自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用研究

孫國楠

（大慶油田裝備制造集團(tuán)采油裝備制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

自抗擾控制技術(shù)基于PID 控制技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行理論創(chuàng)新，在實踐過程中的應(yīng)用效果較好，此類技術(shù)在智能抽油機(jī)中的有效應(yīng)用可以進(jìn)一步提升抽油效果，并保證整個過程的運(yùn)行安全。在現(xiàn)代化理論與技術(shù)的完善下，自抗擾控制技術(shù)的應(yīng)用方案會更加細(xì)化，也能夠針對智能抽油機(jī)的運(yùn)行要求來進(jìn)行功能改善，在仿真實驗結(jié)果分析歸納中可以探究自抗擾控制技術(shù)的運(yùn)行規(guī)律及原理，并將其與抽油機(jī)運(yùn)行原理相結(jié)合，在技術(shù)支持下保證智能抽油機(jī)的整體運(yùn)行效率與安全。

1 自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

抽油機(jī)的類型多樣，在現(xiàn)代化理論與技術(shù)逐步完善的過程中，抽油機(jī)的技術(shù)架構(gòu)與理論方法也逐步完善，智能抽油機(jī)依照程序設(shè)定進(jìn)行抽油操作，但客觀來說，受到的限制因素各有不同。地質(zhì)環(huán)境、抽油技術(shù)、機(jī)械設(shè)備等都會影響智能抽油機(jī)的運(yùn)行效率，而自抗擾控制技術(shù)的應(yīng)用可以進(jìn)一步規(guī)避其影響因素，其中所涉及的自抗擾控制器基于“觀察＋賠償”來進(jìn)行控制系統(tǒng)中非線性與不確定性因素處理，采用非線性反饋方法確?？刂破鲃討B(tài)性能的有效發(fā)揮。根據(jù)各個地區(qū)的實際抽油環(huán)境與要求采用自抗擾控制技術(shù)，其抗干擾的能力相對較強(qiáng)，而算法也不復(fù)雜，且具有效率快精度高的優(yōu)勢。同時，自抗擾控制技術(shù)能夠處理確定系統(tǒng)以及不確定系統(tǒng)中的控制問題，控制算法也無須進(jìn)行控制對象的識別，其智能化程度較高，在分析問題和反饋問題方面具有良好的成效。

2 自抗擾控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

自抗擾控制技術(shù)提出后，在部分領(lǐng)域的應(yīng)用有其針對性的問題，但是整體來看，此類技術(shù)以狀態(tài)變量描述為要點，通過狀態(tài)反饋進(jìn)行極點配置，從而改善全局動態(tài)特征的問題。在抗干擾研究以及自動化控制過程中，需要保證其狀態(tài)反饋的準(zhǔn)確性、安全性與客觀性，在技術(shù)理論實踐中，需要結(jié)合其應(yīng)用路徑加以分析，若是在智能抽油機(jī)中予以應(yīng)用，需要了解相關(guān)開環(huán)動態(tài)特征先驗知識和狀態(tài)變量信息。但客觀環(huán)境是不斷變動的，而技術(shù)使用要求也是動態(tài)調(diào)整的，當(dāng)智能抽油機(jī) 提供不了相關(guān)開環(huán)動態(tài)特征，自抗擾控制技術(shù)的應(yīng)用也會受限，無法針對具體抽油情況來進(jìn)行反饋，所以其應(yīng)用的效果就會達(dá)不到預(yù)期。同時，各個領(lǐng)域?qū)ψ钥箶_控制技術(shù)的使用要求有明顯差異，所以要想完善自抗擾控制技術(shù)理論，需要長期實踐過程，其應(yīng)用效果與數(shù)據(jù)理論仍然需要做深入分析。

