基于智能控制的抽油机变频节能控制系统

摘要

游梁式抽油机在当今采油设备中占有重要的地位。由于其具有结构简单、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等特点，在今后相当长时间内必将还是油田的主要采油设备和耗能设备。为了保证抽油机有足够的过载能力，通常电动机装机功率比较大，而采油过程中负荷一般不会太高，所以电机负载率只有30％左右，也就是通常说的“大马拉小车”现象，在油田开发后期，更为严重，因此而造成了电能的极大浪费。 针对游梁式抽油机存在的轻载和“干抽”等问题，在总结分析前人研究的基础上，本文提出了智能控制与变频调速相结合的综合节能控制方案，即利用模糊神经网络对井下蓄液量进行预报，在蓄液量较少时，及时停机；在蓄液量达到“满抽”时，及时开机，并在开机运行时辅以变频技术，根据负载大小实时控制电机转速，以达到更好的节能目的。 为了实现该节能方案，本课题对智能控制技术和变频技术分别作了研究，并在总结分析前人研究的成果同时，分别设计了符合抽油机特点的智能控制器和变频器，此外，还保留了两者互联接口。 在设计智能控制部分时，本文研究分析了模糊控制和神经网络的各自特点，模糊控制有较强的表达能力，而神经网络有更好的学习能力。为了充分利用两者所长，选用了模糊控制和神经网络融合而成的TS模糊系统模型，并根据采油现场特点，选取一个小油区作为控制对象，设计了适合抽油机控制的模糊神经网络。为了制定实用的模糊规则和训练网络，多次到胜利油田设计院和采油厂与相关人员联系，选取了多口轻载井，采集了大量的真实数据用以训练网络，并咨询了多位采油专家，制订了基本的模糊控制规则。并对智能控制部分硬软件进行了设计。 由于通用变频器价格昂贵，并且在油田的应用也不是很理想，所以与合作企业工程人员共同设计了抽油机专用变频器，专用变频器由单片机系统、整流逆变电路及IGBT驱动保护电路构成。该变频器简单实用，成本较低。此外，为适合变频调速要求，对变频主电路也进行了设计改进。 此外，本课题为了实验需要，制作了抽油机模拟负载，该模拟负载由异步电机、减速箱、支架及重物组成，用以模拟抽油机采油过程。在节能控制系统初步设计完成后，在此模拟负载上作了大量的实验。 最后，对实验结果进行了简单分析，并测试了节能控制装置的各项性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章 绪论

1.1本课题提出的背景

1.2国内外研究概况和发展趋势

1.3课题的主要工作

第二章 抽油机节能控制方案设计

2.1游梁式抽油机系统浅析

2.1.1游梁式抽油机

2.1.2游梁式抽油机的基本参数

2.2抽油机节能控制方案的设计思想

2.2.1一般方法存在的困难

2.2.2本方案的设计思路

2.3抽油机节能控制方案的确定

2.4小结

第三章 模糊神经网络模型

3.1模糊逻辑控制

3.1.1模糊控制系统

3.1.2模糊逻辑推理法和非模糊化

3.2神经元网络

3.2.1生物神经元模型

3.2.2人工神经元模型

3.2.3人工神经网络

3.2.4 BP网络

3.3基于神经网络的模糊系统

3.3.1模糊系统与神经网络的互相转换

3.3.2神经网络的实现

3.5小结

第四章 智能控制部分设计

4.1概述

4.2智能控制部分硬件电路设计

4.2.1主控CPU

4.2.2电压、电流采样输入部分

4.2.3缺相保护部分

4.2.4单片机外围电路及显示部分

4.2.5继电器输出部分

4.2.6控制电路电源部分

4.3智能控制部分软件设计

4.3.1设计所采用的模糊神经网络模型

4.3.2模糊系统的建立

4.3.3软件设计所采用的算法及程序流程图

4.4小结

第五章 变频控制部分

5.1异步电动机变频调速原理

5.1.1基频以下调速

5.1.2基频以上调速

5.1.3脉宽调制技术原理

5.2变频控制部分硬件设计

5.2.1变频部分主电路设计

5.2.2变频部分控制电路设计

5.3变频部分软件设计

5.3.1 SPWM波形生成策略

5.3.2控制规律

5.3.3变频程序设计

5.4小结

第六章 模拟实验结果及分析

6.1抽油机节能控制器样机及模拟负载制作

6.2油田现场数据采集及网络训练

6.3变频部分模拟实验及分析

6.4小结

第七章 总结与展望

7.1本文总结

7.2前景展望

参考文献

致谢