可控震源電控箱體安裝標(biāo)定淺析

武永生，尚永生，封召鵬，嚴(yán) 皓，焦保森，翟金浩

(中國石油集團(tuán)東方地球物理公司地震儀器研發(fā)項目組 河北 涿州 072750)

0 引 言

可控震源是一種以振動器連續(xù)沖擊地面而產(chǎn)生可以人為控制的地震波動的機(jī)械液壓震源?？煽卣鹪措娍叵潴w安裝在每一臺可控震源駕駛室內(nèi)，對可控震源的輸出力進(jìn)行計算和實時控制，同時生產(chǎn)完整的質(zhì)量控制(QC)數(shù)據(jù)體。可控震源是機(jī)械液壓等技術(shù)組合的復(fù)雜系統(tǒng)，電控箱體是集成了電子電路技術(shù)和伺服控制技術(shù)等的控制設(shè)備，可控震源與電控箱體的結(jié)合需進(jìn)行同步性匹配，從而使電控箱體更精準(zhǔn)地控制可控震源按照設(shè)計的目標(biāo)進(jìn)行掃描，這個過程就是電控箱體的安裝標(biāo)定或者重置。

但是在實際生產(chǎn)中，不少人卻忽略了這個匹配融合的過程，直接把可控震源電控箱體安裝在可控震源駕駛室就直接開始施工了，結(jié)果是在初始階段獲得的可控震源質(zhì)量數(shù)據(jù)往往比設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)值差一些。為避免這種情況發(fā)生，可控震源電控箱體在初次匹配可控震源進(jìn)行操作前，都需要進(jìn)行安裝標(biāo)定并進(jìn)行十次左右的振動掃描這個同步性匹配過程，以達(dá)到電控箱體對可控震源的精準(zhǔn)質(zhì)量控制。

1 電控箱體標(biāo)定前后的效果對比

在野外使用可控震源控制箱體時，當(dāng)箱體與可控震源第一次連接或者可控震源之間互換了箱體后，需要進(jìn)行重置并且還要做十次左右的掃描。當(dāng)一臺可控震源箱體在一臺可控震源上第一次使用時不做重置和進(jìn)行十次左右的掃描對數(shù)據(jù)會帶來不同的影響。圖1是同一箱體在標(biāo)定前后的質(zhì)控數(shù)據(jù)對比。數(shù)據(jù)獲取方法是：同一臺可控震源箱體與同一臺可控震源在同一個地點進(jìn)行實驗，掃描類型是線性掃描，掃描長度20 s，出力70%，掃描頻率6 Hz至46 Hz，起始斜波和終了斜坡都是500 ms。實驗過程：對這臺可控震源電控箱體不進(jìn)行重置和做十次左右的掃描，直接用VCA采集質(zhì)量數(shù)據(jù)；然后對這臺可控震源箱體進(jìn)行重置并再做十次左右掃描，再用VCA采集質(zhì)量數(shù)據(jù)。把前后兩種質(zhì)量數(shù)據(jù)的出力進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)同一臺可控震源箱體標(biāo)定前后所得的質(zhì)量數(shù)據(jù)的出力對比結(jié)果是在掃描開始時晚了將近0.5 s到達(dá)目標(biāo)值，而且整個掃描過程中標(biāo)定后的結(jié)果所得的出力的目標(biāo)值都比標(biāo)定前的更優(yōu)。

圖1 同一臺可控震源箱體是否進(jìn)行重置和十次掃描的 出力結(jié)果對比圖

2 電控箱體控制可控震源基本原理

可控震源箱體與可控震源之間信號連接如圖2所示。可控震源箱體在可控震源控制中的一個首要問題就是要測量震源的主要反饋信號，即：重錘和平板的加速度、重錘與閥的位移，這些反饋信號反過來又積極參與可控震源箱體對可控震源的控制。為了達(dá)到這個目的，在可控震源上安裝了非常精確的加速度表傳感器和LVDT(LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER)位移傳感器，兩個加速度表的安裝位置對測量結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性有重要意義。