3 自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)分析

自抗擾控制技術(shù)的應(yīng)用離不開自抗擾控制器的功能發(fā)揮，在技術(shù)應(yīng)用過程中，需要了解自抗擾控制器的運(yùn)行原理，分析其中所涉及的組合部件。同時，在實際運(yùn)用過程中，工作人員需要了解自抗擾控制器的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)其運(yùn)行原理分析此類技術(shù)在智能抽油機(jī)的使用效果。一般自抗擾控制器會涉及非線性跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器以及非線性組合，在實際運(yùn)行過程中，自抗擾控制器會追蹤微分器為參數(shù)輸入安排過渡過程，進(jìn)而獲取光滑的輸入信號也將其中存在的微分信號進(jìn)行提取。在自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)體系中，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器是其運(yùn)行的一個核心，通過雙通道補(bǔ)償原理進(jìn)行對象模型改造，從而達(dá)到將非線性以及不確定的系統(tǒng)近似線性化和確定性化的目的?；跀U(kuò)張狀態(tài)觀測器支持估計相應(yīng)對象，獲取并分析各狀態(tài)變量，也能夠進(jìn)一步判定擾動估計，根據(jù)跟蹤微分器輸出、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器提供的狀態(tài)變量估計了解所獲取的狀態(tài)變量誤差。而這一狀態(tài)變量誤差中所涉及的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對未知作用力估計補(bǔ)償量以及非線性反饋共同組成控制量。自抗擾控制技術(shù)在研究的過程中，以PID 控制技術(shù)為基礎(chǔ)，而自抗擾控制技術(shù)的算法是典型的二階自抗擾控制器的算法，其中控制器的參數(shù)也涉及廣泛。舉例來說，過渡過程快慢需要以及系統(tǒng)承受力所決定參數(shù)r，系統(tǒng)采樣步長決定參數(shù)β，而其中所涵蓋的阻尼系數(shù)c、控制量增益r、補(bǔ)償因子b、精度因子h 是系統(tǒng)中需要調(diào)整的參數(shù)。一般控制量增益r 有其變動范圍，即使到臨界點或者大到一定范圍也沒有過多影響，所以在參數(shù)調(diào)整的過程中更多的是關(guān)注阻尼系數(shù)c、補(bǔ)償因子b、精度因子h 三個參數(shù)。

4 自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用問題分析

自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用雖提高其抽油效果，但是，智能抽油機(jī)類型多樣，受客觀條件限制在實際運(yùn)行中需要關(guān)注的問題也各有不同，結(jié)合有桿-抽油機(jī)系統(tǒng)來看，雖然此類機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用范圍較廣，其結(jié)構(gòu)相對簡單也不會涉及較為煩瑣的制造工藝，但是造價成本相對過高，且運(yùn)行效率并沒有達(dá)到預(yù)期。自抗擾控制技術(shù)在運(yùn)用的過程中，不僅需要關(guān)注技術(shù)使用中的問題，也要從造價控制和運(yùn)行效率方面提高關(guān)注力度，保證智能抽油機(jī)的整體運(yùn)行安全。一般情況下，智能抽油機(jī)的機(jī)械構(gòu)成會影響其最終的使用效果，在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)傳輸至懸點后，抽油桿在一個沖程周期內(nèi)會產(chǎn)生加速度運(yùn)動，這也會引發(fā)慣性荷載問題，而舉升過程中也存在其他負(fù)載力，在交替作用下出現(xiàn)振動、形變等現(xiàn)象。若是生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)不合理、智能抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，抽油桿就容易出現(xiàn)過度拉伸以及失穩(wěn)屈服問題，這也會導(dǎo)致抽油桿與油管之間摩擦損耗增加，最終抽油桿的使用壽命就會縮短，而其他部件若是存在破損問題也容易使得智能抽油機(jī)的成本投入增加。此外，在自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用過程中，作業(yè)人員技術(shù)原理掌握不到位，缺少相應(yīng)的操作規(guī)范或是處理問題不及時也會影響技術(shù)使用效率。若是智能抽油機(jī)工作機(jī)制不合理，油層-采油系統(tǒng)供采就會出現(xiàn)不平衡的問題，而油井泵效被制約，電能消耗也會相對較大，這也會導(dǎo)致智能抽油機(jī)的運(yùn)行效率較低。尤其是當(dāng)前抽油過程中，地層能量及下泵深度都有一定的不確定性，當(dāng)泵徑一定的情況下，智能抽油機(jī)的管桿損耗也會受到懸點速度及其一個沖程周期內(nèi)懸點速度變幅影響，所以，如何使用技術(shù)來控制能耗問題也是需要深入研究的內(nèi)容。

