朱曉梅，洪 黎，田昌文，裴廣領(lǐng)，裴彩霞

（河南石油勘探局a.鉆井工程公司；b.機(jī)動(dòng)處，河南南陽473132） ①

自適應(yīng)振動(dòng)篩自學(xué)習(xí)機(jī)理研究

朱曉梅a，洪 黎b，田昌文a，裴廣領(lǐng)a，裴彩霞a

（河南石油勘探局a.鉆井工程公司；b.機(jī)動(dòng)處，河南南陽473132）①

為更好地提高振動(dòng)篩適應(yīng)外界工況變化的能力，將自適應(yīng)控制理論應(yīng)用到振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的調(diào)整中。研究了振動(dòng)篩的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)過程，對參數(shù)估計(jì)、自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)和自學(xué)習(xí)控制閉環(huán)進(jìn)行監(jiān)測。詳述帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)振動(dòng)篩，全面提升振動(dòng)篩性能，以推動(dòng)一種新型振動(dòng)篩的誕生。

自適應(yīng)振動(dòng)篩；監(jiān)測與協(xié)調(diào)；閉環(huán)控制；自學(xué)習(xí)機(jī)理

鉆井液振動(dòng)篩的工作環(huán)境為露天井場，工作條件惡劣。而作為現(xiàn)代鉆井成套固控設(shè)備中必不可少的第1級基本篩分設(shè)備——鉆井液振動(dòng)篩，其工作性能的好壞直接決定了固控系統(tǒng)是否能夠很好地完成任務(wù)［1］。目前，對振動(dòng)篩的研究僅局限于單純地對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的檢測和簡單獲得其性能參數(shù)，不能很好地滿足振動(dòng)篩工況的需要［2］。將自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制這一概念引入到振動(dòng)篩的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的調(diào)整中，能較好地適應(yīng)外界工況的變化。

1 自適應(yīng)振動(dòng)篩自學(xué)習(xí)理論

由于振動(dòng)篩的工況相當(dāng)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)性能參數(shù)比較多，很難預(yù)先給振動(dòng)篩自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)確定1個(gè)固定的診斷標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值［3］，最簡單而且可靠的辦法就是與它在正常時(shí)的狀態(tài)作比較；振動(dòng)篩正常時(shí)的工作狀態(tài)無“跑漿”、“篩堵”等異?，F(xiàn)象的發(fā)生，且篩分效果好。一旦確定振動(dòng)篩的正常工作狀態(tài)，自適應(yīng)振動(dòng)篩控制系統(tǒng)也就獲得了振

采用頻域診斷法時(shí)建立“標(biāo)準(zhǔn)譜”的過程如下［4］：

在自適應(yīng)振動(dòng)篩控制系統(tǒng)正常工作的情況下，不斷采集診斷信號并計(jì)算功率譜，這樣經(jīng)過一段時(shí)間就會(huì)得到大量的功率譜數(shù)據(jù)Si（k），i＝1，2，…，l，其中i表示第i段信號。由此便可以計(jì)算出各個(gè)譜線的均值）和方差σ（k），即

這樣對每條譜線都能建立起近似的標(biāo)準(zhǔn)值Silimit（k），即

照此建立置信區(qū)間，高斯分布的置信度可達(dá)99.73%。這些標(biāo)準(zhǔn)值被存到計(jì)算機(jī)，自適應(yīng)振動(dòng)篩控制系統(tǒng)完成了自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)過程，計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)；如果發(fā)現(xiàn)某條譜線超出標(biāo)準(zhǔn)值，即Si（k）≥Silimit（k），則報(bào)警并對信號作進(jìn)一步分析處理，以完成各種規(guī)定的診斷及判決。

2 自適應(yīng)振動(dòng)篩監(jiān)測與協(xié)調(diào)技術(shù)

自學(xué)習(xí)是自適應(yīng)振動(dòng)篩控制系統(tǒng)中的核心。為了成功應(yīng)用模型參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器，要求所有用來推導(dǎo)振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)和自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器設(shè)計(jì)的假設(shè)全部得到滿足，同時(shí)設(shè)計(jì)振動(dòng)篩參數(shù)應(yīng)選擇正確。但在實(shí)際自適應(yīng)振動(dòng)篩控制過程中，這些條件會(huì)由于某種原因而不能得到滿足，這樣，參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器的性能就會(huì)下降甚至不能接受［5］。因此，有必要對參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測與協(xié)調(diào)。

