基于模糊控制的節能型復合液壓缸式抽油機設計

侯巖光， 趙 弘

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249)

引言

液壓抽油機具有運行平穩、體積小、無極調速、結構緊湊、動力大等優點[1-5]，特別適用于深井、稠油井等特殊工況下的油田，大大提高了油田產能，開采經濟性顯著提高，得到了廣泛的應用；但是，在生產過程中抽油桿頻繁升降，上升過程中，抽油桿由于自重導致重力勢能很大，下落過程中需克服摩擦，重力勢能轉化為熱能[6-9]，造成了能量損失、換向不平穩的問題。

因此，本研究設計了一種采用蓄能器回收能量的復合液壓缸式抽油機，在AMESim中搭建了系統模型，采用恒功率可調的變量泵的控制策略，通過模糊控制優化抽油桿速度特性曲線，使得抽油桿換向時速度趨于平穩。

1 節能型復合液壓缸式抽油機工作原理

本研究設計的是無梁式液壓抽油機，采用復合缸作為動力執行機構，采用液壓蓄能器進行蓄能，液壓抽油機的外部結構圖如圖1所示，復合液壓缸的柱塞上部安裝與之相適應的動滑輪及其支架，在缸筒上安裝定滑輪，構成了液壓抽油機基本的外形結構。

液壓回路系統圖如圖2所示，復合液壓缸由大活塞缸和小柱塞缸構成，有Q1，Q2，Q33個油腔。Q3油腔的油口與液壓蓄能器相連，Q2，Q1油腔的油口分別連接三位四通電液換向閥的2個油口，在換向閥的作用下，Q2，Q1油腔的油口交替連接高低油壓[10]，溢流閥控制Q3腔液壓蓄能器的最高壓力。

圖1 液壓抽油機外部結構圖

1.復合液壓缸 2.蓄能器 3.電液換向閥4.變量泵 5.單向閥 6.溢流閥圖2 液壓回路系統

首次運行時，電液換向閥切換至左位，高壓油進入Q1腔，Q2腔回油，液壓泵通過單向閥向Q3腔輸入高壓油，復合液壓缸的內缸做舉升動作，開始上沖程；當內缸上升到極限位置時，換向閥切換到右邊，此時，Q1腔回油，高壓油進入Q2腔，內缸向下運動，開始下沖程，Q3腔的液壓油在壓力的作用下進入蓄能器，進行儲能；當抽油桿下行到極限位置時，換向閥切換到左位，高壓油進入Q1腔，Q2腔回油，液壓蓄能器釋放能量，開始上沖程，如此循環往復，實現抽油。

2 節能式復合液壓缸式抽油機設計

2.1 恒功率可調變量泵的控制策略設計

變量泵的恒功率控制原理如圖3所示，由控制泵壓力源、控制變量缸、流量反饋信號、壓力反饋信號，目標功率5部分組成。采用斜盤式軸向變量柱塞泵，通過調整泵內斜盤傾角來達到控制排量的效果[11]。變量泵開始工作時，將其排量信號轉換為流量反饋信號，與系統的壓力反饋信號相乘，計算得到泵的實際輸出的功率，然后與目標功率作差，經比較當目標功率大于實際輸出功率時，輸入閥的電信號為正值，三位四通換向閥右位工作，控制變量缸的活塞向右移動，通過rotary-linear元件將位移信號變換為轉角信號反饋到變量泵，變量泵排量增大，由于電動機轉速恒定，進而變量泵流量增大，不換向工作時系統壓力不變，最終使變量泵的功率增大至目標功率[12]；反之同理，由此實現恒功率控制的效果。

圖3 恒功率變量泵控制原理圖

2.2 模糊控制器設計

模糊控制器由模糊化接口、規則庫、模糊推理和清晰化接口4部分組成。在模糊控制器工作中，首先通過模糊化接口將輸入模糊化，其次根據模糊規則進行模糊推理，最后通過清晰化接口將輸出解模糊化得到精確控制量[12]，原理如圖4所示。

圖4 模糊控制原理圖

模糊控制器加在控制變量缸三位四通電磁換向閥前，選擇變量泵的實際輸出功率與目標功率的誤差E和誤差變化率EC作為輸入變量，以控制器輸出的控制信號U作為輸出變量，三者變化范圍的模糊集合：E,EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，U={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；模糊子集：E,EC={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，U={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。

在MATLAB中建立兩輸入單輸出的模糊編輯器，輸入、輸出的隸屬度函數如圖5～圖7所示。

圖5 輸入變量E的隸屬度函數

圖6 輸入變量EC的隸屬度函數

圖7 輸出變量U的隸屬度函數

根據建立模糊控制規則的基本思想、基本原則以及專家知識經驗，設計了模糊控制規則表1。

表1 模糊控制規則表

2.3 蓄能器設計

本研究采用皮囊式蓄能器，其理想氣體狀態方程式如下[13]：

(1)

式中，[p0] —— 充氣壓力，MPa

V0—— 蓄能器的容積，L

n—— 氣體狀態常數

p1，p2—— 蓄能器充放能前、后壓力

化簡式(1)，得到：

(2)

將蓄能器的利用效率提高[14]，取系數0.9，即[p0]=0.9p1，代入式(2)中，化簡可得：

(3)

將式(3)代入pcp=(p1+p2)/2中，得到：

(4)

