CN113315442B - 抽油机自适应功率电机转速优化方法及随动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抽油机自适应功率电机转速优化算法及随动控制系统，涉及抽油机控制技术领域，技术方案为，包括获取工频条件下抽油机的生产参数和运行状态参数，确定工频指标；计算电机初始转速，生成正交转速；将正交转速转化成频率信号；根据频率信号驱动抽油机电机。本发明的有益效果是：电机转速优化方法将抽油机系统看作黑箱模型，通过正交实验建立电机转速与优化目标参数和约束参数的二次响应面回归方程，脱离了具体的地面和井下模型，具有更好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及抽油机控制技术领域，特别涉及一种抽油机自适应功率电机转速优化方法及随动控制系统。
背景技术
有杆泵抽油是应用最广泛的机械采油技术，游梁式抽油机几何结构简单，质量可靠，在油田机械采油中有着重要的地位。但常规电机驱动的游梁式抽油机却存在着“大马拉小车”、负载动态急剧变化、泵柱塞的运行速度分布不均匀等问题。抽油机功率随动控制是指在对游梁式抽油机结构不做变动的前提下，以变频技术为手段，通过优化电机转速，使得游梁式抽油机系统软启动后处于柔性运行状态，改变抽油机所固有的光杆速度模式，优化井下抽汲过程，改善抽油机的动力学性能，达到解决节能、增产的目的。
在抽油机功率随动控制技术中，电机转速的优化是技术的核心和关键。常用的方法是在抽油机功率随动控制系统中人工输入油井历史生产参数，根据一定的地面和井下动力学模型，通过一定优化算法求解以电机转速为设计变量、以产液量为目标函数的约束优化问题。但在实际应用中发现，当输入的生产参数与抽油机井的实际工况不符，抽油机工况发生变化，或者井下实际状态与动力学模型不一致时，抽油机在优化的电机转速下运行，达不到理想目标，甚至使得抽油井的泵况变得更差，从而影响了抽油机功率随动控制技术的进一步应用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种根据抽油机井自身实际参数，且不需要地面和井下动力学模型就可以优化运行的抽油机自适应功率电机转速优化方法及随动控制系统。
其技术方案为，一种抽油机自适应功率电机转速优化方法，
S1、让抽油机在工频条件下稳定运行若干个周期，可选让抽油机运行4-6个周期；
S2、获取工频条件下抽油机的生产参数和运行状态参数，确定工频指标；
S3、将S2获取的参数作为初始值，计算电机初始转速，生成正交转速；
S4、将S3得到的正交转速转化成频率信号；
S5、根据S4的频率信号驱动抽油机电机；
S6、重复步骤S1-S5，获取抽油机在不同转速下稳定运行的目标参数和约束参数；
S7、根据S6获取的数据建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件；
S8、通过S7建立的回归模型通过优化算法获得最优电机转速；
S9、获取S7优化后抽油机的各项参数，当优化指标偏离工频指标时，重复步骤S1-S8。
优选为，所述S1让抽油机在工频条件下稳定运行若干周期，根据抽油机的实际情况，确定电机额定转速n0，变频器可调上限频率fu，以及下限频率fd，变频器可调上限转速
以及最小转速
优选为，所述步骤S2具体为，获得一个冲次内的抽油机生产参数和运行状态参数，包括悬点载荷时间序列PRL(t)、悬点位移时间序列S(t)、电机输入功率时间序列p(t)、电机转角时间序列θ(t)等。
优选为，所述步骤S3具体为，根据所述S2获取的各项参数，计算得到最大载荷PRLmax，最小载荷PRLmin，上冲程载荷波动系数Bu，下冲程载荷波动系数Bd；
判断泵况状态，比如缺液、含气等，计算示功图面积S0；
计算得到电机平均输入功率P、上冲程最大功率pumax、最小功率pumin，下冲程最大功率pdmax、最小功率pdmin等参数。
优选为，所述步骤S6中确定优化目标参数和约束参数，比如可以确定优化目标参数为示功图面积S0，因为示功图面积与泵效成正相关关系，即相同冲次下，示功图面积越大泵效越高，约束参数为最大载荷PRLmax，电机平均输入功率P，电机转速上限
电机转速下限
等。
优选为，所述S3中，计算电机初始转速，生成正交转速的方法为：
S301、根据电机输入功率时间序列p(t)，电机额定转速n0，计算电机近似转速时间序列n0(t)；
