基于线性编程和模糊逻辑的控制系统设计（基于线性编程和模糊逻辑的控制系统研究）

针对由两个水库和两个互连的独立注水井组成的注水系统开发了先进的控制策略。使用化工过程仿真软件创建动态仿真模型，可以研究不同的瞬态条件并证明控制策略的可行性，而无需进行现场测试。

该模型模拟了完整的注水系统，包括抽油机、管道和设施之间的相互作用。利用线性规划技术（单纯形法）和模糊逻辑，建立油藏和注入井独立的非常规控制策略，制定系统（注入井）的共同策略，以保持产出水和注入水之间的质量平衡稳定性。通过与现场历史数据对比，分析了控制系统在不同工况和不必要情况下的过程行为和功能。

石油生产自动化控制

作为二次采油技术，注水被认为是世界上最常用的方法之一，也是对石油产量贡献最大的方法。在哥伦比亚，许多油田正在采用这种方法来扩大产量。抽油系统的自动化控制是调节注水量、有效提高原油产量的基础。

哥伦比亚梅塔的一个油田已准备好注水，但没有自动化控制系统来稳定该设施，以避免运行警报并在预防和纠正措施方面做出有效的反应。

该系统设有处理采出水的设施，然后将其泵送到注入井1 和注入井3。常见问题包括生活用水抽水机的损失、两个互连设施（注入井）中注入单元的损失以及注入流量的变化或产出水量。

为了解决这一系列问题，油田开发了包括过程工程和先进控制策略在内的先进工程系统。这包括使用过程模拟器软件构建动态模型，以动态方式观察系统行为并将其与预设控制策略集成。开发的控制方案包括基于模糊逻辑的非常规策略，其中泵组的吸入和排出压力与通过每个设备的流量相互作用。

通过先进的控制策略对注入系统（采出水处理和注入设施）进行统一管理，重点是实现和维持生产量和注入量之间的质量平衡，自动分配每个设施的注入流量设定点。该策略可以为整个注水系统提供更大的自主性、稳定性和运行连续性。

生产水处理设施由两个相互连接的水库组成。每个水库配备8台抽水装置，包括多级离心泵和内燃机泵。这些泵装置通过三个30 英寸直径的管道输送水。至注水井。

由于操作变量之间的多重相互作用，系统被认为是非线性的，需要非常规工具来建模和定义要实施的控制策略。

动态仿真与控制策略

在化工过程仿真软件中，建立了注水系统的动态仿真模型。在初始阶段，模型是在稳态下构建的，以保证系统的稳定性。然后切换到动态模式来表征实际过程行为并评估任何干扰。在此阶段，确定系统中存在的流体的特性、初始操作条件、泵送单元的数量、管道直径和长度以及其他附件。边界条件包括系统入口和出口流体的压力规格等，并且泵通过各自的曲线来表征。池单元的效率损失约为15%。

随后通过模拟具体现场条件并与历史数据进行对比对模型进行了验证，发现平均偏差为5%。该模型的行为与历史数据相匹配，因此可以用来分析系统的行为。

最后，评估不同的案例研究。分析您的设施的行为，就像它在工厂设备上运行一样。这些发现用于优化控制系统并为过程提供适当的控制策略。

在先进控制领域，重建了安装在可编程逻辑服务器模拟器上的控制系统，并开发了双向通信接口，允许过程模拟器和模拟控制系统之间进行实时通信。仿真工具有助于重现为喷射系统操作开发的控制逻辑。

感兴趣变量的非线性行为可以通过仿真来确定，因此基于模糊逻辑的控制可以更好地适应系统的行为，因为它提供了一种推理机制，允许在基于知识的系统中模拟人类推理的过程，这意味着可以模仿操作员在已知情况下加速或减慢泵等动作。

为了统一喷射系统，质量平衡被解释为成本函数，并通过线性规划技术求解，重点是流量最大化。每个设施必须优化流量设定点，以最大限度地提高注射量，但须遵守上述条件。

单纯形法是一个迭代过程，在每一步改进目标函数。当无法进一步改进时，该过程结束，这意味着已经实现了满足所有限制的最优解。在喷射系统中实施先进的控制策略分为两个阶段。

图1：第一阶段——集成喷射系统的全局控制策略：先进控制领域在可编程逻辑服务器模拟器上重构控制系统，并开发双向通信接口，用于过程模拟器和模拟控制系统之间的实时通信。本文图片来源：ProctekSAS