圖2展示了可控震源箱體與可控震源的循環(huán)控制關(guān)系簡圖?？煽卣鹪聪潴w產(chǎn)生時鐘和參考信號，在時鐘信號作用下，可控震源箱體用參考信號與兩個加速度計測量到的加權(quán)結(jié)果進(jìn)行對比，做相位校正。在可控震源箱體控制可控震源掃描過程中，重錘加速度信號和平板加速度信號進(jìn)入可控震源箱體，然后進(jìn)入箱體里面的放大器，把重錘加速度值乘以重錘質(zhì)量，再加上平板加速度乘以平板質(zhì)量，獲得的加權(quán)和稱為地面力(通常稱輸出力)。計算出的可控震源輸出力信號被相位檢測器檢測相位誤差，如果可控震源輸出力信號相對于時鐘信號有延遲，驅(qū)動掃描參考信號將提前其相位來補(bǔ)償先前的延遲。同時，輸出力信號也被用于自動振幅鎖定控制，將輸出力實時峰值與預(yù)先設(shè)置的可控震源的壓重百分比的值進(jìn)行對比。如果輸出力的實時峰值超過壓重百分比預(yù)設(shè)值，就降低向力矩馬達(dá)提供的電流值；如果輸出力的實時峰值達(dá)不到壓重百分比預(yù)設(shè)值，就提高向力矩馬達(dá)提供的電流值。

圖2 可控震源箱體與可控震源之間控制信號連接簡圖

在可控震源箱體中建立的可控震源控制模型是為了表述系統(tǒng)輸入(送入到力矩馬達(dá)的電流信號)與輸出(基于2個加速度測量結(jié)果的輸出力信號)的數(shù)學(xué)關(guān)系，如式(1)：

(1)

式(1)中，GF為可控震源地面力；Mm為重錘質(zhì)量；am為重錘加速度；MBP為平板質(zhì)量；abp為平板加速度。根據(jù)牛頓第二定律，物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，且與物體質(zhì)量的倒數(shù)成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。在可控震源箱體中建立的系統(tǒng)輸入與輸出間的最終等式中包含了部分震源傳遞函數(shù)的概念。震源中的狀態(tài)變量，如重錘加速度、平板加速度，都與瞬時液壓輸出力有直接的關(guān)系，它們?nèi)Q于重錘油缸內(nèi)流量的變化，而流量的變化則由電控(力矩馬達(dá))閥控制[1]。模型參數(shù)的建立與辨識是在可控震源箱體與可控震源本身參數(shù)加載和連接信號測量中完成的，所以要把先前與別的可控震源建立的辨識重置，并通過十次左右的掃描重新建立可控震源箱體與這臺可控震源的適應(yīng)性。

3 標(biāo)定是適應(yīng)可控震源個體之間存在差異性的需要

目前全球有多個可控震源生產(chǎn)廠家，各個廠家的可控震源設(shè)計結(jié)構(gòu)又有所區(qū)別，但是主要組成部分和工作原理是相似的；而生產(chǎn)可控震源電控箱體的不同廠家的設(shè)計架構(gòu)和算法也是有區(qū)別的，可控震源勘探用的連續(xù)振動掃描信號就是由電控箱體控制，由振動器發(fā)出并傳給大地的。

同時，可控震源是一種機(jī)械液壓系統(tǒng)，它是由車架部分、動力部分、液壓系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、重錘和平板等結(jié)構(gòu)組合在一起的復(fù)雜的機(jī)械液壓系統(tǒng)。這么多的結(jié)構(gòu)組合在一起，雖然都是按照設(shè)計尺寸加工生產(chǎn)組裝起來的，但是它們之間的細(xì)微差別還是存在的，如重錘活塞腔的大小，平板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量等。再者，所使用的通用成品關(guān)鍵配件也會有細(xì)微差別，如伺服閥的機(jī)械零位不可能百分之百地都加工得絲毫不差。此外，加速表在重錘和平板上的安裝位置也不是所有的可控震源都完全一樣。如此多的差異性組合在一起，就可能導(dǎo)致不同的可控震源之間存在著差異性。

這些差異性的存在，使得在一臺可控震源上首次使用電控箱體或者更換可控震源箱體時就要考慮通過進(jìn)行重置和進(jìn)行十次左右的掃描，讓電控箱體里的控制模型在接收到可控震源本身的信號時做相應(yīng)的調(diào)整，與可控震源本身達(dá)到適應(yīng)性和同步性。

