油田輸油泵機械裝置智能專家PID控制系統(tǒng)的設(shè)計

魏 亭，楊盛泉，劉海泉

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)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(diào)節(jié)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(jù)工藝與產(chǎn)能要求不同，設(shè)計上有部分細節(jié)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(xiàn)從油井來油進行過濾、緩存、分離、加壓、外輸?shù)确浅Ｖ匾膭恿υO(shè)備。因油井來油壓力經(jīng)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(yè)造成損失并形成生態(tài)災(zāi)難。目前大部分油泵機械裝置壓力調(diào)控采用常規(guī)PID算法。因為輸油泵管路壓力調(diào)控具有動態(tài)非線性滯強，輸入輸出耦合復(fù)雜，呈現(xiàn)出大慣性、多時變的運行狀態(tài)，常規(guī)PID壓力調(diào)控算法一般參數(shù)通過靜態(tài)自整定或者經(jīng)驗?zāi)Ｊ将@得，非常難適應(yīng)這種動態(tài)非線性大時滯油路壓力調(diào)節(jié)，因而對原油正常生成與輸送帶來很大的隱患。

專家系統(tǒng)（Expert System）是人工智能（Artificial Intelligence）技術(shù)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(tǒng)跟常規(guī)PID算法結(jié)合起來對輸油泵裝置進行動態(tài)壓力控制，就可以實現(xiàn)人工智能與增量常規(guī)PID算法的有機組合[2]，發(fā)揮各自的長處，使得系統(tǒng)在任何外界變量環(huán)境下都能得到更好的動態(tài)穩(wěn)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(yè)的長期穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 輸油泵機械裝置智能專家PID控制算法的設(shè)計

裝置專家PID控制算法的實質(zhì)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(guī)律以及適應(yīng)各種經(jīng)驗調(diào)控手段，結(jié)合人工智能專家系統(tǒng)推理使用智能知識參數(shù)來動態(tài)設(shè)置常規(guī)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(jīng)驗知識控制理論與常規(guī)增量型PID控制算法有機組合的優(yōu)化的復(fù)合控制器算法。

根據(jù)專家系統(tǒng)為基于知識的推理分析控制系統(tǒng)理論與增量型PID控制要求，結(jié)合輸油泵機械裝置控制特征，設(shè)計的輸油泵機械裝置專家控制原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸油泵機械裝置專家PID系統(tǒng)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(shù)為PV（t），工藝上管路設(shè)定壓力函數(shù)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(tài)變化的，因此PV（t）是一個上下波動的曲線函數(shù)，但是一般外輸管路的壓力要求處于一個較為穩(wěn)定的區(qū)間，因此SP（t）一般表現(xiàn)為一個常量函數(shù)。

（2）機械裝置推理機構(gòu)（Reasoning Agency），它為專家PID的神經(jīng)中樞。常規(guī)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(tǒng)根據(jù)問題信息（用戶與專家系統(tǒng)交流的信息）及知識庫中的知識執(zhí)行對問題的求解[4]。本系統(tǒng)中，推理機根據(jù)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，F(xiàn)I，F(xiàn)D，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(tǒng)設(shè)計所應(yīng)用的控制規(guī)則集合，包含邏輯規(guī)則所聯(lián)系的事實及數(shù)據(jù)，它們的全體構(gòu)成壓力測控知識庫。本系統(tǒng)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(diào)控效果的知識，它由自動變頻控制理論、油泵專家知識和現(xiàn)場油泵操作人員經(jīng)驗產(chǎn)生。知識庫規(guī)則指的是對專家經(jīng)驗數(shù)學(xué)化、計算機化的表達，其主要表現(xiàn)為IF-ELSE邏輯推理規(guī)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(tǒng)e（t）誤差，提高油泵系統(tǒng)調(diào)控管路快速符合設(shè)定壓力響應(yīng)速度和響應(yīng)效果，它需要推理機構(gòu)為其提供合適的比例系數(shù)FP、積分系數(shù)FI、微分系數(shù)FD以及專家條件限制EV、EK。

（5）自學(xué)習(xí)評價是專家PID系統(tǒng)的自循環(huán)優(yōu)化人工智能自學(xué)習(xí)評價機構(gòu)，它動態(tài)地根據(jù)機械裝置原油管路壓力調(diào)控效果的好壞，決定是否需要繼續(xù)優(yōu)化保留當前H（FP，F(xiàn)I，F(xiàn)D，EV，EK）五元組或者剔除該參數(shù)，使得知識庫中最大程度動態(tài)優(yōu)化知識規(guī)則。

