油田輸油泵機械裝置智能專家PID控制系統的設計

魏 亭，楊盛泉，劉海泉

（西安工業大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安710021）

油田輸油泵機械裝置主要由進油機械管道、原油過濾器、流程切換閥、螺桿輸油泵、電機、油氣分離罐、故障緩沖罐、流量傳感器、壓力傳感器、安全閥門、調節閥門、外輸機械管道等組成[1]。不同油田的油井輸油泵機械裝置根據工藝與產能要求不同，設計上有部分細節會略有差異，但是其工作原理基本一樣。

油田輸油泵機械裝置是實現從油井來油進行過濾、緩存、分離、加壓、外輸等非常重要的動力設備。因油井來油壓力經常處于大范圍的波動，但是外輸要求必須處于一個較為恒定的壓力范圍，如果壓力過低，對于長距離輸送會造成動力不足，如果壓力過大，可能會造成管路破裂，進而原油泄漏，給油田企業造成損失并形成生態災難。目前大部分油泵機械裝置壓力調控采用常規PID算法。因為輸油泵管路壓力調控具有動態非線性滯強，輸入輸出耦合復雜，呈現出大慣性、多時變的運行狀態，常規PID壓力調控算法一般參數通過靜態自整定或者經驗模式獲得，非常難適應這種動態非線性大時滯油路壓力調節，因而對原油正常生成與輸送帶來很大的隱患。

專家系統（Expert System）是人工智能（Artificial Intelligence）技術的一個重要分支，它利用知識庫與推理機對目標進行非線性的控制，將專家系統跟常規PID算法結合起來對輸油泵裝置進行動態壓力控制，就可以實現人工智能與增量常規PID算法的有機組合[2]，發揮各自的長處，使得系統在任何外界變量環境下都能得到更好的動態穩壓性能，有效保護了輸油泵機械管路的安全并且保障了油田企業的長期穩定生產。

1 輸油泵機械裝置智能專家PID控制算法的設計

裝置專家PID控制算法的實質是基于油田輸油泵輸出管道壓力等按來油管道的壓力與流量多種狀況的規律以及適應各種經驗調控手段，結合人工智能專家系統推理使用智能知識參數來動態設置常規增量型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驗知識控制理論與常規增量型PID控制算法有機組合的優化的復合控制器算法。

根據專家系統為基于知識的推理分析控制系統理論與增量型PID控制要求，結合輸油泵機械裝置控制特征，設計的輸油泵機械裝置專家控制原理結構如圖1所示。

圖1 輸油泵機械裝置專家PID系統控制原理圖

機械裝置運行原理說明如下[3]：

（1）機械裝置原油管路輸入壓力函數為PV（t），工藝上管路設定壓力函數為SP（t），t為運行時間，e（t）=PV（t）-SP（t），其表達的是運行偏差。因為管路的來油量是油井直接或者間接輸送而來，來油的流量與壓力是動態變化的，因此PV（t）是一個上下波動的曲線函數，但是一般外輸管路的壓力要求處于一個較為穩定的區間，因此SP（t）一般表現為一個常量函數。

（2）機械裝置推理機構（Reasoning Agency），它為專家PID的神經中樞。常規的推理機是在一定的控制方法或者算法策略下，專家PID系統根據問題信息（用戶與專家系統交流的信息）及知識庫中的知識執行對問題的求解[4]。本系統中，推理機根據輸入的e（t）處于不同的閾值范圍以及t處于不同的時間階段，搜索機械裝置控制知識庫，得到一個控制H（FP，FI，FD，EV，EK）五元組，其提供給增量型PID控制器進行運算。

（3）知識庫（Knowledge Base）是指專家PID系統設計所應用的控制規則集合，包含邏輯規則所聯系的事實及數據，它們的全體構成壓力測控知識庫。本系統中，知識庫提供輸油泵機械裝置各種情況下增量型PID對油泵變頻器調控效果的知識，它由自動變頻控制理論、油泵專家知識和現場油泵操作人員經驗產生。知識庫規則指的是對專家經驗數學化、計算機化的表達，其主要表現為IF-ELSE邏輯推理規則。

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

（5）自學習評價是專家PID系統的自循環優化人工智能自學習評價機構，它動態地根據機械裝置原油管路壓力調控效果的好壞，決定是否需要繼續優化保留當前H（FP，FI，FD，EV，EK）五元組或者剔除該參數，使得知識庫中最大程度動態優化知識規則。

2 輸油泵機械裝置增量型PID控制算法設計

在工業控制系統中，PID控制算法是最為常見的較為成熟的過程控制算法，它結合了比例（Proportional）、積分（Integral）和微分三種環節于一體的閉環循環模式[5]。閉環控制是根據控制對象的測量值與設定值的偏差進行輸出調整，一段時間后再看測量是否符合設定要求，這樣一直反復進行下去，其目標使得當測量值與設定值出現偏差時，按定額參數或動態參數來進行糾正輸出，最終實現測量值動態跟隨設定值。

