油田输油泵机械装置智能专家PID控制系统的设计

魏 亭，杨盛泉，刘海泉

（西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安710021）

油田输油泵机械装置主要由进油机械管道、原油过滤器、流程切换阀、螺杆输油泵、电机、油气分离罐、故障缓冲罐、流量传感器、压力传感器、安全阀门、调节阀门、外输机械管道等组成[1]。不同油田的油井输油泵机械装置根据工艺与产能要求不同，设计上有部分细节会略有差异，但是其工作原理基本一样。

油田输油泵机械装置是实现从油井来油进行过滤、缓存、分离、加压、外输等非常重要的动力设备。因油井来油压力经常处于大范围的波动，但是外输要求必须处于一个较为恒定的压力范围，如果压力过低，对于长距离输送会造成动力不足，如果压力过大，可能会造成管路破裂，进而原油泄漏，给油田企业造成损失并形成生态灾难。目前大部分油泵机械装置压力调控采用常规PID算法。因为输油泵管路压力调控具有动态非线性滞强，输入输出耦合复杂，呈现出大惯性、多时变的运行状态，常规PID压力调控算法一般参数通过静态自整定或者经验模式获得，非常难适应这种动态非线性大时滞油路压力调节，因而对原油正常生成与输送带来很大的隐患。

专家系统（Expert System）是人工智能（Artificial Intelligence）技术的一个重要分支，它利用知识库与推理机对目标进行非线性的控制，将专家系统跟常规PID算法结合起来对输油泵装置进行动态压力控制，就可以实现人工智能与增量常规PID算法的有机组合[2]，发挥各自的长处，使得系统在任何外界变量环境下都能得到更好的动态稳压性能，有效保护了输油泵机械管路的安全并且保障了油田企业的长期稳定生产。

1 输油泵机械装置智能专家PID控制算法的设计

装置专家PID控制算法的实质是基于油田输油泵输出管道压力等按来油管道的压力与流量多种状况的规律以及适应各种经验调控手段，结合人工智能专家系统推理使用智能知识参数来动态设置常规增量型PID压力控制器。因此智能专家PID控制算法就是油田油泵专家经验知识控制理论与常规增量型PID控制算法有机组合的优化的复合控制器算法。

根据专家系统为基于知识的推理分析控制系统理论与增量型PID控制要求，结合输油泵机械装置控制特征，设计的输油泵机械装置专家控制原理结构如图1所示。

图1 输油泵机械装置专家PID系统控制原理图

机械装置运行原理说明如下[3]：

（1）机械装置原油管路输入压力函数为PV（t），工艺上管路设定压力函数为SP（t），t为运行时间，e（t）=PV（t）-SP（t），其表达的是运行偏差。因为管路的来油量是油井直接或者间接输送而来，来油的流量与压力是动态变化的，因此PV（t）是一个上下波动的曲线函数，但是一般外输管路的压力要求处于一个较为稳定的区间，因此SP（t）一般表现为一个常量函数。

（2）机械装置推理机构（Reasoning Agency），它为专家PID的神经中枢。常规的推理机是在一定的控制方法或者算法策略下，专家PID系统根据问题信息（用户与专家系统交流的信息）及知识库中的知识执行对问题的求解[4]。本系统中，推理机根据输入的e（t）处于不同的阈值范围以及t处于不同的时间阶段，搜索机械装置控制知识库，得到一个控制H（FP，FI，FD，EV，EK）五元组，其提供给增量型PID控制器进行运算。

（3）知识库（Knowledge Base）是指专家PID系统设计所应用的控制规则集合，包含逻辑规则所联系的事实及数据，它们的全体构成压力测控知识库。本系统中，知识库提供输油泵机械装置各种情况下增量型PID对油泵变频器调控效果的知识，它由自动变频控制理论、油泵专家知识和现场油泵操作人员经验产生。知识库规则指的是对专家经验数学化、计算机化的表达，其主要表现为IF-ELSE逻辑推理规则。

（4）增量型PID控制器（Increment PID Controller）是油泵控制的核心大脑，是通过对油泵变频器控制量的增量进行比例、积分、微分三种操作并线性组合成控制量，以减小系统e（t）误差，提高油泵系统调控管路快速符合设定压力响应速度和响应效果，它需要推理机构为其提供合适的比例系数FP、积分系数FI、微分系数FD以及专家条件限制EV、EK。

（5）自学习评价是专家PID系统的自循环优化人工智能自学习评价机构，它动态地根据机械装置原油管路压力调控效果的好坏，决定是否需要继续优化保留当前H（FP，FI，FD，EV，EK）五元组或者剔除该参数，使得知识库中最大程度动态优化知识规则。