式中，pcp—— 蓄能器平均壓力

令：

(5)

設計抽油機的沖次為4次/min，那么可以把蓄能器的充能和放能的過程看成是絕熱的，取n=1.4，代入式(5)得：

(6)

由式(3)～式(6)可得：

(7)

由式(7)可知，確定了k的值，就可以確定p2，p1，[p0]的值；而k值的確定，關鍵是確定V0的值，V0的值越大，k值就越大(k值的極限是1)，p1的值就越接近p2。

ΔV為體積變化量，計算公式如下：

(8)

式中，D1—— 液壓缸外缸的內徑，m

d2—— 液壓缸內缸的外徑，m

S*—— 外缸的活塞行程，取S*=2.5 m

將數據代入式(8)，得ΔV=11.8 L。

選取V0=60 L的蓄能器，那么：

(9)

將k的值代入式(7)中，得到：p2=12.5 MPa，p1=8.9 MPa，[p0]=8 MPa。

因此，設定液壓蓄能器的初始充氣壓力為8 MPa，蓄能器的最大壓力為12.5 MPa，蓄能器的最小壓力為9 MPa，蓄能器的體積變化為11.8 L。

3 基于AMESim/Simulink建模與仿真分析

本研究設計的抽油機采用蓄能器-復合液壓缸式的結構，具體參數如表2所示。

表2 復合液壓缸式抽油機的設計參數

3.1 未加模糊控制系統的建模與仿真

根據復合液壓缸設計參數，選取電機和變量泵的同步轉速為1500 r/min，溢流閥最小壓力設定為15 MPa，設計如圖8所示的AMESim仿真模型[15]，仿真時間為60 s。

抽油桿在上下行程的工作循環中，懸點載荷F變化曲線如圖9所示，懸點位移x變化曲線如圖10所示，懸點速度v變化曲線如圖11所示。

從圖9中可以看出，懸點載荷最小值為60 kN，最大值為100 kN，在15 s的周期內進行一個循環，變化平穩。在圖10中，懸點的位移變化曲線在0～5 m的沖程上不間斷循環，實現了在1 min內4個沖程的要求。在圖11中，上行程工況中速度波動從0.29 m/s變化到0.34 m/s，持續約2 s后速度穩定以后為0.32 m/s；下行程工況中速度波動從-0.41 m/s變化到-0.30 m/s，速度穩定以后為-0.34 m/s，分析此處的速度波動是由于控制過程中換向閥的延時。

圖8 AMESim仿真模型

圖9 懸點載荷變化曲線

圖10 懸點位移變化曲線

3.2 加入模糊控制系統的建模與仿真

系統加入模糊控制器，MATLAB/Simulink與AMESim聯合仿真，在AMESim中液壓系統圖如圖12所示，在Simulink中模糊控制器如圖13所示。

圖13 Simulink模糊控制器圖

圖11 懸點速度變化曲線

圖12 AMESim液壓系統圖

圖14 模糊控制懸點速度變化曲線

模糊控制懸點速度變化曲線如圖14所示，模糊控制前后速度超調量M變化曲線如圖15、圖16所示。加入模糊控制后，上行程速度波動階段幅度為0.326～0.314 m/s，且波動越來越小，直至速度穩定；下行程速度波動階段幅度為-0.353～0.331 m/s，且波動越來越小，直至速度穩定，超調量由原來的20.6%降到3.82%，說明模糊控制適合此液壓系統抽油桿速度曲線的優化。

圖15 未加模糊控制的速度超調量變化曲線

圖16 模糊控制的速度超調量變化曲線

3.3 蓄能器節能效果仿真分析

無蓄能器變量泵的出口流量及壓力圖、 有蓄能器變量泵的出口流量及壓力圖、蓄能器氣體體積變化曲線、蓄能器壓力變化曲線以及變量泵功率對比圖分別如圖17～圖21所示。

圖17 無蓄能器變量泵的出口流量及壓力圖

圖18 有蓄能器變量泵的出口流量及壓力圖

由圖17、圖18可知，系統是否安裝蓄能器對變量泵出口壓力ps沒有影響，出口壓力隨著懸點載荷的變化而改變；而變量泵的出口流量q發生改變。由圖19、圖20可知，蓄能器在4個周期內按照預定的設想循環，在剛開始的上沖程中，蓄能器為系統提供能量，使抽油桿能夠按照預定的軌跡上升；同時在下沖程，蓄能器吸收能量，體積減小，壓力增大，開始蓄能過程，等下一個沖程到來時，提供能量，不間斷地循環完成抽油過程。

圖19 蓄能器氣體體積變化

圖20 蓄能器氣體壓力變化

圖21 變量泵功率對比圖

蓄能器釋放的能量為：

(10)

蓄能器釋放功率為：

(11)

由圖21可知，當達到穩定工作狀態，無蓄能器時變量泵功率為33 kW；安裝蓄能器時變量泵的功率為17 kW，能夠節能48%。

4 結論

本研究設計的節能型復合液壓缸式的抽油機，仿真結果得出變量泵的恒功率控制策略具有良好的工作特性，使得懸點速度滿足沖程要求；模糊控制變量泵具有良好的流量特性，使得抽油桿換向時速度波動超調量由原來的20.6%降到3.82%；蓄能器的體積、壓力以及泵的壓力、流量和功率對比曲線證明了液壓抽油機具有很好的節能效果，能夠節能48%。