1、1压裂车变速箱模糊控制器的设计摘要：压裂车是油田的重要工程车辆，能够完成压裂增产的工作，压裂车主要由底盘，台上发动机，变速箱，高压泵组成。结合压裂车的实际使用情况，优化变速箱换挡控制，采用模糊控制设计，提高系统的整体性能。 Abstract： Fracturing truck is an important engineering vehicle， which can complete the work of fracturing stimulation. Fracturing truck is mainly composed of chassis， engine， transmission，
2、 high pressure pump. Combined with the actual use of the fracturing truck， the shift control of the gearbox is optimized， and the fuzzy control design is adopted to improve the overall performance of the system. 关键词：压裂车；变速箱；模糊控制 Key words： fracturing truck；gearbox；fuzzy control 中图分类号：TP183 文献标识码：A 文
3、章编号：1006-4311（2017）06-0103-02 0 引言 压裂车的主要用途是压裂作业，压裂作业的作用是为油田增产。压裂车主要由底盘，台上发动机，变速箱和高压泵组成。变速箱连接发动机和高压泵，通过变速箱档位的变换起到调节高压泵工作排量的目的。2压裂施工时是由十几台甚至几十台压裂车同时工作，当要改变排量时，传统的操作方法是认为手动操作来调整某台压裂车的档位，这种人为的操作并不一定是最优的，有可能造成排量冲击较大，影响压裂施工质量，进而影响最终出油量。采用模糊控制方式，减少了由于换挡造成的排量和压力波动，压裂造缝均匀，增产效果明显。 1 模糊控制器组构和算法 模糊控制理论应用必须要解决以
4、下三个问题：确定结构，即明确模糊控制器的输出和输入。明确输出变量和输入变量的论域，控制器的参数；如：比例因子和量化因子等。利用传感器在控制器中读取输入量，然后模拟化处理输入量，使其变成模糊集合的隶属度函数。 下面就以上三个方面设计模糊控制器。 2 模糊 PID 控制器结构 控制器并不直接影响控制量 u，是由整定参数（PID 参数）对被控制?蠼?行控制决定的。 依照模糊控制器输入量个数划分，可将模糊控制器分成三类，即一维模糊控制器、二维模糊控制器、三维模糊控制器，通常最常见的是二维模糊控制器，即输入为偏差量和偏差的微分。模糊 PID 控制器的输入用来整定 PID 参数，所以为三输出模糊控制器，输
5、出为Kp、Ki、Kd，如图 1 所示，为模糊控制器系统结构图。 根据模糊控制器的输入量，控制器分为：一维模糊控制器；二维模糊控制器；三维模糊控制器。 二维模糊控制器是最为常见的。 3模糊控制器的输入用来整定 PID 参数，结构图如图 1 所示。 3 模糊的方法 在模糊控制器的设计中，将输入量的精确量模糊化是第一步。输入量 e 和 ec 都是精确值，而在模糊推理中的操作是离散量。 模糊化过程包括以下几个环节：确定输入输出实际值范围确定其论域确定比例因子和量化因子选择合适的模糊语言变量确定输入输出隶属度函数。 4 论域的选择 基础论域是指模糊控制器的输入变量的实际范围和输出变量的实际变化范围。基础
6、论域是精确值，设 e 的基本论域-emax，emax，ec 的基本论域为-ecmax，ecmax。取正整数 m，令 e 的量化论域为-m，-m+1，0，m-1，m，则 m 为将0，emax范围内连续变化的偏差离散化（量化）后分成的级数，这样就使 e 离散化。同理取正整数 n，则ec 的量化论域为-n，-n+1，0，n-1，n，级数为 n。理论上讲，量化等级过于细分会使算法复杂，一般取 m=6，这样就组成包含 13 个整数的量化论域集合。 Ke 和 Kec 直接影响系统，Ke 较大时，使误差的基本论域缩短了，使误差变量的控制作用增大，这样做的结果是超调量过大，过渡过程时间变长，上升时间变短。Ke