經典的PID控制算法因公式結構簡單、運行穩定性好、輸出波動小、重復性好，而成為工業連續控制的主流技術，在溫度、壓力、流量等方面得到了廣泛應用。當被控對象的運行規律和控制參數不能完全通過數學模型進行描述，采用PID控制技術最為方便。

油泵機械裝置中，PID控制器算法如公式（1）所示。

其中，Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；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離散化變為差分方程，經過離散化，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過去的狀態有關，它用到了誤差的累加值，容易產生大的累加誤差，另外它計算繁瑣，而且保存e（k）數組需要占用很多內存，運行過程中容易產生較大的閥位突變，因此在工業控制中位置型PID算法不太常用。

將位置型PID算法公式經過數學差值演變運算，即用第K次的OP減去第K-1次的OP數值，得到如下增量型PID算法公式（3）：

增量式PID算法易于實現手動/自動的無擾動切換，不產生積分失控。由于增量式PID輸出的是控制量每個周期的Delt增量，如果計算機、傳感器或者電氣儀表出現故障，閥門調節誤動作影響較小，而執行機構本身有記憶開度功能，可仍保持原來的開度，通常不會嚴重影響測控系統的工作，而位置式PID算法的輸出直接對應閥門對象的輸出，因此對系統管路閥門壓力穩定影響較大。

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

其算法偽代碼表示如下：

3 輸油泵機械裝置智能專家PID控制系統設計

輸油泵機械裝置控制系統設計成如圖2所示的三層結構：感知輸出層、邏輯控制層、應用顯示層。輸油泵機械裝置控制系統主調度模塊為本系統的主循環控制程序，是本系統的主調度模塊，它采用后臺周期循環方式與事件驅動方法進行編程。油泵機械裝置控制系統主調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、應用顯示層中模塊的運行。這三層結構包含的模塊有：傳感采集模塊、變頻閥門輸出模塊、基本邏輯控制模塊、專家PID控制模塊、數據記錄顯示模塊以及動態曲線報表模塊等。

圖2 輸油泵機械裝置智能專家PID控制模塊組成

這三層包含的模塊詳細內容描述如下：（1）傳感采集通信模塊：輸油泵機械裝置需要采集管路油溫、管路油壓、過濾器壓力、燃氣壓力、閥門開度、變頻器當前信息，這些信息可以采用RS485或者Modbus TCP的通信協議獲取。（2）變頻閥門輸出模塊：當系統經過邏輯運算，需要本模塊輸出控制油泵啟動或者停止命令或者閥門開啟或者關閉，最為核心的是實現調控PID得到的OP送給變頻器功能。（3）基本邏輯控制模塊：實現輸油泵機械裝置的基本設備啟停與安全運行的條件邏輯運算，比如油泵溫度超高，立刻停泵運行，或者環境燃氣濃度過高，立刻報警處理。（4）專家PID控制模塊：該模塊為本系統的神經中樞，通過專家系統理論結合增量型PID算法綜合運算，通過推理機動態檢索知識庫，動態設置合適的PID參數進行運算輸出，實現系統外輸壓力動態跟隨設定壓力，以達到安全平穩輸油的目的。（5）數據記錄顯示模塊：該模塊實現將現場采集的管路壓力、管路溫度、燃氣壓力、運行參數動態記錄到數據庫中，并且可以隨時通過表格的形式查看。（6）動態曲線報表模塊：該模塊實現將記錄到數據庫的各個傳感器數據以折線圖的形式直觀顯示，并且根據用戶需要可以輸出打印報表。

4 結束語

基于本文提出的理論框架，應用面向對象的開發技術設計并實現了本系統，該系統具有實時采集輸油泵各種傳感數據如溫度、流量、閥位、壓力等測量數據，根據用戶設定外輸管路壓力，可以動態平穩地輸油。系統運行過程中，操作人員或者油泵專家可以輸入增量型PID的各種條件下經驗參數存到知識庫中，系統后臺可以周期性地記錄各種測量數據與設定數據以及故障數據，用戶可以隨時查看測量壓力與設定壓力動態曲線。

本系統在國內某油田企業得到成功應用，其運行效果得到了用戶的好評，跟傳統的PID控制的輸油泵相比，本系統具有故障率低、輸油壓力穩定、輸油效率高等優點。本文提出的結合專家系統理論與傳統增量型PID控制算法，發揮了二者的各自長處，可以為工業控制領域類似的測控系統提供較好模板與榜樣，具有較高的推廣應用價值。