S302、对初始电机转速时间序列n0(t)以电机转角时间序列θ(t)为自变量进行二阶傅里叶级数展开，并按照如下电机速度时间序列形式获得初始值a01，a02，a03，a04：
n(t)＝n0[1+a01cosθ(t)+a02cos2θ(t)+a03sinθ(t)+a04sin2θ(t)]，a0i，i＝1,2,3,4；
S303、选取水平因子Δ，Δ＝0.8max|a0i|，i＝1,2,3,4；
确定四因素三水平对照关系；
S304、根据四因素三水平正交实验关系获得正交电机转速，其中电机参数a1，a2，a3，a4的取值可以用如下元素表示：
aij，其中i＝1,2,3,4表示第i个参数，j＝1,2,…,9表示j次实验时取值，比如a13＝a01+Δ,a37＝a03-Δ等；
S305、根据S304的正交实验关系以及如下公式分别计算9中正交电机转速：
例如j＝3时的正交电机转速为：
n3(t)＝n0[1+a13cosθ(t)+a23cos2θ(t)+a33sinθ(t)+a43sin2θ(t)]
其中，a13＝a01+Δ，a23＝a02-Δ，a33＝a03-Δ，a43＝a04-Δ；
优选为，所述S4中，将S3得到的正交转速转化成频率信号，采用公式：
获取频率信号后，通过DSP核心控制模块频率输入进变频器。
优选为，S7、根据S6获取的数据建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件；
采用二次响应面回归方程：
写成矩阵形式，即：
根据S6获取的目标参数值和约束参数值得到目标参数函数为：
约束值1参数函数为：
约束值2参数函数为：
从而确定优化函数和约束条件。
优选为，所述优化函数为：
maxS0(ai),i＝1,2,3,4
基于抽油机自适应功率电机转速优化方法的抽油机自适应功率随动控制系统，包括传感与检测模块、计算机模块、DSP核心控制模块、变频器、异步电机，
传感与检测模块用于实时监测包括目标参数在内的抽油机各项参数，传感与检测模块连接计算机模块形成数据通路；
计算机模块获取传感与检测模块发送的参数，根据获取的参数计算抽油机电机初始转速，生成正交转速，计算机模块连接所述DSP核心控制模块；
DSP核心控制模块根据计算机模块传输的数据将电机转速转化成频率信号，DSP核心控制模块的输出端与变频器的控制端连接，通过变频器驱动异步电机。
计算机模块采用微型工业计算机。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：抽油机自适应功率随动控制系统以抽油机工频下的自身参数为控制基础，使其处于比工频更好的状态运行，实时监测生产参数和运行状态参数，当优化运行状态指标劣于工频状态指标时，系统重新工作在工频下，获取新的控制参数，经过优化后，再一次工作在优化状态，能够根据自身特性、自适应的优化运行。电机转速优化方法将抽油机系统看作黑箱模型，通过正交实验建立电机转速与优化目标参数和约束参数的二次响应面回归方程，脱离了具体的地面和井下模型，具有更好的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例1的方法流程图。
图2为本发明实施例3的控制系统原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
实施例1
参见图1，本发明提供一种抽油机自适应功率电机转速优化方法，
S1、让抽油机在工频条件下稳定运行若干个周期，可选让抽油机运行4-6个周期；
具体为让抽油机在工频条件下稳定运行若干周期，根据抽油机的实际情况，确定电机额定转速n0，变频器可调上限频率fu，以及下限频率fd，变频器可调上限转速
以及最小转速
S2、获取工频条件下抽油机的生产参数和运行状态参数，确定工频指标；
具体为，获得一个冲次内的抽油机生产参数和运行状态参数，包括悬点载荷时间序列PRL(t)、悬点位移时间序列S(t)、电机输入功率时间序列p(t)、电机转角时间序列θ(t)等。
S3、将S2获取的参数作为初始值，计算电机初始转速，生成正交转速；
具体为，根据S2获取的各项参数，计算得到最大载荷PRLmax，最小载荷PRLmin，上冲程载荷波动系数Bu，下冲程载荷波动系数Bd；
判断泵况状态，比如缺液、含气等，计算示功图面积S0；
