自抗扰控制技术在智能抽油机中的应用研究

杨辉，唐杰，卫乾，刘星 （北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 100011）

自抗扰控制技术在智能抽油机中的应用研究

杨辉，唐杰，卫乾，刘星 （北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 100011）

本文介绍了ADRC（自抗扰控制）技术的基本原理和框架结构，并总结了国内油田常用的智能抽油机技术的特点。为达到节能增效的目的，将ADRC技术移植到智能抽油机数字控制柜中，本文提出的基于ADRC技术实现的算法改进了抽油机的智能调节功能，通过现场试验，结果表明ADRC技术在智能抽油机中具备一定的实用价值。

自抗扰控制；智能抽油机；控制器

Controller

近年来，机采抽油机技术不断向数字化、无线化、智能化甚至是智慧化的方向发展。智能抽油机在机械结构设计、智能抽油机控制器、智能抽油机变频控制以及冲程、换向等方面都有新设计、新产品投入到实际应用中。自抗扰控制技术（ADRC）自20世纪90年代提出后，经过不断的发展和创新，在航天、航空、军事、工业过程控制、机电控制等领域都得到成功应用。本文就将自抗扰控制技术引入到智能抽油机进行研究，拟通过该技术的应用达到节能增效的目的。

1 自抗扰控制(ADRC)技术

对于ADRC，可以理解为三部分，即TD（微分）跟踪器、线性或非线性组合调整、ESO（扩展状态）观察器。其中跟踪器对输入信号的复制或者是快速定位便于下一步的分析处理；而线性组合或者非线性组合（一般情况下是非线性组合）进行调整，并将外界未知的干扰一并加入到调整中对输出产生影响；ESO观察器则是对输出的值进行观察，并将结果反馈到非线性调节组合的输入端，对调节组合进行实时的影响和调整。其典型结构如图1所示。

图1 自抗扰控制结构示意图

式1是自抗扰控制二阶标准算法的数学表达式：

式1中包含安排过渡过程、线性状态扩张状态观察器、误差反馈控制。安排过渡过程属于TD跟踪器的一部分，它包含两个参数；扩张状态观察器包含三个参数，这三个参数对闭环系统的影响很大；误差反馈包含四个参数，其中一个参数是补偿因子参数。根据文献[1]所描述的方法，上述的所有参数除去补偿因子外都与采样步长可以建立对应的函数关系。因此，对应用来说，需要关注的两个参数为：采样步长、补偿因子。这样便简化了现场应用中的调节参数数目。其具体的关系及参数整定方法可参考文献[2]，本文不再作详细描述。

2 智能抽油机相关技术简介

智能抽油机经过近年的发展及积累，主要在以下几方面进行了技术改动或创新：

（1）机械结构上的技术

目前，国内主要使用的抽油机机型有如下几种：偏置式抽油机、双驴头抽油机、游梁式抽油机、塔架式抽油机、皮带式抽油机。根据文献[3]所描述的相关特点总结如表1所示。

表1 抽油机机型分类表

在技术革新上，由于游梁抽油机使用范围及数量均较大，又提出有偏置游梁式抽油机，在原有的梁式抽油机上增加平衡调节装置，其原理是根据井况（一般是根据算法推算井中液面的状况）对平衡调节装置进行手动或自动调节，使抽油机的状态达到最佳平衡状态。这种对结构的改进，虽然增加了一定的安装难度，但配合平衡调节技术的使用，使抽油机具有智能特性。

至于主要用在稠油地区的双驴头抽油机则是对它的缺点驱动绳易磨损进行改进；塔架式抽油机技术在结构上的改进则需要因不同油田的实际情况进行调整；皮带式抽油机的结构改进主要体现在结构润滑、平衡箱的平衡校准方面。

（2）节能器的控制技术

由于大部分的抽油机都需要使用到电能，文献[4]通过模型的分析，建立适合油井实际应用的电容定量关系式，从而达到提高电机功率因素的目的来实现节约电能。

而文献[5]通过DSP来完成数据采集及处理、并集成相关算法实现软开关技术的电容器切换，通过电能的补偿实现电能的节约。

本质上来看，两者都是通过提高抽油机的功率因素来提高电能的使用效率，只是实现的方法上有所不同。

实验组患者在此基础上联合吡贝地尔{LES LABORATOIRES SERVIER INDUSTRIE(法国)(施维雅(天津)制药有限公司分装);国药准字J20140064;50mg*30s}治疗,具体方法为:口服。每日150毫克到250毫克,即每日3-5片,分3-5次服用。

（3）智能调节技术

游梁式抽油机智能调节技术包括两方面内容[6]，一个是平衡调节，另一个是冲次调节。平衡调节需要结构上带有平衡调节结构，其原理是利用游梁上的角位移传感器和抽油杆上的载荷传感器上传的数据，进行平衡度计算，有控制器根据计算结果进行平衡调节；而冲次调节是根据功图的充满度来判断冲次是否需要调节，如需要调节则通过控制器对变频器进行对应的改变。

