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【摘要】由于射孔器高温常压试验的需要，旧的设备已经不能满足试验要求，因此需要优选出新的加热炉温度控制系统。本文对加热炉温度控制系统的特点进行简要介绍，优选出专家系统智能自整定控制系统，并对该控制系统的原理和自整定程序模块流程进行了较为详细的介绍，最终通过试验验证表明其优越性。
【关键词】高温常压加热炉温度控制专家系统智能自整定控制
油气井射孔是石油勘探和开发的一项关键技术，射孔技术工艺的水平直接影响油气井预期产能实现和油气层的保护，所以对射孔弹性能进行试验研究意义重大[1]。射孔器高温常压试验是美国石油协会API RP19B第2版第3章的内容，用于检验射孔器的高温常压性能[2]。鉴于高温常压试验在射孔器检验中的重要性和必要性，中心将射孔器的高温常压试验系统作为本次系列改造的任务之一，调研了目前国内外各种关于加热炉温度控制方法的优缺点，通过比较优选出适合本项目技术要求的加热炉温度控制方法，根据所选用的温度控制方法，对加热炉温度控制进行整体设计。
1、加热炉设计总体方案
电加热炉主要技术指标：
①加热对象为一个组合体，其内壁净空间尺寸约为：1.2m×1.2m×1.8m；
②加热温度为上限为300℃，控制精度为±5℃；
③加热保温时间为120h；
④操作介质：空气；
⑤功率：37.84kW。
2、加热炉温度控制的特点
电加热炉具有非线性、时变性、大滞后、不对称等特点。由于炉温取决于加热元件的发热量、散热量和负荷的情况，发热时间总比传热时间短得多，所以炉温动态特性主要由传热过程决定，传导、对流、辐射三种传热方式都在起作用，只是在不同温区所占比例不同，三者中只有传导是线性的，辐射是绝对温度的四次方，对流则更加复杂，故电加热炉是一个本质非线性的系统[3]。
3、专家系统智能自整定控制
電加热炉装置工业控制系统一般采用传统的PID控制方法，但PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，即耗时又耗力，考虑到加热炉温度控制系统的非线性、参数不确定性及时变性的特点，常规的PID算法难以完成良好的控温任务[4]。所以本次设计采用专家系统智能自整定的控制理论，这种“专家模式”是将具有顶尖技术的操作人员（指专家）在多年的实践累积到的宝贵的经验整体呈知识体系，用PID控制规则模型化（指PID控制器），利用专家系统知识库知识修正PID参数，改变PID控制方式以达到最佳PID控制效果。专家控制规则根据误差绝对值|e|和误差变化率绝对值|ec|的大小决定控制方式和是否需修改比例系数Kp、改变积分增益Ki和微分增益Kd。
①当|e|较大时，为了加快系统的响应速度并避免因开始的|e|的偏差的瞬间变大，而使控制作用超出许可范围，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调量，应取较大的Kp，较小的Kd，且使Ki=0。
②当|e|和|ec|为中等大小时，为使系统相应的超调量减少，应取较小的Kp、Kd，Ki大小应适中，以保证系统的响应速度。
③当|e|较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应增大Kp、Ki值，同时避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰能力，故Kd值的选取相当重要，其原则为：当|ec|较小时，Kd应取大一些；当|ec|较大时，Kd应取小一些。
专家系统智能自整定PID控制器的原理框图如图1所示。专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义调节器，专家知识库中已经把熟练操作工或专家的经验和知识，构成PID参数选择手册，这样对被控过程对象的知识了解可大大降低，仅根据输入、输出信息，就能实现智能自整定控制[5]。
专家系统自整定PID控制器参数的原理框图可用图2表示。其算法包括三部分：
①测试对象的阶跃响应，根据科恩一库思（Cohn-Coony）公式计算出受控对象特征参数K，TP，τ。
②将在线测量的特征参数送入专家系统，在知识库内进行搜索查询，做出推理决策，重新整定PID参数。
③监督级的主要作用是保证微机测试对象特性及专家系统整定PID参数的正常进行，并用来确保控制系统的安全可靠运行。
模块化结构是该控制器系统软件的主要特点。本控制系统采用先进的工业级固态继电器SSR、岛电最新调功调压一体化模板PAC03I及性能优良的温度显示控制仪表，提高了控制的灵活性、精确度和安全可靠度，同时有效的节约了电能，降低了企业成本。
4、结论
该专家系统智能自整定的控制系统完全实现自动化，只需在微机中设定加热的目标温度和保温的时间，就可在指定的时间内达到目标值并自动停止。此外还设有过载保护，超过最高设定温度可自动断电，操作非常简便，安全稳定。系统在3小时内可实现升温至300℃，在120小时保温过程中，温度在300℃上下浮动不超过4℃，控制精度高。各项指标均符合技术要求，顺利通过验收，试验数据见图3 ，取得了很好的试验效果。
参考文献
[1]李海涛，王永清.复杂结构井射孔完井设计理论与应用[M].长沙：湖南科学技术出版社，2009：115-118.
[2]孙新波，李险峰，刘辉等.油气井射孔器检测技术发展状况综述[J].爆破器材，2007，36（6）：5-9.
[3]蒋小平，田元，刘建，王利军.基于非线性模型的电加热温度控制器的设计[J].自动化与仪表，2010，25（3）：29-32.
[4]孙鑫，易开祥，费敏锐.电加热炉温神经网络控制及解耦[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（3）：357-359.
[5]江磊，陈新楚.新型专家系统PID控制器的设计[J].江苏电器，2006，（4）：7-10.