计算得到电机平均输入功率P、上冲程最大功率pumax、最小功率pumin，下冲程最大功率pdmax、最小功率pdmin等参数。
S4、将S3得到的正交转速转化成频率信号：
将S3得到的正交转速转化成频率信号，采用公式：
获取频率信号后，通过DSP核心控制模块频率输入进变频器。
S5、根据S4的频率信号驱动抽油机电机；
S6、重复步骤S1-S5，获取抽油机在不同转速下稳定运行的目标参数和约束参数；
步骤S6中确定优化目标参数和约束参数，比如可以确定优化目标参数为示功图面积S0，因为示功图面积与泵效成正相关关系，即相同冲次下，示功图面积越大泵效越高，约束参数为最大载荷PRLmax，电机平均输入功率P，电机转速上限
电机转速下限
等。
S7、根据S6获取的数据建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件；
S8、通过S7建立的回归模型通过优化算法获得最优电机转速；
S9、获取S7优化后抽油机的各项参数，当优化指标偏离工频指标时，重复步骤S1-S8。
实施例2
在实施例1的基础上，S3中，计算电机初始转速，生成正交转速的方法为：
S301、根据电机输入功率时间序列p(t)，电机额定转速n0，计算电机近似转速时间序列n0(t)；
S302、对初始电机转速时间序列n0(t)以电机转角时间序列θ(t)为自变量进行二阶傅里叶级数展开，并按照如下电机速度时间序列形式获得初始值a01，a02，a03，a04：
n(t)＝n0[1+a01cosθ(t)+a02cos2θ(t)+a03sinθ(t)+a04sin2θ(t)]，a0i，i＝1,2,3,4；
S303、选取水平因子Δ，Δ＝0.8max|a0i|，i＝1,2,3,4；
确定四因素三水平对照关系；
S304、根据四因素三水平正交实验关系获得正交电机转速，其中电机参数a1，a2，a3，a4的取值可以用如下元素表示：
aij，其中i＝1,2,3,4表示第i个参数，j＝1,2,…,9表示j次实验时取值，比如a13＝a01+Δ,a37＝a03-Δ等；
S305、根据S304的正交实验关系以及如下公式分别计算9中正交电机转速：
例如j＝3时的正交电机转速为：
n3(t)＝n0[1+a13cosθ(t)+a23cos2θ(t)+a33sinθ(t)+a43sin2θ(t)]
其中，a13＝a01+Δ，a23＝a02-Δ，a33＝a03-Δ，a43＝a04-Δ。
实施例3
在上述实施例的基础上，S7、根据S6获取的数据建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件；
采用二次响应面回归方程：
写成矩阵形式，即：
根据S6获取的目标参数值和约束参数值得到目标参数函数为：
约束值1参数函数为：
约束值2参数函数为：
从而确定优化函数和约束条件。
优化函数为：
maxS0(ai),i＝1,2,3,4
实施例4
在实施例1的基础上，基于抽油机自适应功率电机转速优化方法的抽油机自适应功率随动控制系统，包括传感与检测模块、计算机模块、DSP核心控制模块、变频器、异步电机，
传感与检测模块用于实时监测包括目标参数在内的抽油机各项参数，传感与检测模块连接计算机模块形成数据通路；
计算机模块获取传感与检测模块发送的参数，根据获取的参数计算抽油机电机初始转速，生成正交转速，计算机模块连接所述DSP核心控制模块；
DSP核心控制模块根据计算机模块传输的数据将电机转速转化成频率信号，DSP核心控制模块的输出端与变频器的控制端连接，通过变频器驱动异步电机。
实施例5
在实施例1和2的基础上，本方案具体为，抽油机在工频条件下运行一段时间，比如4-6冲次，传感与检测模块获得工频条件下的生产参数和运行状态参数，确定工频指标。高性能微型工业计算机将这些参数作为初始值，计算电机初始转速，生成正交转速，通过DSP核心控制模块将不同的电机转速转化成频率信号，通过变频器驱动异步电机，使得抽油机系统处于在不同电机转速下稳定运行一定时间，比如4-6冲次，传感与检测模块测得目标参数和约束参数，微型工业计算机建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件，通过优化算法求解约束优化问题，获得最优电机转速。通过DSP核心控制模块将电机最优转速转化成频率信号，通过变频器驱动异步电机，使得抽油机系统处于最优运行状态。传感与检测检测模块实时监测包括目标参数在内的抽油机各项参数，后的优化指标，当优化指标偏离工频指标时，系统重新工作在工频模式下一段时间，并以此为依据，再次优化后，进入新的优化运行状态。
