引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)在用的抽油機(jī)保有量在20多萬(wàn)臺(tái)以上，且正以每年約1.5萬(wàn)臺(tái)的速度增加，“抽油機(jī)”配用的電機(jī)平均功率在40KW左右，絕大多數(shù)抽油機(jī)仍采用游梁式結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，但整機(jī)的效率和功率因數(shù)比較低，能耗也較大，一年耗電多達(dá)150億度以上，因此石油工業(yè)作為產(chǎn)能大戶，同時(shí)也是是耗能大戶。我國(guó)是貧油國(guó)，主要是以水換油，以電換油，抽油機(jī)的耗電費(fèi)用占到采油總成本的30%至45%，因此國(guó)家對(duì)于抽油機(jī)的節(jié)能控制器開(kāi)發(fā)工作十分重視，因此抽油機(jī)降低能耗、提高效率的新型節(jié)能型抽油設(shè)備將成為將來(lái)抽油機(jī)生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和目標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)大多采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，因開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有磁路大飽和，雙凸極結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)控制方式導(dǎo)致了其高度的非線性等特性。但是由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的非線性比較嚴(yán)重并且變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此采用常規(guī)固定參數(shù)的PID控制器是很難達(dá)得理想的控制性能，控制參數(shù)因其無(wú)法精確的建立數(shù)學(xué)模型也很難以得到確定。為適應(yīng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有的非線性特點(diǎn)，采用變參數(shù)的模糊控制策略。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合，充分發(fā)揮了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性、自學(xué)習(xí)能力和非線性映射能力形成一種自適應(yīng)能力很強(qiáng)的參數(shù)可調(diào)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fuzzynetwork-FNN)是模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它包含了模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諸多優(yōu)點(diǎn)，是集學(xué)習(xí)、聯(lián)想、識(shí)別、信息處理于一體控制方式。模糊控制是目前工程領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種智能控制方法，它主要是把人手動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成為控制的策略，因此不需要建立被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，并且其動(dòng)態(tài)品質(zhì)優(yōu)于普通的控制方法。但是由于普通的模糊控制器實(shí)質(zhì)上是一中PD調(diào)節(jié)器，靜態(tài)性能不好，并存在靜差，為了解決這一問(wèn)題，本文提出了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的控制方法，并加入積分環(huán)節(jié)用于克服靜態(tài)靜差

1、抽油機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)工作原理

目前，新型的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)大多采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）作為其動(dòng)力元件。工作原理是通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，然后通過(guò)鋼絲繩驅(qū)動(dòng)配重箱和抽油桿下降和上升來(lái)抽汲油液，此結(jié)構(gòu)將有效的簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高整體效率，并為抽油機(jī)的節(jié)能提供了可能性。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1長(zhǎng)沖程抽油機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子都采用雙凸極結(jié)構(gòu)，定子極上有集中的繞組，并且對(duì)應(yīng)的磁極繞組之間相互串聯(lián)，轉(zhuǎn)子沒(méi)有繞組，也沒(méi)有永磁體，因此形成了A、B、C三相繞組。當(dāng)三個(gè)繞組中某一相的繞組通電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使鄰近轉(zhuǎn)子極與該繞組軸線相重合的電磁轉(zhuǎn)矩，并按順序?qū)θ嗟睦@組進(jìn)行通電，就會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)改變繞組的通電次序，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向；通過(guò)控制通電通斷時(shí)間和電流大小，可改變開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。

長(zhǎng)沖程抽油機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)主要由控制器、功率變換器和SRM電機(jī)等機(jī)構(gòu)構(gòu)成，本文所設(shè)計(jì)的控制器采用雙閉環(huán)控制（如圖2所示），內(nèi)環(huán)是轉(zhuǎn)矩控制，外環(huán)是速度控制，其中速度環(huán)的主要作用是對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，并得到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的參考轉(zhuǎn)矩。

圖2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、模糊速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合控制是在模糊控制的基礎(chǔ)上加入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用，如圖3所示模糊控制器結(jié)構(gòu)圖，給定速度與檢測(cè)速度的誤差e=V*-V及誤差變化率de作為系統(tǒng)的輸入變量，系統(tǒng)的輸出值是轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的參考轉(zhuǎn)矩，由此就構(gòu)成單輸出-兩輸入的模糊控制器。由于輸入量在進(jìn)行模糊化時(shí)，模糊控制器會(huì)將某些值比較小的誤差近似為0，因此會(huì)出現(xiàn)控制的盲區(qū)，很難達(dá)到很好的控制精度，系統(tǒng)會(huì)一直存在靜態(tài)靜差。所以本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在速度誤差比較小的時(shí)刻切換到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。為了對(duì)模糊控制盲區(qū)進(jìn)行有效的控制，本系統(tǒng)還加入了積分環(huán)節(jié)。兩種控制方式的切換條件由速度誤差的大小確定。