2 输油泵机械装置增量型PID控制算法设计

在工业控制系统中，PID控制算法是最为常见的较为成熟的过程控制算法，它结合了比例（Proportional）、积分（Integral）和微分三种环节于一体的闭环循环模式[5]。闭环控制是根据控制对象的测量值与设定值的偏差进行输出调整，一段时间后再看测量是否符合设定要求，这样一直反复进行下去，其目标使得当测量值与设定值出现偏差时，按定额参数或动态参数来进行纠正输出，最终实现测量值动态跟随设定值。

经典的PID控制算法因公式结构简单、运行稳定性好、输出波动小、重复性好，而成为工业连续控制的主流技术，在温度、压力、流量等方面得到了广泛应用。当被控对象的运行规律和控制参数不能完全通过数学模型进行描述，采用PID控制技术最为方便。

油泵机械装置中，PID控制器算法如公式（1）所示。

其中，Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；e（t）为偏差；op（t）为控制量；用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程，经过离散化，获得位置PID的离散算法，如公式（2）所示。

位置式PID算法控制的输出与整个过去的状态有关，它用到了误差的累加值，容易产生大的累加误差，另外它计算繁琐，而且保存e（k）数组需要占用很多内存，运行过程中容易产生较大的阀位突变，因此在工业控制中位置型PID算法不太常用。

将位置型PID算法公式经过数学差值演变运算，即用第K次的OP减去第K-1次的OP数值，得到如下增量型PID算法公式（3）：

增量式PID算法易于实现手动/自动的无扰动切换，不产生积分失控。由于增量式PID输出的是控制量每个周期的Delt增量，如果计算机、传感器或者电气仪表出现故障，阀门调节误动作影响较小，而执行机构本身有记忆开度功能，可仍保持原来的开度，通常不会严重影响测控系统的工作，而位置式PID算法的输出直接对应阀门对象的输出，因此对系统管路阀门压力稳定影响较大。

因此，增量式PID算法得出的是油泵机械装置每次变频器控制量的增量，这使得压力调控误动作影响小，有着较好的控制误差效果。

其算法伪代码表示如下：

3 输油泵机械装置智能专家PID控制系统设计

输油泵机械装置控制系统设计成如图2所示的三层结构：感知输出层、逻辑控制层、应用显示层。输油泵机械装置控制系统主调度模块为本系统的主循环控制程序，是本系统的主调度模块，它采用后台周期循环方式与事件驱动方法进行编程。油泵机械装置控制系统主调度模块主要管理按照层次化的方式控制管理感知输出层、逻辑控制层、应用显示层中模块的运行。这三层结构包含的模块有：传感采集模块、变频阀门输出模块、基本逻辑控制模块、专家PID控制模块、数据记录显示模块以及动态曲线报表模块等。

图2 输油泵机械装置智能专家PID控制模块组成

这三层包含的模块详细内容描述如下：（1）传感采集通信模块：输油泵机械装置需要采集管路油温、管路油压、过滤器压力、燃气压力、阀门开度、变频器当前信息，这些信息可以采用RS485或者Modbus TCP的通信协议获取。（2）变频阀门输出模块：当系统经过逻辑运算，需要本模块输出控制油泵启动或者停止命令或者阀门开启或者关闭，最为核心的是实现调控PID得到的OP送给变频器功能。（3）基本逻辑控制模块：实现输油泵机械装置的基本设备启停与安全运行的条件逻辑运算，比如油泵温度超高，立刻停泵运行，或者环境燃气浓度过高，立刻报警处理。（4）专家PID控制模块：该模块为本系统的神经中枢，通过专家系统理论结合增量型PID算法综合运算，通过推理机动态检索知识库，动态设置合适的PID参数进行运算输出，实现系统外输压力动态跟随设定压力，以达到安全平稳输油的目的。（5）数据记录显示模块：该模块实现将现场采集的管路压力、管路温度、燃气压力、运行参数动态记录到数据库中，并且可以随时通过表格的形式查看。（6）动态曲线报表模块：该模块实现将记录到数据库的各个传感器数据以折线图的形式直观显示，并且根据用户需要可以输出打印报表。

4 结束语

基于本文提出的理论框架，应用面向对象的开发技术设计并实现了本系统，该系统具有实时采集输油泵各种传感数据如温度、流量、阀位、压力等测量数据，根据用户设定外输管路压力，可以动态平稳地输油。系统运行过程中，操作人员或者油泵专家可以输入增量型PID的各种条件下经验参数存到知识库中，系统后台可以周期性地记录各种测量数据与设定数据以及故障数据，用户可以随时查看测量压力与设定压力动态曲线。

本系统在国内某油田企业得到成功应用，其运行效果得到了用户的好评，跟传统的PID控制的输油泵相比，本系统具有故障率低、输油压力稳定、输油效率高等优点。本文提出的结合专家系统理论与传统增量型PID控制算法，发挥了二者的各自长处，可以为工业控制领域类似的测控系统提供较好模板与榜样，具有较高的推广应用价值。