5 自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用路徑分析

在智能抽油機(jī)中應(yīng)用自抗擾控制技術(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)智能抽油機(jī)的整體結(jié)構(gòu)類型來具體分析，當(dāng)智能抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不同其技術(shù)使用效果也會有明顯差異，一般情況下，自抗擾控制技術(shù)在實際運(yùn)用中需要在游梁上安裝位移感應(yīng)器，在結(jié)構(gòu)部件連接之間安裝載荷傳感器。與此同時，為保證智能抽油機(jī)整體運(yùn)行安全也需要涉及到智能調(diào)節(jié)、電能監(jiān)測、通訊傳輸?shù)葹橐惑w的控制器以及相應(yīng)的變頻保護(hù)裝置。從當(dāng)前的研究成果來看，根據(jù)智能抽油機(jī)的實際運(yùn)行需求由有線載荷、有線角位移以及智能電量模塊所共同組成的有線智能抽油機(jī)應(yīng)用方案。而由無線一體化示功儀、智能電量模塊所組成的無線智能抽油機(jī)應(yīng)用方案也具有良好的效果。二者相對比之下，前者的數(shù)據(jù)傳輸相對較好，也無須考慮電池躉換的維護(hù)工作，但是在實踐中，會受到施工環(huán)境影響，在前期進(jìn)行布線以及后期養(yǎng)護(hù)維修時會耗費一定的成本。而后者就不用考慮施工前期布線問題，但是采用無線智能抽油機(jī)方案需要保電池更換的及時性，而此類技術(shù)方案運(yùn)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性相對較差。結(jié)合自抗擾控制技術(shù)的算法控制來看，主要涉及平衡度上下限系數(shù)設(shè)定、充滿度上下限系數(shù)設(shè)定、采樣步長與補(bǔ)償因子設(shè)定等。同時，在實踐中，也需要工作人員準(zhǔn)確把握充滿度和平衡度的計算值以及其計算值是否保持在合理的范圍內(nèi)，若是計算值不合理需要重新轉(zhuǎn)換步驟。在技術(shù)應(yīng)用過程中，以百分比的形式來表現(xiàn)智能抽油機(jī)平衡裝置與游梁之間的平衡程度，借助功圖計算和判定充滿度，但同樣以百分比的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。從算法實現(xiàn)上來看，平衡度和充滿度之間的耦合越低意味著效果越好，而在實際應(yīng)用中，平衡裝置位移想要保證其合理性，需要由平衡度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于相關(guān)技術(shù)人員來說，采用自抗擾控制技術(shù)需要準(zhǔn)確把握其技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險，若是技術(shù)效果無法有效發(fā)揮，就會影響智能抽油機(jī)的整體運(yùn)行質(zhì)量，而相應(yīng)的抽油量也難以達(dá)到預(yù)期。這也意味著技術(shù)方案若是不成熟，油田企業(yè)的經(jīng)營效益就難以提升，而推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新升級的速度就會明顯下降，所以針對自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用，仍然需要以實踐數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在關(guān)注智能抽油機(jī)的運(yùn)行要求時也需要關(guān)注其技術(shù)算法，基于質(zhì)量與效率完善技術(shù)理論。客觀來看，自抗擾控制技術(shù)不僅在智能抽油機(jī)中有所應(yīng)用，在國外研究中，此類技術(shù)在飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)控制、高精度位移控制也有所適用，而我國的化工系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)等領(lǐng)域也采用了自抗擾控制技術(shù)，其技術(shù)應(yīng)用效果相對良好，但仍處于實踐過程，需要不斷完善技術(shù)應(yīng)用理論。

6 自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的研究方向分析

自抗擾控制技術(shù)在智能抽油機(jī)中的應(yīng)用不僅需要關(guān)注智能抽油機(jī)的運(yùn)用要求，也要精準(zhǔn)把握其結(jié)構(gòu)變化。