2.1 對參數(shù)估計(jì)進(jìn)行監(jiān)測

對自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的主要目的是保證辨識模型與真實(shí)模型的輸入－輸出行為匹配得足夠好。在振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)的監(jiān)測與協(xié)調(diào)過程中除了進(jìn)行模型驗(yàn)證，還要進(jìn)行別的處理，例如：適時(shí)關(guān)閉參數(shù)估計(jì)；對估計(jì)值濾波；重新啟動(dòng)參數(shù)估計(jì)和改變估計(jì)參數(shù)等。

按照振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)性能參數(shù)估計(jì)法，可用下述量化標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)估計(jì)算法［6－8］。

1） 振動(dòng)篩性能參數(shù)信號值：①先驗(yàn)誤差e（k）；②e（k）的平均值；③e（k）的方差；④自相關(guān)函數(shù)中Φee（k）；⑤互相關(guān)函數(shù)中Φue（k）；⑥估計(jì)過程的損失函數(shù)V（k）。

2） 振動(dòng)篩性能參數(shù)值：①估計(jì)振動(dòng)篩參數(shù)的平均值；②估計(jì)振動(dòng)篩參數(shù)的方差；③協(xié)方差矩陣P（k）；④信息矩陣H（k）＝P－1（k）；⑤估計(jì)過程的特征值Zi＝1－ψT（k）γ（k）（i＝1，2，…，n）。

通過上述各值的組合搭配可以監(jiān)測估計(jì)器的錯(cuò)誤，并對其原因進(jìn)行歸類，然后采取適當(dāng)?shù)拇胧└倪M(jìn)振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)。

振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)的過程特性快速變化、強(qiáng)非線性過程工作點(diǎn)的快速改變都會(huì)給過程模型辨識造成困難。在監(jiān)測與協(xié)調(diào)級，可以監(jiān)測先驗(yàn)誤差e（k）、方差σ2e（k）、損失函數(shù)V（k）。如果相應(yīng)值超出了一定的界限，則減小遺忘因子，使相應(yīng)值回到允許范圍。對于過程特性變化速度非常快、幅度非常大的情況，可以減小遺忘因子，增大先驗(yàn)誤差，以此使自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器緩慢接受振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)值。同時(shí)，將協(xié)方差陣做相應(yīng)改動(dòng)可以加快收斂過程。疊加在過程輸出上的外部擾動(dòng)（例如：階躍變化、信號漂移、沖激信號）對振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)過程的假設(shè)條件是一種破壞，它使振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)值產(chǎn)生與過程動(dòng)力學(xué)無關(guān)的劇烈變化，從而使自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器的控制性能惡化。對于特征頻率在過程帶寬之內(nèi)的周期干擾信號，情況類似。

由于擾動(dòng)的作用，振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)值會(huì)發(fā)生階躍變化，經(jīng)過幾個(gè)采樣周期后（與遺忘因子有關(guān)）恢復(fù)原值。不穩(wěn)定的及周期的擾動(dòng)體現(xiàn)在振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)值的變化和先驗(yàn)誤差e（k）、方差σ2e（k）及矩陣P的軌跡上［6］。經(jīng)過一段時(shí)間，這些參數(shù)會(huì)恢復(fù)原狀。在此過程中，自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器不應(yīng)發(fā)出控制動(dòng)作。另一種更好的方法是在擾動(dòng)影響到振動(dòng)篩參數(shù)之前就對振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)過程進(jìn)行干預(yù)，即在把過程輸出的振動(dòng)篩測量值用于振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)前，用信號衰減分析法對其進(jìn)行評價(jià)。用這種方法可以在幾個(gè)采樣周期內(nèi)識別出階躍變化、信號漂移、沖激信號和周期性擾動(dòng)信號。當(dāng)發(fā)現(xiàn)與以往信號不相符的輸出時(shí)，關(guān)閉振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)和靜態(tài)量估計(jì)。待對擾動(dòng)進(jìn)行分類后，按照給定控制方案，再打開振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)和靜態(tài)量估計(jì)功能。對于自適應(yīng)振動(dòng)篩的控制環(huán)中參考信號的強(qiáng)制改變，不進(jìn)行監(jiān)測與協(xié)調(diào)。

當(dāng)參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制環(huán)受到不確定的影響時(shí)，振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)可能會(huì)失敗，對于復(fù)雜系統(tǒng)尤其是這樣（過程模型無法逼真近似）。

