基于Ethernet网络控制的三元复合驱过程控制研究

论文摘要

三元复合驱就是利用碱（Alkali）——表面活性剂（Surfactam）——聚合物（Polymer）（简写为ASP）的复配作用进行驱油。大庆油田从1994年开始丌展三元复合驱油矿场试验以来，已经建成了多座三元复合驱试验站，这些试验站分别位于大庆油田的几个采油厂，地理位置较远。而在三元复合驱试验阶段，准确完备的了解各个试验站的情况，便于实时控制，及时处理具有重大的现实意义。因此，我们提出基于Ethernet网络控制的三元复合驱过程控制研究课题。主要研究工作如下：分析三元复合配注工艺、油水分离工艺的流程，通过试验和分析，给出配注、油水分离工艺、采出水处理的新流程、新方法，同时认为，往复泵是配注工艺的关键设备，油水分离是采出液处理的主要技术管理过程。而这些试验数据和分析结论的传递、以及对往复泵的故障诊断、油水界面的控制，都是通过网络控制系统实现的。给出基于NCS的三元复合驱注采液处理过程的系统设计和实现。在基于NCS的三元复合驱注采液处理过程的系统设计的过程中，给出网络控制系统的3个基本议题以及它们对网络控制系统性能的影响，指出在网络控制系统的主要问题中，对象输入/出的数据包时延增加、以及网络包的丢失概率增大，其根本原因是网络拥塞的产生。为了系统的时延分析，首次对NCS时延因子进行了归类分析，将时延因子分为：发送端时延、接受端时延、I/O时延和器件时延4大类13个因子；采用模糊层次分析法求得了NCS时延因子的相对重要度，为NCS时延分析提供重要的参考依据。设计了基于Ethernet网络控制系统时延的测量的基本方法，并对结果进行分析。通过理论研究，得出时延的估计策略，对具有状态反馈和非线性的对象进行仿真研究。针对ASP的控制系统的传输环节，在TCP非线性动态模型的基础上利用RED分析和设计了主动队列管理（AQM）控制系统。首先线性化了TCP的互联模型以及一个瓶颈链路队列并根据链路容量、网络载荷、往返时间等网络参数讨论了它们的反馈特性。然后在这个模型的基础上利用与一些自由参数例如：低通滤波阈值以及与网络参数有关的丢包概率等相关联的随机早期检测机制（RED）设计了一个AQM控制系统。提出了在有延迟比和载荷水平等网络参数的条件下设计线性稳定系统的指导方针。该系统在载荷变化时的具有很好的鲁棒性。研究结果的有效性通过ns2模拟器进行了验证。针对ASP的注入系统主要设备-往复泵的故障诊断，文中提出以常见的压力信号（阀箱内的压力）作为系统特征信号来提取故障特征向量的方法。这种方法信号测取简单、处理方便，有着振动信号方法无法比拟的优点。文中利用时域中的相关分析和频域中的功率谱分析、小波包分析技术提取了故障特征向量，且各故障之间的特征区分明显，充分验证了此方法的有效性。此方法的优点在于特征信号取自于阀箱内的压力，不易受到外部环境的干扰，适用于多个泵阀同时发生故障的情形。同时，文中还构造了三层的前向神经网络，以小波包分析提取的故障特征向量作为网络的训练样本数据，利用小波包分析方法对所采集到的初始压力信号进行处理和分析，并提取系统故障特征信息。同时，以重构相空间中的饱和嵌入维数作为神经网络输入层节点数，通过采用遗传算法优化神经网络初始权重，将重构相空间、遗传算法、神经网络三者有机地结合，提出并建立了相空间遗传BP神经网络故障诊断模型，确定了合适的神经网络结构和具体参数。经检验样本数据验证，该方法对于泵阀的各种故障都有很好的诊断效果。并采用试验的方法调整神经网络的初始值。在确定了神经网络的结构和参数后，经检验数据验证训练后的神经网络所得的网络结构和参数是合理的。应用状态反馈预测控制（SFPC）算法，对带有耦合、不确定性的油田三元复合驱油水分离控制过程进行分解分析，给出了传统的单变量控制框图到基于Ethernet（TCP/IP）的控制框图，其控制过程的分解完全适用于状态反馈的三元复合驱油水分离系统。给出了基于状态反馈的采出液脱水系统的多变量适应式SFPC算法；基于Lyapunov稳定性理论，对时滞过程进行分解分析，推导出多变量线性时滞系统的时滞独立稳定充分条件方程式。在此基础上，给出了几个判定线性时滞系统独立稳定的简单判据。讨论了时滞系统的指数稳定性，给出了系统具有任意指定收敛速度指数稳定的充分条件及相应的推论。其工程应用的优点是建模简单、优化计算量小并且保证控制的安全性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外相关领域的发展和研究状况
