摘　要(Abstract)：結(jié)合工程實踐，總結(jié)了油田電潛泵控制存在的問題。針對被控制對象特性，分析了可供選擇的控制策略，用仿人智能控制算法對系統(tǒng)實施控制的結(jié)果表明，文中提出的控制方法是令人滿意的。

    1  引言

    眾所周知，電潛泵是油田中應(yīng)用較多的采油設(shè)備之一。實質(zhì)上，電潛泵就是一個工作于井下的多級離心泵，同油管一起放入井下，地面電源通過變壓器、控制屏和電潛泵專用電纜將電能輸送給井下電潛泵電動機(jī)，使電動機(jī)帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，將油井中的液體升到地面。 

    電潛泵應(yīng)用主要存在兩個問題，一是如何節(jié)能，二是如何控制好電潛泵，使之工作于最佳工況。由于電潛泵是在地面2Km以下的井底工作，工作環(huán)境非常惡劣(高溫，強(qiáng)溫度等)，一般采用傳統(tǒng)的供電方式，即在工頻全壓下工作，因而故障頻繁，運行成本高。一方面電潛泵在工頻啟動時，啟動電流大，電動機(jī)電纜的壓降大，使電動機(jī)電纜在啟動過程中的反向電壓較高，電纜絕緣性能降低，每次開機(jī)都會影響電潛泵使用壽命。電潛泵的修理僅工程費一項就達(dá)5萬元之多，價值10萬元的電纜平均提上放下5次就須更換，電潛泵平均每10個月就維修1次，維修費用須8萬元，使運行成本增高。另一方面電潛泵在正常工作下，普遍存在著電動機(jī)負(fù)載率較教低的情況，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成電能的巨大浪費。此外，電潛泵的功率因數(shù)降低，耗電量大，工頻工作時，電潛泵始終工作在額定轉(zhuǎn)速下，如果井下液量供不應(yīng)求，容易造成“死井”，一旦死井則損失慘重。正確的解決方法是電潛泵應(yīng)能夠根據(jù)地質(zhì)的情況變化調(diào)節(jié)抽油量，使供求平衡。但傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是靠更換油嘴來調(diào)節(jié)產(chǎn)量，既造成能量的浪費又不能精確的控制。有時使得電動機(jī)與泵長期在高壓狀態(tài)下運行；有時使得油井出沙嚴(yán)重，使設(shè)備壽命縮短，因此對油田電潛泵系統(tǒng)控制的相關(guān)技術(shù)問題作簡要討論是必要的。本文主要對被控對象特性，控制策略選取，控制算法及變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用等方面作些討論。

    2  油田的特性

    采油是把油田作為特殊被控對象加以控制的，因此首先必須了解油田開采過程中表現(xiàn)出的某些特性。其中最主要的是時變性，由于地質(zhì)情況的復(fù)雜多變，概括起來有以下一些特點。就電潛泵系統(tǒng)而言，從宏觀角度考慮，被控對象特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    (1) 系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時變性、隨機(jī)性和分散性；

    (2) 系統(tǒng)滯后的未知性和時變性；

    (3) 系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性；

    (4) 系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性；

    (5) 環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。

    這些特性給系統(tǒng)建摸與控制帶來了許多問題。

    3  控制中存在的問題

    面對上述特性，因其屬于不確定性的復(fù)雜對象(或過程)的控制問題，傳統(tǒng)控制是無能為力的，主要表現(xiàn)在：

    (1) 確定性問題

    傳統(tǒng)控制(如PID)是基于數(shù)學(xué)模型的控制，即認(rèn)為控制、對象及干擾的模型是已知的或者是通過辯識可以得到的。但油田系統(tǒng)中的很多控制問題具有不確定性，甚至常常會發(fā)生突變。對于“未知”、不確定、或者知之甚少的控制問題，用傳統(tǒng)方法難以建模，因而也無法實現(xiàn)有效的控制；

 (2) 高度非線性

    傳統(tǒng)控制理論中，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可資利用，但從總體上看，非線性理論遠(yuǎn)不如線性理論成熟，因方法過分復(fù)雜而難以應(yīng)用。在油田系統(tǒng)中有大量的非線性問題存在；

    (3) 半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問題。傳統(tǒng)控制理論主要采用微分方程、狀態(tài)方程以及各種數(shù)學(xué)變換作為研究工具，其本質(zhì)是一種數(shù)值計算方法，屬定量控制范疇，要求控制問題的結(jié)構(gòu)化程度高，易于用定量數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述或建模。而油田系統(tǒng)中最關(guān)注和需要支持的，有時恰恰是半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問題；