2 輸油泵機械裝置增量型PID控制算法設(shè)計

在工業(yè)控制系統(tǒng)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(jié)合了比例（Proportional）、積分（Integral）和微分三種環(huán)節(jié)于一體的閉環(huán)循環(huán)模式[5]。閉環(huán)控制是根據(jù)控制對象的測量值與設(shè)定值的偏差進行輸出調(diào)整，一段時間后再看測量是否符合設(shè)定要求，這樣一直反復(fù)進行下去，其目標使得當測量值與設(shè)定值出現(xiàn)偏差時，按定額參數(shù)或動態(tài)參數(shù)來進行糾正輸出，最終實現(xiàn)測量值動態(tài)跟隨設(shè)定值。

經(jīng)典的PID控制算法因公式結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定性好、輸出波動小、重復(fù)性好，而成為工業(yè)連續(xù)控制的主流技術(shù)，在溫度、壓力、流量等方面得到了廣泛應(yīng)用。當被控對象的運行規(guī)律和控制參數(shù)不能完全通過數(shù)學(xué)模型進行描述，采用PID控制技術(shù)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(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；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?yōu)椴罘址匠蹋?jīng)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(tài)有關(guān)，它用到了誤差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差，另外它計算繁瑣，而且保存e（k）數(shù)組需要占用很多內(nèi)存，運行過程中容易產(chǎn)生較大的閥位突變，因此在工業(yè)控制中位置型PID算法不太常用。

將位置型PID算法公式經(jīng)過數(shù)學(xué)差值演變運算，即用第K次的OP減去第K-1次的OP數(shù)值，得到如下增量型PID算法公式（3）：

增量式PID算法易于實現(xiàn)手動/自動的無擾動切換，不產(chǎn)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(xiàn)故障，閥門調(diào)節(jié)誤動作影響較小，而執(zhí)行機構(gòu)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(tǒng)的工作，而位置式PID算法的輸出直接對應(yīng)閥門對象的輸出，因此對系統(tǒng)管路閥門壓力穩(wěn)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(diào)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(tǒng)設(shè)計

輸油泵機械裝置控制系統(tǒng)設(shè)計成如圖2所示的三層結(jié)構(gòu)：感知輸出層、邏輯控制層、應(yīng)用顯示層。輸油泵機械裝置控制系統(tǒng)主調(diào)度模塊為本系統(tǒng)的主循環(huán)控制程序，是本系統(tǒng)的主調(diào)度模塊，它采用后臺周期循環(huán)方式與事件驅(qū)動方法進行編程。油泵機械裝置控制系統(tǒng)主調(diào)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(yīng)用顯示層中模塊的運行。這三層結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)記錄顯示模塊以及動態(tài)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(nèi)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(xié)議獲取。（2）變頻閥門輸出模塊：當系統(tǒng)經(jīng)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(guān)閉，最為核心的是實現(xiàn)調(diào)控PID得到的OP送給變頻器功能。（3）基本邏輯控制模塊：實現(xiàn)輸油泵機械裝置的基本設(shè)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(huán)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(tǒng)的神經(jīng)中樞，通過專家系統(tǒng)理論結(jié)合增量型PID算法綜合運算，通過推理機動態(tài)檢索知識庫，動態(tài)設(shè)置合適的PID參數(shù)進行運算輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)外輸壓力動態(tài)跟隨設(shè)定壓力，以達到安全平穩(wěn)輸油的目的。（5）數(shù)據(jù)記錄顯示模塊：該模塊實現(xiàn)將現(xiàn)場采集的管路壓力、管路溫度、燃氣壓力、運行參數(shù)動態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫中，并且可以隨時通過表格的形式查看。（6）動態(tài)曲線報表模塊：該模塊實現(xiàn)將記錄到數(shù)據(jù)庫的各個傳感器數(shù)據(jù)以折線圖的形式直觀顯示，并且根據(jù)用戶需要可以輸出打印報表。

4 結(jié)束語

基于本文提出的理論框架，應(yīng)用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了本系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實時采集輸油泵各種傳感數(shù)據(jù)如溫度、流量、閥位、壓力等測量數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶設(shè)定外輸管路壓力，可以動態(tài)平穩(wěn)地輸油。系統(tǒng)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(jīng)驗參數(shù)存到知識庫中，系統(tǒng)后臺可以周期性地記錄各種測量數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)，用戶可以隨時查看測量壓力與設(shè)定壓力動態(tài)曲線。

本系統(tǒng)在國內(nèi)某油田企業(yè)得到成功應(yīng)用，其運行效果得到了用戶的好評，跟傳統(tǒng)的PID控制的輸油泵相比，本系統(tǒng)具有故障率低、輸油壓力穩(wěn)定、輸油效率高等優(yōu)點。本文提出的結(jié)合專家系統(tǒng)理論與傳統(tǒng)增量型PID控制算法，發(fā)揮了二者的各自長處，可以為工業(yè)控制領(lǐng)域類似的測控系統(tǒng)提供較好模板與榜樣，具有較高的推廣應(yīng)用價值。