（1）從機(jī)械結(jié)構(gòu)上的技術(shù)來看，當(dāng)前智能抽油機(jī)的類型多達(dá)10 余種。其中游式抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)等都較為常見，從智能化數(shù)控化角度對技術(shù)加以創(chuàng)新，可以進(jìn)一步促進(jìn)抽油效率提升，同時也能夠保證相應(yīng)的抽油效益。結(jié)合當(dāng)前十分常見的游梁抽油機(jī)來看，此類抽油機(jī)的數(shù)量大且適用范圍相對廣泛，在實踐過程中，技術(shù)不斷升級也提出偏置游梁式抽油機(jī)類型，在原本的部件中又增設(shè)平衡調(diào)節(jié)裝置。其目的也是能夠根據(jù)具體的抽油環(huán)境，在有效分析井況基礎(chǔ)上，進(jìn)行自動或手動調(diào)節(jié)平衡裝置，確保智能抽油機(jī)可以達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。雖然在改進(jìn)結(jié)構(gòu)中會提升安裝難度，但是在平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用下抽油機(jī)的智能化效果更佳，在實際應(yīng)用技術(shù)過程中仍然需要結(jié)合具體的油田情況進(jìn)行判定，需要做好影響因素分析，保證技術(shù)應(yīng)用的實際效果。

（2）從智能調(diào)節(jié)與控制來看，智能調(diào)節(jié)主要涉及平衡調(diào)節(jié)和沖次調(diào)節(jié)兩個方面，但是兩個調(diào)節(jié)有一定差異，前者需要在結(jié)構(gòu)上帶訂甲衡調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，借助游梁上的感應(yīng)器進(jìn)行抽油機(jī)的載荷數(shù)據(jù)傳輸，并對傳感器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析達(dá)到平衡調(diào)節(jié)目的。沖次調(diào)節(jié)則是依照功圖的充滿度來判定其是否需要調(diào)節(jié)，若是需要，則會基于控制器作用對變頻器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在智能控制過程中，所涉及的功能眾多，根據(jù)智能抽油機(jī)的實際需要以及抽油采油的實際情況進(jìn)行判定，會涉及遠(yuǎn)程通信、智能控制、風(fēng)險示警等諸多功能。其功能發(fā)揮取決于控制器的使用效果，在以往的技術(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對自抗擾控制技術(shù)的理論數(shù)據(jù)也在逐步完善，為強(qiáng)化其應(yīng)用效果也會將一些輔助設(shè)備以及輔助技術(shù)進(jìn)行一體化應(yīng)用。在控制器作用下，抽油采油環(huán)節(jié)的電能和電機(jī)控制效果會不斷提升，同時，也以高效率的通信來進(jìn)行問題溝通。通過遠(yuǎn)程控制與報警，相關(guān)企業(yè)可以及時進(jìn)行風(fēng)險防控，這不僅有助于提高這一環(huán)節(jié)的管理效益，也能夠為自抗擾控制技術(shù)理論完善提供必要保障，但是，對于智能調(diào)節(jié)、電能監(jiān)測、遠(yuǎn)程通信等，安全管理力度仍需提升。

（3）結(jié)合當(dāng)前所推行的節(jié)能技術(shù)來看，在節(jié)能理念下，智能抽油機(jī)運(yùn)行也需要充分落實這一要求，所以節(jié)能器的控制技術(shù)研究力度也普遍加深。一般情況下，智能抽油機(jī)運(yùn)行會運(yùn)用到大量電能，所以把握電容定量關(guān)系也是技術(shù)應(yīng)用的一個要點，從提高電機(jī)功率到節(jié)約電能消耗量均離不開技術(shù)支持。此外，自抗擾控制技術(shù)的應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)眾多，為保證其技術(shù)的合理性，也需要做好數(shù)據(jù)采集分析，并利用關(guān)聯(lián)算法做好新技術(shù)研究，要想達(dá)到節(jié)能的目的，也可關(guān)注電能補(bǔ)償方面。

7 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)能源消耗量持續(xù)增大，相關(guān)企業(yè)對智能抽油機(jī)整體運(yùn)行效率的關(guān)注度也會有所提升，在自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用在智能抽油機(jī)后，既達(dá)到效率提升的目的也可保證其抽油量。同時也排除部分因素干擾，減少人工操作的風(fēng)險隱患，在技術(shù)支持下，智能控制與調(diào)節(jié)均可實現(xiàn)，但是，自抗擾控制技術(shù)的理論數(shù)據(jù)仍不完善，還是處于長期實踐的階段，這就需要結(jié)合具體的應(yīng)用要求來加強(qiáng)技術(shù)控制，如此更有效地發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用效果。