并存储在计算机可读存储介质中，处理器读取存储介质中存储的程序并执行以实现方法步骤。前述存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种抽油机变速驱动模式下的无级变速器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取载荷传感器传送的悬点载荷信息；
获取液面传感器传送的抽油杆油泵内液面高度信息；
根据悬点载荷信息和液面高度信息控制无级变速器驱动电机变速和/或换向；
构建模糊PI控制***，基于模糊PI对所述无级变速器实施变速控制，
构建模糊PI控制***，包括：
S1,依据无级变速器实际转速匹配需要，将模糊控制器的控制结构设计成二输入二输出模式，其中载荷电压信号误差E和电压误差变化率EC作为输入量，输出量是PI控制器参数整定量ΔKp和ΔK；
S2,根据以下公式确定量化因子：
其中K1，K2分别为电压误差E和电压误差变化率EC的量化因子；aE,aEC分别为电压误差E和电压误差变化率EC的论域范围；NE,NEC分别为电压误差E和电压误差变化率EC的模糊集合的个数；
选取三角隶属度函数作为转速匹配控制器的隶属度函数；
S3,确定输出量ΔKp和ΔKi的模糊控制规则；经过模糊推理运算后，得到模糊输出量，通过重心法对该结果进行解模糊，求解得到变量μ，如下式所示：
其中，μ即为输出清晰量，μi为各组元素的权重。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：接收到电机启动信号时，向无级变速器发送正向调节信号，控制电机逐步加速至预设阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述向无级变速器发送正向调节信号，包括，控制器向无级变速器发送一个正向调节信号，使抽油杆离开原点方向向速度要求方向逐渐移动，实现软起动。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：获取抽油杆油泵离液面高度的信息，在检测到抽油杆油泵接近井内液面时，向无级变速器发出减速信号，在油泵下降直至浸没这一过程中，根据荷载传感器传送的荷载变化信号实时向无级变速器发出速度变化信号，使电机输出功率跟踪交变荷载的变化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当油泵浸没时，监测油泵内液面高度信息，若液面高度达到预设高度，或者悬点荷载达到预设荷载阈值，向换向机构发送换向信号，控制无级变速器换向，油液举升。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：油液举升时，控制器向无级变速器发出减速信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取悬点载荷信息和液面高度信息之前，进行抽油机***非线性耦合行为预测，在抽油机非线性耦合行为预测的基础上，建立基于多工况的变速驱动优化设计与评价平台，以得到符合要求的变速曲线。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合实验试凑法和传统经验法，根据抽油机***的结构特点选择模糊控制的论域，使其输入变量调节范围在+10到-10之间，输出变量的调节范围在+1到-1之间。
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