圖3模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

2.1模糊控制規(guī)則

根據(jù)人工手動(dòng)操作的經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則可以用語(yǔ)言的形式表示為以下幾段：

<1>如果抽油機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于1000r/min，應(yīng)減少參考的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高出的越多，電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩就應(yīng)減少的越多。

<2>如果抽油機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于1000r/min，電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩保持不變。

<3>如果抽油機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于1000r/min，應(yīng)增加電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩。若電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，則電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩增加的越多。

可用下面的控制規(guī)則表表示出來(lái)以上語(yǔ)言的控制規(guī)則，如表1所示。

表1模糊控制規(guī)則表

在表1模糊控制規(guī)則表中，每一行和每一列的交叉點(diǎn)是一條模糊規(guī)則可表示為“IfAiAndBj,thenCij”(其中Ai、Bj、Cij分別表示E、EC和U所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值)。

2.2模糊推理與模糊判決

本文的模糊推理采用Mamdani的推理方法，輸出信息的模糊判決采用“重心法”的方式，也叫“加權(quán)平均法”：

為達(dá)到實(shí)際控制過(guò)程中快速性能的要求，一般都采用離線計(jì)算的方式[5]，把輸入的數(shù)據(jù)離散化后，再進(jìn)行模糊的推理、合成和判決等，進(jìn)行離線化計(jì)算后，把模糊判決的結(jié)果統(tǒng)計(jì)成如表2所示的模糊控制決策表，供實(shí)時(shí)處理時(shí)應(yīng)用。

表2模糊控制決策表

3.3模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合控制仿真實(shí)現(xiàn)

由此可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的速度誤差為67r/min時(shí)，模糊控制器將認(rèn)為系統(tǒng)偏差為0，不再進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此會(huì)造成系統(tǒng)存在很大的靜態(tài)誤差。所以，本文把模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器相結(jié)合，充分發(fā)揮模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的特點(diǎn)。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，用開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制之間的切換，當(dāng)系統(tǒng)速度誤差大于67r/min時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇采用模糊控制方法進(jìn)行控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不起作用；當(dāng)系統(tǒng)速度誤差小于67r/min時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。這樣既可對(duì)控制中存在的盲區(qū)進(jìn)行了控制，也可為控制系統(tǒng)加入了積分控制器的作用，能夠有效的消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，并且切換開(kāi)關(guān)也起到了延遲積分作用，可有效減少系統(tǒng)的超調(diào)量。

圖4模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的MATLAB結(jié)構(gòu)圖

3、仿真結(jié)果及分析

三相的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速800r/min，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入勻速運(yùn)行時(shí)，在0.4s時(shí)刻加入大小等于12N.m的負(fù)載，并在0.75s時(shí)間卸掉負(fù)載，并要求電機(jī)在此階段的運(yùn)轉(zhuǎn)速度一直穩(wěn)定在800r/min。為了直觀的與其它的控制器進(jìn)行比較，仿真時(shí)同時(shí)對(duì)三臺(tái)速度控制器分別采用普通PI控制、模糊控制和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制復(fù)合控制的方法進(jìn)行比較，系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線如圖5所示（圖5中實(shí)線是模糊控制方法的系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線；點(diǎn)線是普通PI控制方法的系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線；虛線是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法的系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線）。系統(tǒng)的局部速度響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖5速度響應(yīng)曲線

圖6局部速度響應(yīng)曲線

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算可以得到各種控制方法的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的性能指標(biāo)如下表3所示：

表3各控制方法的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)

從圖5和表3中可以看出：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)靜態(tài)誤差。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠解決普通單一調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)時(shí)間與超調(diào)之間的矛盾，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)都優(yōu)于單一的調(diào)節(jié)器。

本文所采用的調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)采用的直接轉(zhuǎn)矩控制原理能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接的控制，給定磁鏈為0.4Wb，系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)僅為

N.m，有效的減少了轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。（由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的摩擦系數(shù)為0.02N.m.s，所以輸出的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于負(fù)載的轉(zhuǎn)矩

1.67N.m。）

圖7轉(zhuǎn)矩曲線

4、結(jié)論

模糊控制通過(guò)把人們的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化語(yǔ)音控制策略，使用語(yǔ)言方法進(jìn)行控制，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的控制方式。抽油機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻伺服電機(jī)是非線性十分嚴(yán)重的系統(tǒng)，因此電機(jī)的數(shù)學(xué)模型很難精確的建立，所以采用模糊控制對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行控制是個(gè)很好的選擇。但是模糊控制在控制策略上存在靜態(tài)誤差的問(wèn)題，會(huì)對(duì)恒值系統(tǒng)的內(nèi)外部干擾基本無(wú)抵抗的能力。所以本文采用了模糊控制，在速度誤差過(guò)大的時(shí)候采用單一的模糊控制方式，此方式能夠很好的解決響應(yīng)時(shí)間與超調(diào)之間的矛盾問(wèn)題，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能也得到改良，并保證了系統(tǒng)運(yùn)行中的抗干擾能力。

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