智能注水井单层段控制策略研究.doc

智能注水井单层段控制策略研究摘要：针对采汕工程智能注水工艺中单层段流量测调过程具有强非线性、层间干扰、时变性、模型复杂 等特点，采用传统的基丁模型控制策略无法满足控制耍求，捉岀了新型双核结构的变间距口适应模糊控 制策略，以流量误差和流量误差变化率作为控制器输入端，通过子模糊控制器修正主模糊控制器的 输入和输出论域的伸缩因子，实现控制量论域随变量参数进行变间距调节，并简化了变论域模糊控制器 的设计和实现仿真实验表明，该控制策略应用于智能注水井单层段流量控制系统中，使系统获得了较 好的控制性能，缩短了响应吋I'可，减小了超调量关键词：御能注水井变间距自适应模糊控制1引言现阶段我国汕出的己经处于特高含水采汕期， 该时期的特点为采油产量逐年减少，原油水含量逐 年升高⑴特高含水期给注水采油工程带來如下矛 盾：随着注水井数量和注水层数的增加，测调工作 量的不断增人，现有的测调人员和设备难以满足测 调要求［叫 注水层各层间才厉越来越严重，无法达 到合格的注水要求⑶；现采用的注水工艺不能实现 对井下工作参数的长期监控，无法实现对注水流量 的实时调配，不利于开采剩余油藏⑷为了实现特高含水开发期“长期稳产”的口标, 不仅需要对注采结构进行了调整，而且需要一套适 合于特高含水期的有效注水工艺配套技术，因此， 大庆油FH研制了一套注水井智能测调工艺技术，即 将数字化多信息测试与流量控制结合成统一整体置 于井下，长期自动对各分注层段的工作状况进行监 控，在自定义的调配周期内迓行同步动态流量调配 t5Jo但该工艺具有强非线性、层间干扰、时变性、 模型复杂等特点，采川传统的基丁•模型控制策略无 法满足控制要求。

随着控制技术的发展，模糊控制以模仿人类思 维形成一种智能化控制方法，得到广泛应用⑹0 前，在模糊控制规则的自调整技术方曲已开展了许 多研究工作，设计了不同类型的模糊控制器，如参 数模糊向整定PID控制器⑺、口适应模糊控制器⑻、 基于遗传算法模糊控制器［9】、自调整因子的模糊控 制器等其中，变论域自适应模糊控制具有对模型 无准确要求、响应快速、鲁棒性好、适应性强等优 点鉴于此，针对分层注水工艺流量控制要求，本 文设计了基于变论域自适应模糊算法单层段流量控 制器，以提高测调系统的响应速度及减小超调量， 缩短测调时间，在井下电能一定的条件下，有效地 缩短测条周期2智能注水井单层段控制工艺分析注水井每层段需根据地质配注要求周期性的监 控和测调注入流量，具体为各层段基于高精度同步 吋钟技术同吋唤醒各层段控制器，然）fi开启流量闭 环控制模块进行测调，以达到标定流量，同时记录 测调过程的历史工艺参数（流量、温度及压力值）， 若在标定时间内没有达到标定流量，则放弃控制执 行电机，进入下次休眠状态，以保障电量的合理使 用；若判断电机驱动电流过大，则进入止反转测调, 以解决堵塞口有异物等现象该测调工艺属典型的非线性、时变性及动态耦 合系统，测调时间往往都达到了标定时间，在电池 组功率一定的前提下，严重晒牲了测调次数，其影 响因素有以下儿点：① 注水层数一般大于4层，各 层段的测调过程注水压力的变化影响管线主通道压 力的变化，导致严重的层间干扰；②不同注水井井 压等工艺参数存在不确定性，传统PID流量闭坏控 制适应性差，易出现较大超调量及振荡现彖；③ 各 层段吸水能力随注入量的增加体现出不确定变化；④ 堵塞器的开口为楔形螺旋结构，对执行机构为电 机而言，转动角度与注水调整童呈典型的强非线性;⑤ 系统采川涡街流量计进行注入量的检测，其检测 原理决定了系统的滞后性（涡街流量计需稳定的液 体流场）。

可见，注水井单层段测调工艺控制需设计一-种 不依赖于模型、适应性强控制器满足注水工艺的要 求，具体表现为：① 测调工艺过程的实时性要求， 快速的分析测调工艺参数（实际注入量）和调整堵 塞器的开口度调幣关系；②测调工艺过程的时变、非线性控制要求，控制器总能根据当前的检测工艺 参数情况自行寻求一组最合适的调整值，并能实现 非线性映射的逼近，即控制器木身也必然具备结构 及参数可变的特征；③测调工艺过程动态解耦要 求，即在完成注入量精确跟踪的前提下实现相对动 态值的寻优，同吋要严格控制其超调量，以防止出 现憋压或泻压等现象的发生3单层段流量控制策略设计模糊控制器本质上就是插值器文献11逐一证 明了目前常用的模糊控制模型如Mamdani模型、 Mizumoto模型、Sugeno模型、Takagi模型等均可归 结为某种插值函数在插值的意义下，作为表示模 糊推理前提的模糊集恰为插值的基函数，由插值得 到的控制函数是否充分地逼近真实控制函数，取决 于模糊集峰点之间的距离，因而形成了变论域的概 念本为基于这一思想设计的智能注水工艺单层段 流量控制策略方案如图1所示变论域模糊控制器调整原理为：子模糊控制器 根据不同时刻的e和ec的大小，通过工程技术知识 及实际操作经验得出仲缩因子规则库，推理计算出 输入伸缩因子少、E，输出伸缩因子0，分别调整 e,ec,u的论域大小。