    (4) 系統(tǒng)復(fù)雜性問題

    按系統(tǒng)工程的觀點，廣義的對象應(yīng)包括通常意義下的操作對象和所處的環(huán)境。而油田系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間關(guān)系錯綜復(fù)雜，各要素的高度耦合，互相制約，外部環(huán)境又極其復(fù)雜，有時甚至變化莫測。傳統(tǒng)控制缺乏有效的解決方法；

    (5) 可靠性問題

    常規(guī)的基于數(shù)學(xué)模型的控制問題傾向于是一個相互依賴的整體，盡管基于這種方法的系統(tǒng)經(jīng)常存在魯棒性與靈敏度之間的矛盾，但對簡單系統(tǒng)的控制的可靠性問題并不突出。而對油田系統(tǒng)，如果采用上述方法，則可能由于條件的改變使整個控制系統(tǒng)崩潰。

    由此可見，用傳統(tǒng)的方法不能對油田系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，必須探索更有效的控制策略與方法。

    4  系統(tǒng)的建模問題

    油田系統(tǒng)的特點是經(jīng)典數(shù)學(xué)不曾考慮的。盡管概率論是討論不確定性的，但它有自己的基本假定。這些基本假定限制了它在專家系統(tǒng)中的應(yīng)用，當(dāng)然也限制了在其它領(lǐng)域的應(yīng)用。它只能處理含有隨機(jī)性，沒有不知也沒有模糊的問題。實際上，目前人們發(fā)現(xiàn)的四種不確定性信息，除隨機(jī)信息、模糊信息外，還有灰色信息和未確知信息。這四種不確定信息往往在一個油田系統(tǒng)中交叉呈現(xiàn)或同時呈現(xiàn)。它們同時在影響著人們對系統(tǒng)特性和功能的認(rèn)識，影響著人們對油田系統(tǒng)的研究、管理和控制。而且，不論從概念的內(nèi)涵，還是從公理體系以及集合論角度分析，這四種不確定性信息又有著必然的聯(lián)系。因此，建立描述油田系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制模型，并在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)對油田信息的綜合處理，是一個難度很大而又急待研究解決的問題。

    控制是需要建立模型的，但控制模型不等同于用嚴(yán)格數(shù)學(xué)表達(dá)式描述的數(shù)學(xué)模型。建立模型的實質(zhì)是對事物本質(zhì)特性進(jìn)行描述，描述可以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方式描述，稱為數(shù)學(xué)模型；也可以用語言描述，稱為語言模型；還有框架模型、邏輯模型等等，要根據(jù)對象的復(fù)雜程度決定究竟選取那種描述方式更能反映對象的本質(zhì)特性。在復(fù)雜的油田系統(tǒng)中，往往采用定性與定量相結(jié)合的方法建模。這類模型有以下特性：

    (1) 系統(tǒng)信息的整體性

    已知信息與未知信息共居一體，各種不確定性信息共居一體；確定性信息與不確定性信息共居一體。它們相互聯(lián)系、相互影響、相互制約，并在一定條件下相互轉(zhuǎn)化，但總數(shù)量不會改變。

    (2) 系統(tǒng)發(fā)展的動態(tài)性

    和普通事物一樣，不確定性系統(tǒng)及其因素都是時間的函數(shù)。它們都隨著時間的推移變化、發(fā)展、衰變、轉(zhuǎn)化。

    (3) 系統(tǒng)信息的可觀測性

  人類認(rèn)識事物的過程既是對信息的獲取過程，是人類通過使用在實踐中形成的客觀標(biāo)準(zhǔn)、尺度(可統(tǒng)稱為標(biāo)度)對系統(tǒng)中各因素進(jìn)行測量的過程。因為不確定性信息的產(chǎn)生是物質(zhì)運動的必然結(jié)果，必然有規(guī)律可循，可以觀測，可以認(rèn)識。

    (4) 系統(tǒng)信息的層次性

    系統(tǒng)可以分為不同層次。在宏觀上認(rèn)為是不確定的信息，在微觀層次上又可分離出相對確定性信息。隨著層次的深化，使人們對系統(tǒng)的認(rèn)識更深刻。

    (5) 系統(tǒng)信息的灰色性

    不確定性信息是可觀測的，可以隨著層次的深化而提高可觀測度。但“不確定信息是不可避免的”。因此，不確定性信息又是不可全知的，只能是部分已知、部分未知的，盡管可以隨著測量的層次深化縮小未知部分；而且在已知的信息中還有信息的遺失。這種部分已知(白)、部分未知(黑)的相兼性稱為灰色性。5  控制策略的選取

