一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型制造技术

本发明专利技术提供一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型，对抽油机曲柄摇杆换向机构运动规律进行分析，建立悬点理论位移计算模型；基于曲柄转速存在波动，在曲柄匀速转动角速度的基础上添加傅立叶级数项，建立曲柄实际转动角速度计算模型及曲柄转角计算模型；以曲柄实际转动角速度为设计变量，将悬点理论位移与悬点实测位移的误差平方和最小作为优化目标函数，建立曲柄实际转动角速度优化数学模型；应用优化算法对优化目标函数进行求解，从而求出曲柄实际转动角速度。本发明专利技术通过建立仿真模型，有效提高了悬点理论位移与悬点实测位移的拟合程度，有利于提高基于实测电参数反演悬点载荷过程中的所产生的曲柄扭矩的精度和反演结果悬点载荷的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型
本专利技术涉及抽油机运动规律仿真领域，具体地涉及一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型。
技术介绍
目前，油田采油设备主要是抽油机，示功图包含着油井工况的许多信息，通过载荷传感器和位移传感器来获取实测示功图，进而对抽油机的工况进行分析。该方法方便、简单，但是由于传感器易老化、使用寿命短，使得所采集的实测示功图数据存在误差大、精度不高等问题，影响工况信息的采集和分析，更无法实现对抽油机运行过程中所产生的故障进行准确的识别和诊断。间接获取示功图是目前常采用的一种方法，主要是根据抽油机井实测电参数来反演示功图，该方法成本较低、精度较高，但是由于抽油机悬点载荷、曲柄轴净扭矩与电动机负载扭矩都存在较大波动，导致电动机与曲柄转动角速度也存在波动。曲柄转动角速度的波动不仅影响抽油机悬点运动规律，也影响系统的惯性扭矩，所以对曲柄转动角速度的准确获取，是提高悬点理论位移与悬点实测位移的拟合程度的一个关键要素。
技术实现思路
本专利技术目的在于准确建立一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型，提高悬点理论位移与悬点实测位移的拟合程度。本专利技术首先对抽油机曲柄摇杆换向机构运动规律进行分析，建立悬点理论位移计算模型；基于曲柄转速存在波动，在曲柄匀速转动角速度的基础上添加傅立叶级数项，建立曲柄实际转动角速度计算模型及曲柄转角计算模型；以曲柄实际转动角速度为设计变量，将悬点理论位移与悬点实测位移的误差平方和最小作为优化目标函数，建立曲柄实际转动角速度优化数学模型；应用优化算法对优化目标函数进行求解，从而求出曲柄实际转动角速度。实现准确获取曲柄实际转动角速度的目标，提高悬点理论位移与悬点实测位移的拟合程度。为实现上述目的，本专利技术提供一种建立基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型，其包括以下步骤：步骤1、对抽油机曲柄摇杆换向机构运动规律进行分析，得到悬点理论位移与曲柄转角之间的对应关系xt(θ)的函数表达式：xt(θ)＝(ψmax-ψ)*A式中，xt(θ)为悬点理论位移；ψ为游梁后臂相对于基杆的夹角；ψmax为游梁后臂和基杆之间的最大夹角；A为游梁前臂长度，单位为m；步骤2、在曲柄匀速转动角速度ω0的基础上，加上一个K阶傅里叶级数，确定曲柄实际转动角速度ω(t)的函数表达式：其中式中,w(t)为曲柄实际转动角速度，单位为rad/s；ω0为曲柄匀速转动角速度，单位为rad/s；K为傅里叶级数截断级数；t为时间差分，单位为s；ai为待求傅里叶系数；bi为待求傅里叶系数；n为悬点实测冲次，单位为min-1；根据曲柄实际转动角速度，确定曲柄瞬时转角的函数表达式：步骤3、将步骤2中的曲柄转角θ(t)代入步骤1中xt(θ)的函数表达式，得到的xt(t)是综合傅里叶系数的函数，假设悬点位移的时间为t1，t2，…，tN，悬点理论位移为xt(ti)，简化为xti；悬点实测位移为xm(ti)，简化为xmi；基于最小二乘法原理，将悬点理论位移xti与悬点实测位移xmi的误差平方和最小作为优化目标函数，确定曲柄实际转动角速度优化目标函数表达式：式中，F为曲柄实际转动角速度优化目标函数，求得的值即为曲柄实际转动角速度ω(t)；a1、a2、…、aK、b1、b2、…bK均为傅里叶系数；N为时间节点个数；xti为悬点理论位移，单位为m；xmi为悬点实测位移，单位为m；步骤4、以F(a1,a2,…,aK,b1,b2,…,bK)为目标函数，应用优化算法求解傅里叶系数a1、a2、…、aK和b1、b2、…bK，并将傅里叶系数a1、a2、…、aK和b1、b2、…bK代入步骤3中的曲柄实际转动角速度优化目标函数，求出曲柄实际转动角速度ω(t)；基于优化算法的步骤包括如下子步骤：步骤41、确定学习因子c1和c2、粒子群体个数M；步骤42、由logistic回归分析映射产生M个粒子xi及其速度vi，其中i＝1,…,N,最后形成初始粒子群体P0；步骤43、生产免疫记忆粒子：计算当前粒子群体P中粒子的适应值并判断算法是否满足结束条件，如果满足则结束并输出结果，否则继续运行；步骤44、更新局部和全局最优解，并根据下面公式更新粒子位置和速度；xi,j(t+1)＝xi,j(t)+vi,j(t+1),j＝1…dvi,j(t+1)＝w·vi,j(t)+c1r1[pi,j-xi,j(t)]+c2r2[pg,j-xi,j(t)]式中，w是惯性权重；c1、c2是学习因子；r1、r2是[0,1]的随机数；t为搜索过程中的迭代次数；j是空间维度；pi,j表示为第t次迭代时第i个粒子在j维中的最优位置；pg,j表示为第t次迭代时群体在j维中的最优位置。步骤45、由logistic映射产生N个新的粒子；步骤46、基于浓度的粒子选择：用群体中相似抗体百分比计算生产N+M个新粒子(抗体)的概率，依照概率大小选择N个粒子(抗体)形成粒子(抗体)群P,然后转入步骤43。优选地，所述步骤1中，ψmax的计算过程如下：当游梁位于下死点与上死点两极限位置时，游梁后臂和基杆之间的最大夹角ψmax为对抽油机曲柄摇杆换向机构运动分析，ψ的计算过程如下：θ1＝θ0+θθ2＝2π-θ1+α式中，R为曲柄半径，单位为m；P为连杆长度，单位为m；C为游梁后臂长度，单位为m；K为基杆长度，单位为m；A为游梁前臂长度，单位为m；I为基杆的水平投影，单位为m；α为基杆与垂直线的夹角，单位为rad；ψ为游梁后壁相对于基杆的参考角，单位为rad；θ为任意时刻t曲柄相对于悬点下死点时曲柄所在位置的转角，rad；θ1悬点在下死点时曲柄相对于12点钟方向的夹角，rad。优选地，步骤1中取K＝1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术在曲柄匀速转动角速度的基础上添加傅立叶级数项，建立曲柄实际转动角速度计算模型并将其作为设计变量，将悬点理论位移与悬点实测位移的误差平方和最小作为优化目标函数，应用优化算法对优化目标函数进行求解，从而求出曲柄实际转动角速度，实现准确获取曲柄实际转动角速度的目标，提高悬点理论位移与悬点实测位移的拟合程度。附图说明图1为本专利技术中抽油机曲柄摇杆换向机构运动规律分析图；图2为本专利技术中优化算法流程图；图3为本专利技术实例1中傅里叶系数截断项K＝1时的优化结果；图4为本专利技术实例1中傅里叶系数截断项K＝1时的曲柄运动规律；图5是本专利技术实例1中傅里叶系数截断项K＝1时的悬点运动规律；图6为本专利技术实例1中傅里叶系数截断项K＝2时的优化结果；图7为本专利技术实例1中傅里叶系数截断项K＝2时的曲柄运动规律；图8是本专利技术实例1中傅里叶系数截断项K＝2时的悬点运动规律。具体实施方式以下，参照附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型，其特征在于，其包括以下步骤：/n步骤1、对抽油机曲柄摇杆换向机构的运动规律进行分析，得到悬点理论位移与曲柄转角之间的对应关系x