电机驱动的抽油机井系统可以看作是黑箱系统，通过外部观测和试验，能够建立输入和输出信息之间的关系。在此基础上，优化方法的关键在于，包括如下步骤：
步骤1，根据设备实际情况，确定电机额定转速n0，变频器可调上限频率fu以及下限频率fd，变频器可调上限转速
以及最小转速
步骤2，抽油机在工频条件下稳定运行时间，获得一个冲次内的其它生产参数和运行状态参数，如悬点载荷时间序列PRL(t)、悬点位移时间序列S(t)、电机输入功率时间序列p(t)、电机转角时间序列θ(t)等。计算得到最大载荷PRLmax，最小载荷PRLmin，上冲程载荷波动系数Bu，下冲程载荷波动系数Bd；判断泵况状态，比如缺液、含气等，计算示功图面积S0；计算得到电机平均输入功率P、上冲程最大功率pumax、最小功率pumax，下冲程最大功率pdmax、最小功率pdmax等参数。
步骤3，确定优化目标参数和约束参数，比如优化目标参数为示功图面积S0，因为示功图面积与泵效成正相关关系，即相同冲次下，示功图面积越大泵效越高，约束参数为最大载荷PRLmax，电机平均输入功率P，电机转速上限
电机转速下限
等，以下优化算法以此为例加以说明。
根据电机输入功率时间序列p(t)，电机额定转速n0，计算电机近似转速时间序列n0(t)；
对初始电机转速时间序列n0(t)以电机转角时间序列θ(t)为自变量进行二阶傅里叶级数展开，并按照如下电机速度时间序列形式获得初始值a01，a02，a03，a04：
n(t)＝n0[1+a01cosθ(t)+a02cos2θ(t)+a03sinθ(t)+a04sin2θ(t)]，a0i，i＝1,2,3,4；
选取水平因子Δ，Δ＝0.8max|a0i|，i＝1,2,3,4。
步骤4，确定四因素三水平对照表
表1因素与水平对照表
| 处理号 | a1 | a2 | a3 | a4 |
| 1(+Δ) | a01+Δ | a02+Δ | a03+Δ | a04+Δ |
| 2(+0) | a01+0 | a02+0 | a03+0 | a04+0 |
| 3(-Δ) | a01-Δ | a02-Δ | a03-Δ | a04-Δ |
步骤5，根据四因素三水平正交实验表获得电机转速形式，如表2所示。
表2正交表L9(34)
| 试验号 | a1 | a2 | a3 | a4 | 转速 |
| 1 | a01+Δ | a02+Δ | a03+Δ | a04+Δ | n1(t) |
| 2 | a01+Δ | a02+0 | a03+0 | a04+0 | n2(t) |
| 3 | a01+Δ | a02-Δ | a03-Δ | a04-Δ | n3(t) |
| 4 | a01+0 | a02+Δ | a03+0 | a04-Δ | n4(t) |
| 5 | a01+0 | a02+0 | a03-Δ | a04+Δ | n5(t) |
| 6 | a01+0 | a02-Δ | a03+Δ | a04+0 | n6(t) |
| 7 | a01-Δ | a02+Δ | a03-Δ | a04+0 | n7(t) |
| 8 | a01-Δ | a02+0 | a03+Δ | a04-Δ | n8(t) |
| 9 | a01-Δ | a02-Δ | a03+0 | a04+Δ | n9(t) |
为了表示方便，表中电机参数a1，a2，a3，a4的取值可以用如下元素表示：
aij，其中i＝1,2,3,4表示第i个参数，j＝1,2,…,9表示j次实验时取值，比如a13＝a01+Δ,a37＝a03-Δ等。
根据表2分别计算9中电机转速，以第一种转速计算为例：
步骤6，将电机转速转化成频率输入进变频器，即
通过DSP核心控制模块频率输入进变频器，由变频器控制异步电机，每种电机转速稳定运行一段时间，抽油机生产参数和运行状态参数检测模块获取不同电机转速下的生产参数和运行状态参数。得到不同电机下的目标参数值和约束参数值，如表3所示。
表3实测目标值和约束参数值
| 试验号 | 转速 | 目标值 | 约束值1 | 约束值2 |
| 1 | n1(t) | S01 | PRL1max | P1 |
| 2 | n2(t) | S02 | PRL2max | P2 |