7、c 与 Ke 恰恰相反，Kec 对超调量的遏制作用效果显著。通常，Ke 增加，会降低稳态误差；Kec 增大，会缩小；稳态时误差变化率。这说明 Ke、Kec 都会对动态性能产生影响，两方面的作用都不容忽视。 45 模糊控制器语言 模糊语言变量的各个模糊集合应该合理定义，要使它们较好的覆盖整个论域，要使它们全体在模糊论域上的分布合理。为了不出现灵敏区的“空挡” ，论域中的任何一个元素的隶属度最大值都不能太小。如果太小，甚至造成失控，系统性能变坏。 之前选取的论域为-8，8，总共 17 个，通常模糊控制语言个数8个，要想得到良好的控制效果，最好将论域中的元素个数设置为模糊控制语言的 23 倍取输入变
8、量 e，ec 和输出变量 Kp、Ki、Kd 的模糊控制语言为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。 6 隶属度函数的选择 隶属函数确定方法不是固定的，它是由总结操作者的控制经验来确定。隶属函数离散化，就得到隶属度，构成模糊变量的模糊集合。模糊集合是通过隶属函数来描述的，本质就是确定模糊集合隶属函数曲线的形状。 语言变量是由它的语言值得集合来描述的。可以通过图形、表格、公式及坐标等隶属函数的表示方法进行描述这些语言值的模糊集合。语言变量由语言值描述，每个语言值是一个模糊量。 梯形。 三种隶属函数对控制效果的影响不大，但对各个模糊集合隶属函数的幅宽大小对性能的影响很大。实际实验选用三角和梯形隶
9、属函数，因为输入值变化时，这两个函数比正态分布隶属函数更灵敏，当偏差时，能快速的产生一个控制量输出，并且数学表达简单，运算简单，占用内存空间小。 57 控制规则的确定 手动控制策略是指人们通过学习和长期经验的积累而形成并存储在操作者大脑中的技术知识集合。人工手动控制策略的某种思维方式可由模糊控制器的控制规则反映出来。控制规则是由输入和输出语言变量的不同排列组合而构成的一组模糊条件语句。 模糊控制器与普通控制器的不同点是，传统算法是基于某种算法的数值来控制控制量，模糊控制规则是基于操作经验和专家知识，模仿人的操作思维方式来获得控制量。 模糊控制规则的确定是设计模糊控制器的过程中最重要的一步。因为
10、合适的控制规则能在具体控制中更好的反映操作者的经验，提升系统性能。 规则的形式，条件语句“if then ” ，通常描述为： if x is A and y is B，then z is C 这是表示系统控制规律的推理式，称为规则。其中 x、y 是输入变量，z 是推理结果；if 部分的“x is A and y is B”称为前部件，then 部分的“z is C”称为后部件。 8 模糊控制在变速箱控制应用中的优势 模糊控制在变速箱控制应用中优势主要体现在以下方面： 变速箱控制系统有两大特点，一是数学模型复杂，二是非线性。模糊控制技术的特点正好适应这两点，一是不必知道系统的数学模型，二是能够很
11、好的控制非线性对象。 模糊控制技术有些类似人类的思维，在自动变速箱的控制中应用模6糊控制，就相当于为变速箱配备了一个经验丰富的操作员，这个操作员会根据当前井场的实际工况合理的控制每一台车的档位，让变速箱能够合理的和发动机配合工作。 9 变速箱模糊控制器的设计 模糊控制的设计有两种方法。一是试验。根据井场的排量，压力，砂比等数据，在规定条件下相对应的档位，对这些数据进行处理，求解出换挡规律。二是根据压裂车理论建立数学模型。 10 结论 压裂车工作可靠度要求极高，稍有差错就会造成几十万甚至上千万的经济损失，甚至是人员伤亡。这就要求压裂车具有优良的品质，通过对变速箱换挡的优化，可以提高压裂车的可靠性
12、，保证在使用时，最少的出现人为操作错误。北方重工现场压裂车变速箱控制选用三参数换档规律。 操作员在规定条件下进行实际操作，记录下操作员手动换档时油门开度和发动机转速，然后对这些数据进行处理，求解出换档规律，得出合适的换档点，以后就可以进行模糊划分，再通过模糊控制表的求解。 通过在吉林松原油田实验验，在压裂过程中，减少了由于换挡造成的排量和压力波动，压裂造缝均匀，增产效果明显，相对于其他变速箱，可提高 20%-30%的压裂出油（出气）率。如图 2，松原实验现场。 参考文献： 1胡寿松.自动控制原理M.北京：国防科技大学，2000. 2Ngo， Viet Dac， Hofman， Theo， Steinbuch， 7Maarten，Serrarens， Alex. Gear shift map design methodology for automotive transmissionsJ. Proceedings of the Institution of Mechanical Engi. 2014（1）. 3王?铮?项昌乐，刘辉，张华.重型混联式混合动力车辆换挡品质控制参数设计与优化J.中国公路学报，2011（06）.