    20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的近代控制理論，無論是狀態(tài)空間法，還是基于I/O描述的黑箱法，精確的數(shù)學(xué)描述是它分析與設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)。如果對象(或過程)的數(shù)學(xué)模型不知道，那么首先必須數(shù)學(xué)建模，但無論是最優(yōu)控制還是自適應(yīng)控制，討論問題的前提都是要求精確的數(shù)學(xué)模型，而對油田復(fù)雜系統(tǒng)顯然不具備上述條件，對作者討論的控制系統(tǒng)而言，不應(yīng)列為選取的控制策略。

    (1) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)

    起源于20世紀(jì)40年代，它從某些方面反映了人腦的基本特征，但并不是人腦的真實描寫，而只是它的抽象、簡化和模擬，網(wǎng)絡(luò)的信息處理由神經(jīng)元間的相互作用來實現(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵是選擇一個合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對其進(jìn)行訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，直至達(dá)到符合要求為止，即尋找最優(yōu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與權(quán)值。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，需要一定的實驗樣本，同時，還需要運行成千上萬次才能獲得最佳結(jié)構(gòu)。有時獲得的是一個局部最優(yōu)解，而不是全局最優(yōu)解，因方法的局限性，同樣，也難于對本文所討論的油田對象實現(xiàn)有效的控制。

    (2) 專家控制系統(tǒng)(ECS)

    它是以知識為基礎(chǔ)，在某一專門領(lǐng)域企圖模擬人們思想行為的一組計算機(jī)程序，能夠處理各種定性的、定量的、精確的、模糊的信息，因此可根據(jù)對被控過程的經(jīng)驗和知識獲取情況，采取不同的描述形式，以便更多地反映對象特性，為控制提供控制策略和控制模態(tài)。被控過程的動態(tài)信息經(jīng)過對特征信息進(jìn)行抽取與處理及模式識別后，一方面送到推理機(jī)構(gòu)，另一方面為知識庫補充有用的信息。推理機(jī)構(gòu)根據(jù)特征信息和知識庫提供的知識進(jìn)行判斷、推理，并將結(jié)果送到控制機(jī)構(gòu)，從而給出合適的控制輸出，對被控過程實施控制。但由于特征信息的采集、特征信息的表達(dá)、以及完備知識庫的建立實現(xiàn)難度大，所以，專家系統(tǒng)也不一定是一個好的選擇。

    實際工程中，一個非常熟練的操作人員，能憑借自己豐富的實踐經(jīng)驗，通過對現(xiàn)場的各種現(xiàn)象的判斷取得較滿意的控制效果。如果將憑經(jīng)驗所采取的措施轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的控制規(guī)則，并且研制一個控制器來代替這些規(guī)則，從而也可實現(xiàn)對復(fù)雜工業(yè)過程的控制。實踐證明，以模糊控制理論為基礎(chǔ)的模糊控制器(FC)能夠完成這個任務(wù)。

    人的控制經(jīng)驗是用人的語言來進(jìn)行總結(jié)和描述的。而語言是思維的外殼，它具有很大的模糊性。例如，當(dāng)要保持一個水塔中的水位時，可以通過調(diào)節(jié)水泵閥門開度將水位穩(wěn)定在固定點。按照人的經(jīng)驗可有下列控制規(guī)則：

  若水位高于固定點，則排水，若差值越大，則排水閥門開大，排水越快，若差值越小，則排水閥門開小，排水越慢；

    若水位低于固定點，則給水，若差值越大，則給水閥門開大，給水越快，若差值越小，則給水閥門開小，給水越慢.

    在上述描述操作經(jīng)驗的語言中，“高于”、“低于”、“開大”、“開小”等這些詞都帶有一定的模糊性，因此必須用模糊數(shù)學(xué)中的模糊集合來刻畫這些模糊語言，并用IF  condition THEN action語句予以實現(xiàn)。其核心是對復(fù)雜的系統(tǒng)或過程建立一種語言分析的數(shù)學(xué)模式，使人們?nèi)粘Ｉ钪械淖匀徽Z言能直接轉(zhuǎn)化為計算機(jī)所能接受的算法語言。它為處理客觀世界中已存在的模糊性問題，提供了有力的工具。模糊控制技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)已取得明顯效果，盡管還處于不斷完善和發(fā)展的階段，但其控制品質(zhì)和效果還是令人滿意的，對油田系統(tǒng)是一種可供選擇的策略。

    6  控制模型與控制算法

    6.1 控制模型

    由于被控對象的復(fù)雜性和不確定性，按傳統(tǒng)的方法不可能建立油田系統(tǒng)的嚴(yán)格數(shù)學(xué)模型，可以采用基于知識表示的非數(shù)學(xué)的廣義控制模型，如圖1所示。