【技术特征摘要】
1.一种基于实测悬点位移的曲柄运动规律仿真模型，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1、对抽油机曲柄摇杆换向机构的运动规律进行分析，得到悬点理论位移与曲柄转角之间的对应关系xt(θ)的函数表达式：
xt(θ)＝(ψmax-ψ)*A
式中，xt(θ)为悬点理论位移；ψ为游梁后臂相对于基杆的夹角；ψmax为游梁后臂和基杆之间的最大夹角；A为游梁前臂长度，单位为m；
步骤2、在曲柄匀速转动角速度ω0的基础上，增加一个K阶傅里叶级数，确定曲柄实际转动角速度ω(t)的函数表达式：



其中



式中,ω(t)为曲柄实际转动角速度，单位为rad/s；ω0为曲柄匀速转动角速度，单位为rad/s；K为傅里叶级数截断级数；t为时间差分，单位为s；ai为待求傅里叶系数；bi为待求傅里叶系数；n为悬点实测冲次，单位为min-1；
之后，根据曲柄实际转动角速度，确定曲柄瞬时转角的函数表达式：



步骤3、将步骤2中的曲柄转角θ(t)代入步骤1中xt(θ)的函数表达式，得到的xt(t)是综合傅里叶系数的函数，假设悬点位移的时间为t1，t2，…，tN，悬点理论位移为xt(ti)，简化为xti；悬点实测位移为xm(ti)，简化为xmi；基于最小二乘法原理，将悬点理论位移xti与悬点实测位移xmi的误差平方和最小作为优化目标函数，确定曲柄实际转动角速度优化目标函数表达式：



式中，F为曲柄实际转动角速度优化目标函数，求得的值即为曲柄实际转动角速度ω(t)；a1、a2、…、aK、b1、b2、…bK均为傅里叶系数；N为时间节点个数；xti为悬点理论位移，单位为m；xmi为悬点实测位移，单位为m；
步骤4、以F(a1,a2,…,aK,b1,b2,…,bK)为目标函数，应用优化算法求解傅里叶系数a1、a2、…、aK和b1、b2、…bK，并将傅里叶系数a1、a2、…、aK和b1、b2、…bK代入步骤3中的曲柄实际转动角速度优化目标函数，求出曲柄实际转动角速度ω(t)；
基于优化算法的步骤包括如下子步骤：
步骤41、确定学习因子c1和c2、粒子群体个数M；
步骤42、由logistic回归分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：董世民，贾贺通，武勇，李炳燚，李钦，武瑞清，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13