| 3 | n3(t) | S03 | PRL3max | P3 |
| 4 | n4(t) | S04 | PRL4max | P4 |
| 5 | n5(t) | S05 | PRL5max | P5 |
| 6 | n6(t) | S06 | PRL6max | P6 |
| 7 | n7(t) | S07 | PRL7max | P7 |
| 8 | n8(t) | S08 | PRL8max | P8 |
| 9 | n9(t) | S09 | PRL9max | P9 |
步骤7，选取如下二次响应面回归方程：
根据表3可得目标参数二次响应面回归方程：
于是可得目标参数系数矩阵
为
从而可得拟合后目标参数函数为
即当已知电机转速参数ai，i＝1,2,3,4时，就可以在不需要地面和井下模型的前提下计算出目标参数S0。
同理，可得约束值1参数系数矩阵
为
以及约束值1参数函数
同理，可得约束值2参数系数矩阵
为
以及约束值2参数函数
步骤8，确定优化函数和约束条件
maxS0(ai),i＝1,2,3,4
上述约束优化的意义是在最大可调电机转速和最小可调转速的范围内，示功图最大载荷小于工频下的示功图最大载荷以及平均电机输入功率小于工频下的平均电机输入功率的约束下，需求示功图面积最大的电机转速参数。通过优化算法可以确定最优电机转速参数ai，i＝1,2,3,4。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种抽油机自适应功率电机转速优化方法，其特征在于，
S1、让抽油机在工频条件下稳定运行若干个周期；
S2、获取工频条件下抽油机的生产参数和运行状态参数，确定工频指标；
S3、将S2获取的参数作为初始值，计算电机初始转速，生成正交转速；
S4、将S3得到的正交转速转化成频率信号；
S5、根据S4的频率信号驱动抽油机电机；
S6、重复步骤S1-S5，获取抽油机在不同转速下稳定运行的目标参数和约束参数；
S7、根据S6获取的数据建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件；
S8、通过S7建立的回归模型通过优化算法获得最优电机转速；
S9、获取S7优化后抽油机的各项参数，当优化指标偏离工频指标时，重复步骤S1-S8；
其中，所述步骤S2具体为，获得一个冲次内的抽油机生产参数和运行状态参数，包括悬点载荷时间序列PRL(t)、悬点位移时间序列S(t)、电机输入功率时间序列p(t)、电机转角时间序列θ(t)；
其中，所述步骤S6中确定优化目标参数和约束参数，确定优化目标参数为示功图面积S0，约束参数为最大载荷PRLmax，电机平均输入功率P，电机转速上限
电机转速下限
其中，所述S3中，计算电机初始转速，生成正交转速的方法为：
S301、根据电机输入功率时间序列p(t)，电机额定转速n0，计算电机近似转速时间序列n0(t)；
S302、对初始电机转速时间序列n0(t)以电机转角时间序列θ(t)为自变量进行二阶傅里叶级数展开，并按照如下电机速度时间序列形式获得初始值a01，a02，a03，a04：
n(t)＝n0[1+a01 cosθ(t)+a02 cos 2θ(t)+a03 sinθ(t)+a04 sin 2θ(t)]，a0i，i＝1,2,3,4；
S303、选取水平因子Δ，Δ＝0.8max|a0i|，i＝1,2,3,4；
确定四因素三水平对照关系；
S304、根据四因素三水平正交实验关系获得正交电机转速，其中电机参数a1，a2，a3，a4的取值可以用如下元素表示：
aij，其中i＝1,2,3,4表示第i个参数，j＝1,2,…,9表示j次实验时取值；
S305、根据S304的正交实验关系以及如下公式分别计算正交电机转速：
其中，所述S4中，将S3得到的正交转速转化成频率信号，采用公式：
获取频率信号后，通过DSP核心控制模块频率输入进变频器；
其中，所述S7、根据S6获取的数据建立目标参数和约束参数二次响应面回归模型，确定优化函数和约束条件；
采用二次响应面回归方程：
写成矩阵形式，即：
根据S6获取的目标参数值和约束参数值得到目标参数函数为：
约束值1参数函数为：
约束值2参数函数为：
从而确定优化函数和约束条件；
所述优化函数为：
max S0(ai),i＝1,2,3,4