振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，衰減信號的均值及方差都會(huì)單調(diào)增加，矩陣P的軌跡將不會(huì)單調(diào)減小。此時(shí)建議重新啟動(dòng)振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)法，但這會(huì)造成自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器的控制效果暫時(shí)惡化。如果不允許這種暫時(shí)的惡化，可以減小遺忘因子，同時(shí)在過程輸人信號中疊加適當(dāng)?shù)募?lì)測試信號。

2.2 對自適應(yīng)控制器進(jìn)行監(jiān)測

除了振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)監(jiān)測外，對自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器設(shè)計(jì)也應(yīng)監(jiān)測。用監(jiān)測與協(xié)調(diào)級指導(dǎo)控制器的計(jì)算，可以提高參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制環(huán)的安全性，降低計(jì)算復(fù)雜度，減少參數(shù)快速頻繁變化對自適應(yīng)控制器的影響。為避免使用自適應(yīng)控制器時(shí)不符合假設(shè)條件（或該條件被破壞），可以對這些假設(shè)條件進(jìn)行檢查，如果出現(xiàn)過程結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)不匹配，過程極點(diǎn)消失，過程零點(diǎn)接近或跑出單位圓［7］。在監(jiān)測與協(xié)調(diào)級中對于自適應(yīng)控制器和振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)器可以使用不同的采樣時(shí)間。

在泥漿過程參數(shù)變化不大時(shí)，可以跟蹤振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)值的時(shí)變均值并計(jì)算其方差。這時(shí)，若遺忘因子λ＜1，遞推振動(dòng)篩估計(jì)器能夠跟蹤泥漿過程參數(shù)的變化，從而可以計(jì)算自適應(yīng)控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩自適應(yīng)功能。但是對于泥漿過程參數(shù)的大變化，遞推振動(dòng)篩估計(jì)器就不能快速靈敏地跟蹤了。在這種情況下，自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器參數(shù)的計(jì)算暫停一段時(shí)間，在線控制使用上一組控制參數(shù)。暫態(tài)變化過程結(jié)束后，過程參數(shù)估計(jì)進(jìn)人一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)（如圖1所示，圖中a1為初始傾角；＾aF1為經(jīng)過濾波的特性；＾a1為未經(jīng)過濾波的特性），此時(shí)重新開始控制器的參數(shù)計(jì)算。

圖1 監(jiān)測控制器參數(shù)估計(jì)過程的特性

2.3 對自適應(yīng)振動(dòng)篩自學(xué)習(xí)控制閉環(huán)的監(jiān)測

對于閉環(huán)，特別是振動(dòng)篩參數(shù)自適應(yīng)控制閉環(huán)的監(jiān)測，必須分析從井底返回地面的泥漿控制量和振動(dòng)篩被控信號［8］。如果在自適應(yīng)振動(dòng)篩閉環(huán)控制過程中泥漿控制量處于允許范圍的上界或下界，并且對于恒定參考信號控制偏差e（k）＝w（k）－y（k）單調(diào)增加或振蕩，那么系統(tǒng)應(yīng)切換至預(yù)辨識階段設(shè)計(jì)的后備自適應(yīng)控制器。

3 帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的自學(xué)習(xí) 自適應(yīng)振動(dòng)篩

監(jiān)測和必要的協(xié)調(diào)可以用3個(gè)反饋環(huán)來實(shí)現(xiàn)（如圖2），具備發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、診斷錯(cuò)誤、啟動(dòng)補(bǔ)救方法、監(jiān)測振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)和自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器設(shè)計(jì)過程。當(dāng)發(fā)現(xiàn)算法錯(cuò)誤時(shí)，采取措施避免控制性能的進(jìn)一步惡化；監(jiān)測閉環(huán)穩(wěn)定性，當(dāng)參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器失穩(wěn)時(shí)采取措施；啟動(dòng)過程的協(xié)調(diào)機(jī)制，當(dāng)一套新的自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器參數(shù)投人使用前進(jìn)行決策；對估計(jì)出的過程振動(dòng)篩參數(shù)進(jìn)行濾波；對參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制性能進(jìn)行一般性改善，例如修改采樣時(shí)間等9項(xiàng)功能［9］。監(jiān)測和協(xié)調(diào)級的作用是識別、減少和消除振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)過程及自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器設(shè)計(jì)過程或閉環(huán)行為可能造成的缺陷。

圖2 帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的自適應(yīng)振動(dòng)篩自學(xué)習(xí)控制環(huán)