作者简介
荆立英：女，1980年生，大庆人，东北石油大学石油工程在读硕士研究生。刘斌：男，1980年生，大庆人，东北石油大学控制工程在读研究生，浙江大学地质工程在读研究生。
【关键词】高温常压加热炉温度控制专家系统智能自整定控制
油气井射孔是石油勘探和开发的一项关键技术，射孔技术工艺的水平直接影响油气井预期产能实现和油气层的保护，所以对射孔弹性能进行试验研究意义重大[1]。射孔器高温常压试验是美国石油协会API RP19B第2版第3章的内容，用于检验射孔器的高温常压性能[2]。鉴于高温常压试验在射孔器检验中的重要性和必要性，中心将射孔器的高温常压试验系统作为本次系列改造的任务之一，调研了目前国内外各种关于加热炉温度控制方法的优缺点，通过比较优选出适合本项目技术要求的加热炉温度控制方法，根据所选用的温度控制方法，对加热炉温度控制进行整体设计。
1、加热炉设计总体方案
电加热炉主要技术指标：
①加热对象为一个组合体，其内壁净空间尺寸约为：1.2m×1.2m×1.8m；
②加热温度为上限为300℃，控制精度为±5℃；
③加热保温时间为120h；
④操作介质：空气；
⑤功率：37.84kW。
2、加热炉温度控制的特点
电加热炉具有非线性、时变性、大滞后、不对称等特点。由于炉温取决于加热元件的发热量、散热量和负荷的情况，发热时间总比传热时间短得多，所以炉温动态特性主要由传热过程决定，传导、对流、辐射三种传热方式都在起作用，只是在不同温区所占比例不同，三者中只有传导是线性的，辐射是绝对温度的四次方，对流则更加复杂，故电加热炉是一个本质非线性的系统[3]。
3、专家系统智能自整定控制
電加热炉装置工业控制系统一般采用传统的PID控制方法，但PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，即耗时又耗力，考虑到加热炉温度控制系统的非线性、参数不确定性及时变性的特点，常规的PID算法难以完成良好的控温任务[4]。所以本次设计采用专家系统智能自整定的控制理论，这种“专家模式”是将具有顶尖技术的操作人员（指专家）在多年的实践累积到的宝贵的经验整体呈知识体系，用PID控制规则模型化（指PID控制器），利用专家系统知识库知识修正PID参数，改变PID控制方式以达到最佳PID控制效果。专家控制规则根据误差绝对值|e|和误差变化率绝对值|ec|的大小决定控制方式和是否需修改比例系数Kp、改变积分增益Ki和微分增益Kd。
①当|e|较大时，为了加快系统的响应速度并避免因开始的|e|的偏差的瞬间变大，而使控制作用超出许可范围，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调量，应取较大的Kp，较小的Kd，且使Ki=0。
②当|e|和|ec|为中等大小时，为使系统相应的超调量减少，应取较小的Kp、Kd，Ki大小应适中，以保证系统的响应速度。
③当|e|较小时，为使系统具有良好的稳态性能，应增大Kp、Ki值，同时避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰能力，故Kd值的选取相当重要，其原则为：当|ec|较小时，Kd应取大一些；当|ec|较大时，Kd应取小一些。
专家系统智能自整定PID控制器的原理框图如图1所示。专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义调节器，专家知识库中已经把熟练操作工或专家的经验和知识，构成PID参数选择手册，这样对被控过程对象的知识了解可大大降低，仅根据输入、输出信息，就能实现智能自整定控制[5]。
专家系统自整定PID控制器参数的原理框图可用图2表示。其算法包括三部分：
①测试对象的阶跃响应，根据科恩一库思（Cohn-Coony）公式计算出受控对象特征参数K，TP，τ。
②将在线测量的特征参数送入专家系统，在知识库内进行搜索查询，做出推理决策，重新整定PID参数。
③监督级的主要作用是保证微机测试对象特性及专家系统整定PID参数的正常进行，并用来确保控制系统的安全可靠运行。
模块化结构是该控制器系统软件的主要特点。本控制系统采用先进的工业级固态继电器SSR、岛电最新调功调压一体化模板PAC03I及性能优良的温度显示控制仪表，提高了控制的灵活性、精确度和安全可靠度，同时有效的节约了电能，降低了企业成本。
4、结论
该专家系统智能自整定的控制系统完全实现自动化，只需在微机中设定加热的目标温度和保温的时间，就可在指定的时间内达到目标值并自动停止。此外还设有过载保护，超过最高设定温度可自动断电，操作非常简便，安全稳定。系统在3小时内可实现升温至300℃，在120小时保温过程中，温度在300℃上下浮动不超过4℃，控制精度高。各项指标均符合技术要求，顺利通过验收，试验数据见图3 ，取得了很好的试验效果。
参考文献
[1]李海涛，王永清.复杂结构井射孔完井设计理论与应用[M].长沙：湖南科学技术出版社，2009：115-118.
[2]孙新波，李险峰，刘辉等.油气井射孔器检测技术发展状况综述[J].爆破器材，2007，36（6）：5-9.
[3]蒋小平，田元，刘建，王利军.基于非线性模型的电加热温度控制器的设计[J].自动化与仪表，2010，25（3）：29-32.
[4]孙鑫，易开祥，费敏锐.电加热炉温神经网络控制及解耦[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23（3）：357-359.
[5]江磊，陈新楚.新型专家系统PID控制器的设计[J].江苏电器，2006，（4）：7-10.
作者简介
荆立英：女，1980年生，大庆人，东北石油大学石油工程在读硕士研究生。刘斌：男，1980年生，大庆人，东北石油大学控制工程在读研究生，浙江大学地质工程在读研究生。