2.根据权利要求1所述的抽油机自适应功率电机转速优化方法，其特征在于，所述S1让抽油机在工频条件下稳定运行若干周期，根据抽油机的实际情况，确定电机额定转速n0，变频器可调上限频率fu，以及下限频率fd，变频器可调上限转速
以及最小转速
3.根据权利要求1所述的抽油机自适应功率电机转速优化方法，其特征在于，所述步骤S3具体为，根据所述S2获取的各项参数，计算得到最大载荷PRLmax，最小载荷PRLmin，上冲程载荷波动系数Bu，下冲程载荷波动系数Bd；
判断泵况状态，计算示功图面积S0；
计算得到电机平均输入功率P、上冲程最大功率pu max、最小功率pu min，下冲程最大功率pd max、最小功率pd min。
4.基于权利要求1-3任一项所述的抽油机自适应功率电机转速优化方法的抽油机自适应功率随动控制系统，其特征在于，包括传感与检测模块、计算机模块、DSP核心控制模块、变频器、异步电机，
传感与检测模块用于实时监测包括目标参数在内的抽油机各项参数，传感与检测模块连接计算机模块形成数据通路；
计算机模块获取传感与检测模块发送的参数，根据获取的参数计算抽油机电机初始转速，生成正交转速，计算机模块连接所述DSP核心控制模块；
DSP核心控制模块根据计算机模块传输的数据将电机转速转化成频率信号，DSP核心控制模块的输出端与变频器的控制端连接，通过变频器驱动异步电机。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1600322A2 (en) * | 2004-05-27 | 2005-11-30 | Nissan Motor Company, Limited | Model predictive control apparatus |
| CN102043900A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-05-04 | 河海大学 | 基于示功图的有杆抽油系统故障预测方法 |
| CN104136778A (zh) * | 2011-11-08 | 2014-11-05 | 勒夫金工业有限责任公司 | 具有用于杆柱的主动控制的气动平衡的低轮廓杆式泵送单元 |
| CN106026836A (zh) * | 2016-05-23 | 2016-10-12 | 中国石油大学(华东) | 一种抽油机多模式驱动控制系统 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1600322A2 (en) * | 2004-05-27 | 2005-11-30 | Nissan Motor Company, Limited | Model predictive control apparatus |
| CN102043900A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-05-04 | 河海大学 | 基于示功图的有杆抽油系统故障预测方法 |
| CN104136778A (zh) * | 2011-11-08 | 2014-11-05 | 勒夫金工业有限责任公司 | 具有用于杆柱的主动控制的气动平衡的低轮廓杆式泵送单元 |
| CN106026836A (zh) * | 2016-05-23 | 2016-10-12 | 中国石油大学(华东) | 一种抽油机多模式驱动控制系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 变频游梁式抽油系统动态仿真与实时频率优化;董世民等;《中国机械工程》;20160621(第12期);第27-32页 * |
| 基于Fluent的抽油泵水力学研究;杨雪;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20161215;正文第15-30页 * |
| 整体区块抽油机井节能仿真优化设计研究;张喜顺;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20100815;正文第20-43页 * |
| 鱼群算法优化组合核函数GPR的油井动液面预测;李翔宇等;《东北大学学报(自然科学版)》;20170115(第01期);第14-18页 * |
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