然后主模糊控制器再做模糊推理 及解模糊，计算出u,控制电机转动，达到自动调 节单层段注入流量的目的Fig. 1 Principle of adaptive fuzzy controller of variable uni vers （原图徐胜男）为了得到满意的控制精度，输入量取：误差 e(t)=Q0(t)-Q(t),误差变化率 ec(t)=e(tj -e(t2)=de(t)/dt, 基本论域e,ec=[-6,6] , e,ec上的模糊划分为 A,B={NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}输出控 制量u,其基本论域u=[・3,3], u上的模糊划分为 U={NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB},该控制量 实现电机的驱动量化因子：ke =0.5, kec =0.5 o比 例因子：ku= 1 o模糊控制器的输入输出分别为：eN = ke. e(t), ecN = kec • ec(t) (1)uN=ku.u(t) ⑵c,cc,u隶属函数均取三角形隶属函数采用带有 乘机推理机，单-值模糊器、中心平均解模糊器的模 糊系统，模糊控制规则形式为：If e is NB and ec is NB, then u is NB.基于模糊规则库构成的双输入单输出模糊控制 器可表示为一个2元插值函数：r qw(o =尸仗⑴心⑴)=Aoa))d(%、(/))＜如/=1 J=1⑶模糊控制规则表如表1所示。

Table 1 Fuzzy control ruleseecNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNBNBNMZEZENMNBNBNBNBNMZEZENSNMNMNMNMZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPMPSNSNSZEPMPMPMPMPMZEZEPMPBPBPBPBPBZEZEPMPBPBPBPB在文献12中提出几种常见的论域伸缩因子函 数模型，但对于不同的控制系统其参数往往很难确 定，对于复杂系统，其至还需要在控制过程中动态 修正参数值，才能满足控制要求仿照模糊控制系 统对人类操作模糊问题的思维过程的模拟，本文利 用模糊规则的思想来描述论域的伸缩因子，只需掌 握论域伸缩变化的规律即可，大大的简化了变论域 模糊控制器的设计和实现设输入变量e和ec各自论域的收缩因子为少、 勺，输出量u的论域伸缩因子为0,伸缩因子 a = a}=a2. 0的论域为[0,1],模糊划分为C, D={ZE, VS, S, SB, M, B, VB},选择三角形隶 属函数当输入屋e和cc较大，且两者符号相同时，表 明实时流量•给定流量间有较大的差距，且实时流 量有增大的趋势，因此0应取最人值以使输出论域 扩张。

同理输入量e和ec较人时，输入仲缩因子Q 也较大，输入论域扩张同样采用带有乘机推理机, 单值模糊器、中心平均解模糊器的模糊系统，模糊 控制规则形式为：If c is NB and cc is NB, then a is VB.If e is NB and ec is NB, then is VB・建立伸缩因子规则库，如衣2、表3所示Table 2 Rules for input contraction-expansion factoreecNBNMNSZEPSPMPBNBVBBMSBMBVBNMBMSBSSBMBNSMSBVSVSVSSBMZESBSVSZEVSSSBPSMSBVSVSVSSBMPMBMSBsSBMBPBVBBMSBMBVBTable 3 Rules for output contraction-expansion factoreecNBNMNSZEPSPMPBNBVBVBVBSvsVSZENMVBVBBSBssSNSVBBBMvsMSBZEBBMZEMBBPSSBSBVSMBBVBPMSSSSBBVBVBPBZEVSVSSVBVBVB根据表2及相应的模糊划分，t时刻的伸缩因子 a =al = a2 和 0 为:加 幵 _X S A(eN (0)5, (ecN ⑴)旳a -—— (4)工 SAAeN(0)fi7(ecN(/))1=1 j=lZZ A(eN(ecN (O)Ayp = (5)X 工& (eN(f))B/(ecN(f))/=1 J=1带有模糊规则库、乘机推理机、中心平均解模 糊器的变论域自适应模糊系统形式为：U =…吋。

呼)严⑴0呛 X t A( % ⑴)3 (叫⑴)”台缶 «iXeN(r) a. xecN(r)⑹ 其中m和n分别为e和ec的模糊划分，均取7, Ai 和Bj为c和ec的隶属函数，a.； > 0〃、石分别为输 入伸缩因子、输出伸缩因子、变论域后对应的输出 的峰值，2设置5由上述伸缩因子规则库，具体修正过程为：根 据伸缩因子的初值g = 0=1,系统完成第一次采样, 计算出偏差e和偏差变化率ec,查询伸缩因子规则 库，确定0的值，如此反复根据伸缩因子规则 库对a利0进行修止4仿真实验及分析本文选择ma(lab7.0/simulink6.3作为仿真工具， 搭建早丁 •变论域口适应模糊控制策略的单层流量控 制系统如图2所示实际流量与给定流量比4交后， 其差值输出到图2的输入端口 Ini系统的输出端口 Outl,控制直流电机转动为了检验所设计的变论域口适应模糊控制器的 控制性能及效果，采用传统PID控制、变论域口适 应模糊控制进行仿真验证，如图3所示由该系统阶跃响应曲线町知，传统PID控制系 统超调较大,超调量5 =40.05%,上升时间tp= 12.25s, 调节时间ts=30.45s；变论域口适应模糊控制系统，。