• 1.3.1 大庆油田过程控制现状与趋势
• 1.3.2 三元复合驱研究概况
• 1.3.3 往复泵泵阀的状态监测及智能故障诊断技术
• 1.3.4 网络控制系统研究概况
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 基于NCS三元复合驱注采液处理过程分析与设计
• 2.1 三元复合驱配注工艺研究
• 2.1.1 已实施的配注工艺流程
• 2.1.2 往复泵的工作原理及特点
• 2.2 三元复合驱油水分离工艺特点及控制过程分析
• 2.2.1 三元复合驱原油脱水工艺技术研究
• 2.2.2 确定三元复合驱采出液脱水工艺流程
• 2.3 三元复合驱采出水的处理技术
• 2.3.1 水处理剂研制筛选试验
• 2.3.2 横向流聚结—气浮组合分离装置加两级过滤现场中型试验
• 2.3.3 确定三元复合驱采出水处理推荐的工艺流程
• 2.4 三元注采液处理过程的NCS系统
• 2.4.1 基于Ethernet的企业网设计
• 2.4.2 三元复合驱试验站注采液过程控制方案
• 2.4.3 三元复合驱试验站注采液过程工艺流程
• 第3章 NCS的时延特性分析
• 3.1 NCS时延评估
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 层次分析法简介
• 3.1.3 NCS中的时延组成分析
• 3.1.4 时延层次分析
• 3.2 基于Ethernet网络控制系统时延的测量和补偿
• 3.2.1 网络测量
• 3.2.2 问题描述
• 3.2.3 实验设计
• 3.2.4 实验结果
• 3.2.5 由网络导致的时延补偿及Matlab仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 NCS的网络拥塞模型及控制
• 4.1 网络拥塞控制模型
• 4.1.1 闭环控制模型
• 4.1.2 TCP+AQM的随机微分方程模型
• 4.2 AQM控制问题
• 4.2.1 被控对象的动态特性
• 4.2.2 AQM控制器的性能指标
• 4.2.3 设计RED
• 4.3 模拟与仿真
• 4.3.1 NS2模拟器
• 4.3.2 仿真实验
• 4.3.3 实验总结
• 4.4 本章小结
• 第5章 三元复合驱往复泵故障诊断技术研究与应用
• 5.1 信号的采集和预处理技术
• 5.1.1 工艺过程与数据采集
• 5.1.2 泵阀故障现场数据
• 5.1.3 数据的预处理
• 5.2 基于小波包分析方法的故障特征提取
• 5.2.1 小波包分析理论
• 5.2.2 用小波包提取故障特征
• 5.2.3 实例分析
• 5.3 基于相空间遗传BP网络的往复泵故障诊断技术
• 5.3.1 相空间遗传神经网络用于故障诊断的可行性
• 5.3.2 故障诊断相空间遗传神经网络设计理论
• 5.3.3 故障神经网络的建立
• 5.4 故障诊断系统的设计
• 5.4.1 确定神经网络模型的结构和参数
• 5.4.2 检验神经网络
• 5.5 试验结果分析
• 5.5.1 系统工作基本正常时压力曲线
• 5.5.2 密封圈坏时的泵缸内的压力信号变化曲线
• 5.5.3 泵阀磨损后的压力信号变化曲线
• 5.5.4 弹簧断裂故障时的压力变化曲线
• 5.5.5 阀芯关闭不严时压力曲线
• 5.5.6 柱塞漏失压力流量曲线
• 5.5.7 加入聚合物时系统的压力流量变化曲线
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于时滞SFPC的ASP采出液控制过程研究
• 6.1 引言
• 6.2 油水分离的控制过程分析
• 6.3 多变量时滞系统的独立稳定性
• 6.4 多变量时滞系统的指数稳定性
• 6.5 多变量适应式状态反馈预测控制
• 6.6 系统状态反馈预测模型
• 6.6.1 基本假设
• 6.6.2 模型输入输出参数的选取
• 6.6.3 数学模型的建立
• 6.6.4 模型简化及参数确定
• 6.7 基于NCS的控制系统设计
• 6.8 实际模型
• 6.9 实际应用
• 6.10 本章小结
• 结论
• 1 主要工作
• 2 论文创新点
• 3 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文及参与的科研项目
• 1 发表的论文
• 2 主持和参加的科研项目
• 3 获奖情况
• 详细摘要