自適應(yīng)振動(dòng)篩自學(xué)習(xí)控制環(huán)在指定了自由參數(shù)，對振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)器和自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器設(shè)計(jì)設(shè)定了初始條件后，可對閉環(huán)進(jìn)行啟動(dòng)。在預(yù)辨識階段，為了估計(jì)過程模型參數(shù)并獲得1個(gè)開環(huán)下的良好初始模型，可用1個(gè)足夠強(qiáng)的信號對過程進(jìn)行擾動(dòng)。經(jīng)過一段足夠長的辨識時(shí)間，通過檢查辨識出來的模型與真實(shí)過程的輸入－輸出關(guān)系，驗(yàn)證估計(jì)的過程模型。在啟動(dòng)1個(gè)參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制環(huán)之前，可以為過程辨識模型和用于預(yù)辨識的工作點(diǎn)計(jì)算1個(gè)后備控制器［10］。當(dāng)參數(shù)自適應(yīng)控制環(huán)失穩(wěn)時(shí)，可以切換到后備控制器，操縱系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定的工作點(diǎn)。

與基本參數(shù)自適應(yīng)自學(xué)習(xí)控制器相比，帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的參數(shù)自適應(yīng)控制器對性能和穩(wěn)定性有極大的改善。對1個(gè)線性3階低通過程（其輸出受到隨機(jī)泥漿變量信號n（k）的干擾）使用DB控制器：在A段，過程參數(shù)和參考信號發(fā)生了變化；在B段，過程增益發(fā)生了變化；在C段，為了進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，在過程輸出信號上疊加了一個(gè)外部信號［11－13］。

如圖3～4所示，對于基本參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器，在A段，振動(dòng)篩參數(shù)估計(jì)值和自適應(yīng)振動(dòng)篩控制器參數(shù)變化很大，以至控制信號u（k）與過程輸出y（k）變化很大；在B段，過程增益的較大變化引起了不帶監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的參數(shù)自適應(yīng)控制器控制性能的惡化；在C段，過程輸出信號上疊加外部測試信號引起了控制的不穩(wěn)定，而帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的參數(shù)自適應(yīng)控制器在處理擾動(dòng)方面具有優(yōu)勢。

圖3 不帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制過程

圖4 帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的參數(shù)自適應(yīng)振動(dòng)篩控制過程

4 結(jié)語

自適應(yīng)振動(dòng)篩是一種帶有監(jiān)測與協(xié)調(diào)級的全新型振動(dòng)篩，具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能。應(yīng)用現(xiàn)代靜、動(dòng)態(tài)測控技術(shù)監(jiān)測參數(shù)，可獲取振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化參數(shù)，全面提升產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩整機(jī)及零部件的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，提高篩分效果和振動(dòng)篩的處理量，以推動(dòng)鉆井泥漿固控技術(shù)發(fā)展。

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Self－learning Mechanism Research on Auto－adapted Shale Shaker

ZHU Xiao－meia，HONG Lib，TIAN Chang－wena，PEI Guang－linga，PEI Cai－xiaa
（a.Drilling Engineering Company；b.Mobile Department，Henan Petroleum Exploration Bureau，Nanyang473132，China）

In order to improve the capability of the shale shaker to adapt to the external conditions change，the adaptive control theory is applied to the shaker’s examination of the dynamic property parameter；according to the research on the self－learning and adaptive process of Auto－adapted Shale Shaker，the article monitors the parameter estimation，the design on adaptive controller and self－learning control loop，and details Self－learning adaptive shale shaker with the monitoring and coordination level to comprehensively enhance the shaker’s performance and promote a new vibration sieve will be born.

auto－adapted shale shaker；monitoring and coordination level；control loop；self－learning mechanism

1001－3482（2011）12－0016－05

TE926

A

2011－06－30

朱曉梅（1982－），女，山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事石油機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的研究，E－mail：zjgsjdk＠163.com。動(dòng)篩動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)，考慮到即使是同一類型的設(shè)備，由于制造和安裝誤差的影響，標(biāo)準(zhǔn)值也有一定的分散，這就要求在建立診斷誤差文檔時(shí)要根據(jù)不同對象通過自學(xué)習(xí)過程以建立相應(yīng)的“適值門坎”。另外，即使是同1臺設(shè)備，在作為其診斷依據(jù)的診斷信號中都含有大量的隨機(jī)因素，為使其建立的診斷標(biāo)準(zhǔn)或閥值具有儀器的置信概率，在建立診斷文檔時(shí)多采用統(tǒng)計(jì)的方法以保證一定的隨機(jī)適應(yīng)能力。