4 標(biāo)定是適應(yīng)復(fù)雜地表結(jié)構(gòu)的需要

在實際工作中，可控震源會遇到各種各樣的復(fù)雜地表，這些地表對振動響應(yīng)有著顯著的區(qū)別。在一臺可控震源上首次使用一個電控箱體時，面對不同的地表結(jié)構(gòu)，對其做重置和十次左右的掃描，讓可控震源箱體里的控制模型與施工區(qū)的地面響應(yīng)模型進(jìn)行識別，這個過程是將建立的數(shù)學(xué)模型與檢測結(jié)果進(jìn)行匹配擬合?？煽卣鹪聪潴w系統(tǒng)通過最優(yōu)控制技術(shù)達(dá)到減小控制相位誤差、降低輸出信號畸變、控制可控震源最大基值力輸出的效果[2]。可控震源模型本身只是一個數(shù)學(xué)表述，而模型的優(yōu)化(系統(tǒng)辨識)則通過4個觀測的測量結(jié)果來反映振動器與大地的物理特征(模型的輸出變量)：重錘加速度、平板速度、重錘位移和閥位移。這4個觀測的測量結(jié)果是從可控震源的數(shù)學(xué)控制模型中計算出來的，加上這些反饋增益，更好地讓可控震源系統(tǒng)模型與大地的模型相匹配，這也是質(zhì)量控制數(shù)據(jù)的解釋要根據(jù)地表條件的不同而有所區(qū)別的原因[3]。

5 電控箱體的安裝標(biāo)定技術(shù)

安裝標(biāo)定主要是指使用電控箱體里的數(shù)學(xué)控制模型標(biāo)準(zhǔn)對可控震源上的物理傳感器參數(shù)的準(zhǔn)確度(精度)進(jìn)行檢測，標(biāo)定也可以認(rèn)為是校準(zhǔn),主要作用如下。

1)確定電控箱體與可控震源系統(tǒng)的輸入—輸出關(guān)系，賦予可控震源系統(tǒng)分度值；

2)確定可控震源系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)；

3)消除可控震源系統(tǒng)誤差，改善可控震源系統(tǒng)的精確度。

4)在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，標(biāo)定是一個不容忽視的質(zhì)量保障措施。

安裝標(biāo)定的過程，根據(jù)可控震源型號，錄入可控震源的物理參數(shù)，包括重錘質(zhì)量，平板質(zhì)量、壓重、液壓峰值力、重錘有效行程和活塞面積。標(biāo)定時，電控箱體會檢測可控震源整個系統(tǒng)，包括重錘的位移和位置、平板的位置、伺服閥的位移和位置、重錘加速表的一致性和環(huán)路控制電壓、平板加速表的一致性和環(huán)路控制電壓、力矩馬達(dá)控制平衡電壓，以及重錘的有效使用行程[4]。也就是識別所有傳感器是否正常工作或存在故障，測試極性，計算增益，計算偏置值等。更重要的是這些檢測的參數(shù)值被用來參與電控箱體里的數(shù)學(xué)控制模型運算，運算結(jié)果又與數(shù)學(xué)控制模型的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行校對。校對的結(jié)果如果符合標(biāo)準(zhǔn)值，電控箱體就記錄下來，按照這個記錄對可控震源進(jìn)行控制，精準(zhǔn)地使可控震源出力有效地下傳；如果校對的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)偏差，電控箱體的數(shù)學(xué)控制模型再進(jìn)行優(yōu)化運算，通過傳感器對可控震源的實際物理參數(shù)進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)，使其最終滿足電控箱體里的數(shù)學(xué)控制模型。

電控箱體對可控震源的伺服控制是具有記憶性的，重置命令就是把先前在別的可控震源上使用的記錄和控制偏好從內(nèi)存里清除，然后再做安裝標(biāo)定命令和十次左右的掃描，使這臺電控箱體重新記錄新的可控震源的各種結(jié)構(gòu)性能，調(diào)整控制參數(shù)，形成獨特的伺服控制偏好，以使這臺電控箱體更精準(zhǔn)地控制這臺新的可控震源，滿足設(shè)計需求。

6 結(jié)束語

綜上所述，電控箱體在可控震源上使用時，需要特別注意進(jìn)行安裝標(biāo)定、參數(shù)重置和十次左右的掃描，以使電控箱體在很短的時間內(nèi)熟悉和記憶可控震源的結(jié)構(gòu)和信號的特征，以及這個地區(qū)的大地模型，做出自身對這臺可控震源的最優(yōu)化控制，使得可控震源施工質(zhì)量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。這些都是可控震源箱體在實際應(yīng)用過程中的一些細(xì)節(jié)，注意這些細(xì)節(jié)對可控震源生產(chǎn)質(zhì)量具有重要意義。