    事實上，人們對對象不是一無所知，而是不全知，即所具有的對象信息是灰色信息。在實際工程中，依靠控制專家的知識和經(jīng)驗，也可以對系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，獲得滿意的結(jié)果。它是基于人的智能、控制者的經(jīng)驗和技巧，完成預(yù)定的控制任務(wù)。因此它是人機(jī)結(jié)合的控制

模型，即控制者(人)的模型和被控對象(機(jī))相結(jié)合的模型，如控制者的知識模型和被控對象的機(jī)理模型相結(jié)合的廣義控制模型。

    6.2 控制算法

    基本思路是模仿過程控制系統(tǒng)中富有經(jīng)驗的操作者的普遍行為，如當(dāng)系統(tǒng)的誤差趨于增加時，發(fā)出強(qiáng)烈的作用(閉環(huán)控制)；當(dāng)系統(tǒng)誤差趨于減小時，則取消控制動作，等待觀察等等。人對被控系統(tǒng)的狀態(tài)、動態(tài)特征及行為了解的越多，控制的效果就會越好。如果en表示離散化的當(dāng)前采樣時刻誤差值，en-1和en-2分別表示前一個和前二個采樣時刻的誤差值，則有

    Δen=en-en-1

    Δen-1=en-1-en-2

    從誤差e和誤差變化Δe這兩個基本的特征變化，便可從動態(tài)過程中獲取更多的特征信息。

    (1) e·Δe

    誤差e同誤差變化Δe之積構(gòu)成了一個新的描述系統(tǒng)動態(tài)過程的特征變量，利用該特征變量的取值是否大于零，可以描述系統(tǒng)動態(tài)過程變化的趨勢。

    當(dāng)en·Δen<0時，表明系統(tǒng)的動態(tài)過程正向著誤差減小的方向變化，即誤差的絕對值逐漸減小。

    當(dāng)en·Δen>0時，表明系統(tǒng)的動態(tài)過程正向著誤差增大的方向變化，即誤差的絕對值逐漸增大。

    在控制過程中，識別en·Δen的符號，便可掌握系統(tǒng)動態(tài)過程的行為特征，以便更好地制定下一步控制策略。

    (2) Δen·Δen-1

    相鄰兩次誤差變化之積Δen·Δen-1構(gòu)成了一個表征誤差出現(xiàn)極值狀態(tài)的特征量，若Δen·Δen-1<0表征出現(xiàn)極值，則Δen·Δen-1>0表征無極值。

 (3)│Δe/e│

    誤差變化Δe與誤差e之比的絕對值的大小，描述了系統(tǒng)動態(tài)過程中誤差變化的姿態(tài)。

    將│Δe/e│與e·Δe聯(lián)合使用，可對動態(tài)過程作進(jìn)一步的劃分，通過這種劃分，可以捕捉到動態(tài)過程的不同姿態(tài)。

    (4) Δ(Δe)

    誤差變化的變化率，即二次差分，描述動態(tài)過程處于趨于超調(diào)或回調(diào)段位；當(dāng)Δ(Δe)>0，處于超調(diào)段：Δ(Δe)<0時，處于回調(diào)段。

    總結(jié)上述特征，其基本控制算法可歸納為： 

    其中：Un為控制器第n次采樣時刻的輸出；

    Vo為控制器的第n次保持值；

    e及分別為系統(tǒng)誤差及其變化率；

    emi為誤差的第i次極值；

    Kp為控制器的比例增益；

    k為控制增益的抑制(衰減)系數(shù)，一般取o<k<1。

    上述控制算法對大滯后自衡對象的定值控制是非常適宜的，為了適應(yīng)流量突變或進(jìn)一步提高抗干擾能力，還可加入Bang-Bang控制，使動態(tài)品質(zhì)更好。

    7  結(jié)束語

    以上從控制的角度討論了油田電潛泵系統(tǒng)的控制相關(guān)問題。在物理實現(xiàn)上為了節(jié)能，因此必須將.控制技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，電氣傳動裝置采用變頻器，即對電潛泵進(jìn)行變頻改造，以實現(xiàn)電潛泵的軟啟動、軟停車，有效地保護(hù)電潛泵與電纜。這樣控制器可以通過調(diào)節(jié)頻率方便地調(diào)節(jié)油壓，避免了電潛泵在高壓下長期運行，延長了電潛泵的使用壽命，節(jié)約油井維修維護(hù)費用，使電動泵機(jī)組工作在最佳工況，電潛泵采油效率大為提高，并提高了功率因數(shù)，提高了電網(wǎng)的供電能力，節(jié)電效果明顯。事實證明，只要將變頻調(diào)速與控制技術(shù)很好地結(jié)合，油田電潛泵系統(tǒng)一定會獲得良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。