（4 ）智能控制柜（亦称数字化抽油机控制柜）控制器技术

一般来说[7-8]，智能控制柜需要具备节能、智能调节、远程通信、远程控制、报警等多项功能。其核心和关键的技术就是控制器，一些研究机构、相关企业将该类控制器进行组合或整合来实现其功能。如节能控制器实现电能和电机控制以及通信功能，而主控制器实现智能调节、远程控制、报警等功能；也有将以上功能集于一体的智能化控制器。无论是组合的还是一体化的，其核心指标如下：电能监控和检测、智能调节、远程通信、传感器数据收集及处理、智能算法（主要是指功图算法）、报警机制。

3 基于ADRC的智能抽油机控制技术

将ADRC技术应用到智能抽油机中，首先要了解整个智能抽油机结构示意图，如图2所示。

图2 抽油机结构示意图

在图2中，游梁上需要安装位移（或角位移）传感器，在驴头和抽油杆连接之间安装载荷传感器，在抽油机控制柜中至少包含电能检测、智能调节、通信等多功能一体的控制器以及变频器、保护装置、平衡调节装置等。

目前，针对此类结构及实际应用需求本公司有两套解决方

案，一套是有线解决方案，基于自主研发的有线载荷、有线角位移、智能电量模块构成的有线智能抽油机解决方案；另一套是基于自主研发的无线一体化示功仪、智能电量模块构成的无线智能抽油机解决方案。各产品的具体指标及参数参照表2~表5。

表2 有线载荷主要技术指标

表3 有线角位移主要技术指标

表4 无线一体化示功仪主要技术指标

表5 智能电量主要技术指标

ADRC技术实现的算法载体就在智能电量模块中，其算法控制的步骤如下：

（1）设定平衡度的上下限系数；

（2）设定充满度的上下限系数；

（3）设定ADRC采样步长与补偿因子；

（4）观察充满度和平衡度的计算值；

（5）平衡度与充满度的计算值是否在合理范围，若是，结束；否，转到步骤（3）。

平衡度是指抽油机平衡装置与游梁之间的平衡程度，用百分比形式表现；充满度则是依靠功图进行判断和计算，用百分比形式表现。在算法实现上，平衡度与充满度之间耦合越低效果越好；在实际应用中，平衡度调节的是平衡装置的位移从而到达平衡的合理位置，而充满度调节的是变频器的频率从而实现冲次的合理次数。

4 现场实验验证

按照前面描述的控制过程，将有线解决方案在南方某油田选取了两个井口（两井口的产能处于较低产能的稳定产能期）进行测试试验，具体结果参照表6。

表6-1 测试井口一测试结果

表6-2 测试井口二测试结果

根据表中的数据可知，在电能消耗量有所降低的条件下，其单井产量有所提高。另外，基于现有ADRC技术的智能抽油机控制器比原来一维搜索算法在现场调试时，调试时间可减少10分钟左右。

5 结语

智能抽油机技术一直在不断发展和进步，但任何新技术的应用和推广都需要根据不同的实际情况进行改变和适应。一方面，基于工业生产中安全的重要性，如果新技术的风险未得到有效辨识和在可控制范围内使用，其推广应用会大打折扣；另一方面，如果新技术的应用不能带来效益的显着提升，对油气田生产企业来说，其吸引力也会下降；更为重要的是，国内油田分布极广，新技术需要根据不同的实际状况进行调整和改变，增加了新技术的推广应用难度。ADRC技术作为新技术中的一种，亦不例外。因此，未来的研究重点应从两个方向进行，一是提升算法的鲁棒性，使其在适应不同的井况上更具优势；二是提升算法的效率，使其带来的效益有显着提升。

[1] 韩京清. 自抗扰控制技术[M]. 国防工业出版社, 2013.

[2] 石晨曦. 自抗扰控制及控制器参数整定方法的研究[D]. 江南大学, 2008. [3] 丁伟. 抽油机技术发展综述[J]. 中国科技博览, 2012(17): 7 - 7.

[4] 金鹰, 赵建洋. 智能抽油机节能器的设计[J]. 现代电子技术, 2008, 31 (12): 36 - 37.

[5] 丁卫红, 赵建洋. 智能抽油机节能器研究与开发[J]. 微型计算机信息, 2009, (26): 124 - 126.

[6] 王雪玲, 薛自建, 蒋幽君等. 自平衡智能抽油机的研发及应用[J]. 石油机械, 2014, 42(10): 82 - 85.

[7] 高宇. 智能抽油机控制器的研究[J]. 制造业自动化, 2010, 32(6): 133 - 136.

[8] 马菊莲, 马军鹏, 周好斌. 具有自学习功能的智能抽油机变频控制系统研究[J]. 钻采工艺, 2010, 33(04): 77 - 79.

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

杨辉（1988-），女，湖北天门人，助理工程师，硕士研究生，主要研究方向为油气自动化及信息监控。