第一阶段：注射系统集成

该战略的第一阶段旨在增加油田产量。为此，选择了一个直接影响生产的变量：注入流量。然后发现数学函数来描述受约束和系统元素约束的变量的行为。以最大化为目标求解该函数，展示了最大化流动注入并提高石油采收率的最佳操作点。与喷射系统集成的控制系统如图1所示。

成本函数的重点是找到从水池抽取的采出水和每个注入井注入的水之间的质量平衡。为了确定平衡，可以以每个池中立式泵的运行特性为出发点。总流量必须有效地分配到每个注入井。分配标准取决于几个因素：

每口注入井激活的可用设备数量；

各装置的注射量；

将管道连接至各注水井的阀门位置。

分配算法的功能是找到最佳流量设定点并自动分配到每个扩散控制面板以注入流量并建立平衡。为了实现这一目标，必须考虑以下条件：

必须使用安装在水池出口处的流量计以及安装在互连点和每个注入井入口处的流量计来持续验证质量平衡。

如果通过注水系统的瞬时工况不能达到计划的质量平衡，控制系统通知操作人员启动或停止注水井的抽水装置。

如果水池和注入井中的泵送装置丢失，控制系统应重新计算流量设定值，以确定损失的注入能力并重新计算新的质量平衡。

第二阶段：控制策略设计

现阶段的策略是寻求为系统提供更大的稳定性和自主性，以解决过程中出现的、无法通过人工操作及时有效缓解的干扰。所提出的控制策略需要喷射系统中3 个相互作用的变量（流量、吸入压力和排出压力）之间的动态平衡。

由于模型的强非线性（由动态过程模型证明），唯一的常规控制回路无法在不考虑吸入和排出压力变化的情况下进行调整。因此，基于模糊逻辑的控制器可以更好地适应系统行为。然而，模糊逻辑控制器的概念开发是一个复杂的项目，计算要求很高。

由于这些原因，确定需要为与泵相互作用的每个变量设计扩散控制器。唯一可用的控制元件是调速器，它调节内燃机的速度。必须为速度控制器选择独特的控制输出。遵循与模糊控制器相同的方案，最终输出是根据每个模糊控制器的输出随时间的动态行为确定的。

模糊控制块

图2：模糊逻辑控制器的总体方案。过程模拟器演示了将系统注入运行的控制逻辑。

模糊逻辑控制器由接收过程变量偏差（过程变量相对于设定点的百分比误差）的控制块组成。图2 给出了“模糊控制”块所有循环的基本方案。此时，过程变量的输入偏差为：

e(k)=PV(k)SP(k)

增量偏差为：

e(k)=e(k)-e(k-1)

该方案使用模糊设计工具，该工具具有两个模糊输入集，第一个用于输入偏差，第二个用于增量偏差。

这个想法是通过与模糊输入集的交互来模仿专家的行为。在这种情况下，目标是通过在检测到目标变量的偏差时采取行动来模仿操作员的专业知识。为了重现这些知识，创建规则来评估每个模糊集的相互作用并将它们与输出相关联。

对该输出组的扩散控制器执行一系列操作，使每个控制面板获得唯一的受控变量值。依次评估这些参数，以确定选择3 个参数中的哪一个应用于速度控制器。

控制器做出的决策应基于操作员的经验并基于启发式建立规则。如果注入井1 关闭，则重新计算流量设定点，并将损失的流量分配给注入井3 设定点。这样，尽管失去了泵送装置，仍能保持相同的注入速率。保持积极的分配策略可能会增加注入流量，从而增加石油产量。

过程模拟器的优点

通过开发先进的工程系统，可以将工艺工程和先进的控制策略相结合，以实现石油生产设施中注水流量的优化。由于系统是非线性的，新的解决方案采用线性规划技术（单纯形法）和基于模糊逻辑的控制。最初开发的控制策略已在化工过程仿真软件中进行了动态仿真测试，以评估动态系统行为和可能影响正常运行的常见扰动。

使用过程模拟器展示了优化多个系统和过程工厂时获得的许多好处。这是由于模型的变化，它允许评估不同的场景，而无需花费很长时间和大量资源进行现场测试。

先进的基于控制的注水系统可以控制总注入流量，从而提高油田产量。此外，在过程中检测到偏差时能够迅速做出反应，可以降低这些偏差导致伤害、货物损失或产量减少的可能性。 （作者：胡安大卫、梅迪纳冈萨雷斯）

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