Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи идентификации объектов и систем с релейными звеньями и методы ее решения 9
1.1. Описание класса исследуемых объектов и систем 9
1.2. Анализ алгоритмов параметрической идентификации, основанных на методах линеаризации 12
1.3. Обоснование необходимости применения гладких аппроксимаций 21
1.4. Выводы по первой главе 23
2. Модели существенно нелинейных звеньев и гладкие аппроксимации их характеристик 24
2.1. Модели и функциональные схемы формирования нелинейных элементов 24
2.2. Аппроксимация характеристик релейных звеньев 31
2.2.1. Аппроксимация функциональных зависимостей однозначных статических элементов 32
2.2.2. Аппроксимация характеристик неоднозначных (динамических) звеньев 38
2.3. Выводы по второй главе 43
3. Исследование методов обобщенного оценивания параметров и состояний существенно нелинейных динамических объектов 44
3.1. Параметрическая идентификация объектов с гладкими нелинейными характеристиками 44
3.2. Оценивание параметров динамических объектов с релейными звеньями 53
3.3. Применение метода последовательной линеаризации и расширение возможностей параметрической идентификации 60
3.4. Исследование результатов оценивания параметров динамических объектов в замкнутых системах 71
3.5. Выводы по третьей главе 80
4. Математическое обеспечение автоматизированной системы контроля и управления геофизическим комплексом 82
4.1. Анализ возможности применения геофизического комплекса для сейсмических исследований 82
4.2. Описание вибромодуля геофизического комплекса 85
4.3. Получение структурной модели исследуемого объекта 88
4.4. Параметрические модели идентификации и управления вынужденными колебаниями 94
4.5. Применение методов идентификации параметров динамического объекта в экстремальной системе управления 103
Заключение 112
Библиографический список 114
Приложение 125
- Описание класса исследуемых объектов и систем
- Модели и функциональные схемы формирования нелинейных элементов
- Параметрическая идентификация объектов с гладкими нелинейными характеристиками
- Анализ возможности применения геофизического комплекса для сейсмических исследований
Введение к работе
Задача построения математических моделей технических объектов может решаться различными методами, в том числе методами идентификации, предназначенными для получения структуры, параметров модели, а также восстановления переменных объекта на основе экспериментальной информации о поведении объекта.
Основы теории идентификации заложены в трудах таких отечественных ученых как ЯЗ. Цыпкин [138], А.А. Красовский [115], В.А. Каминскас [35, 36], A.M. Дейч [29], Н.С. Райбман [84, 85, 86], А.И. Рубан [103, 94, 93 и др.], Л.А. Растригин, Н.Е. Маджаров [88], Б.Н. Петров, П.Д. Крутько [75], И.Н. Перельман [74], Е.Н. Розенвассер, P.M. Юсупов [91], В.П. Бородюк, Э.К. Лецкий [16] и зарубежных: Р. Беллман, Р. Калаба [13], П. Эйкхофф [146, 113], Р. Калман, Э. Сейдж, Д. Мелса [109, НО], К. Спиди, Р. Браун, Дж. Гудвин [114], Л. Льюинг [62], Д. Гроп [27] и другими учеными. Основные сведения по теории идентификации и классификация методов даны в ряде статей [6, 112, 92, 75], а также в других научных трудах и статьях различных авторов (БадеГ.Д. [8], И. Бард [10], Ш.Е. Штейнберг [145], Ф.Л. Черноусько [143], Е.Г. Клейман [39], А.Г. Ивахненко [34], В.А. Иванов [33], В.И. Городецкий [26]).
Методы структурной идентификации или идентификации в широком смысле позволяют по имеющейся априорной информации об исследуемом объекте восстанавливать структуру модели [113, 62, 34]. Наиболее разработаны непараметрические методы идентификации линейных объектов как во временной области, когда восстанавливаются оценки весовых функций путем решения интегральных уравнений типа Винера-Хопфа [113], так и в комплексной области при экспериментальном определении частотных характеристик [29]. Для нелинейных динамических объектов применяют модели в виде рядов Вольтерра и Гаммерштейна [95].
Промежуточное положение занимают методы структурно-параметрической идентификации, когда модель выбирается из определенного класса или множества моделей-претендентов, как правило, усложняющейся структуры [113, 62, 34, 86, 8, 27]. Аппарат структурно-параметрической идентификации линейных объектов представлен такими методами как ступенчатая и шаговая регрессия, методы Симою и ряд других методов [113, 8, 27]. Одним из наиболее эффективных методов является и метод группового учета аргументов, который при использовании нелинейных моделей претендентов может также применяться и для описания нелинейных объектов. Схожую с МГУА идею неокончательных решений и усложнения структуры используют и активно внедряющиеся в идентификацию нейросети [65, 72]. Нейронные сети являются
универсальными аппроксиматорами сложных нелинейных функциональных зависимостей. Главной особенностью нейросетей является их способность к обучению (адаптации), которая реализуется с помощью специально разработанных алгоритмов. Для обучения нейронной сети, как правило, не требуется априорной информации о структуре аппроксимируемой функциональной зависимости, что и делает их привлекательными для решения задач восстановления математических описаний.
В настоящее время наиболее развитыми является аппарат параметрической идентификации, когда структура модели исследуемого объекта известна, а оцениванию подлежат ее параметры. Это обусловлено такими причинами, как удобство анализа применяемых моделей, использование формальных вычислительных схем и наличие адекватного математического аппарата в теории управления.
В работе рассматривается задача параметрической идентификации в виде обобщенного оценивания параметров и состояний нелинейных непрерывных динамических объектов, поведение которых описывается моделью в переменных состояния. При дискретных данных наблюдения за объектом она сводится к многоточечной краевой задаче [146, 29, 109]. Одними из методов решения этой задачи являются метод квазилинеаризации [113, 27], его модификация [54, 39] и алгоритм чувствительности [95, 91, 110]. В этих рекуррентных процедурах на каждой итерации применяется линейная аппроксимация* по формуле Тейлора. Методы просты в реализации и эффективны, но требуют, чтобы начальные приближения параметров и состояний были достаточно близки к истинным значениям.
С целью улучшения свойств алгоритма чувствительности А. И. Рубан предложил использовать разработанный им метод последовательной линеаризации (МПЛ). В МПЛ на каждом шаге определения параметров и состояний вводится множитель, величина которого за счет дополнительных итераций позволяет с более высокой скоростью получать искомое решение. С вычислительной точки зрения - это аналог метода наискорейшего спуска. Проведенные эксперименты показали, что МПЛ в случае существенно нелинейных объектов показал достаточно хорошие результаты.
В настоящее время, несмотря на достаточно большое число работ по идентификации, отсутствуют доведенные до практического применения алгоритмы оценивания параметров разрывных нелинейных динамических объектов и систем.
Поэтому целью исследования являлась разработка на основе метода последовательной линеаризации алгоритмов оценивания параметров и ненаблюдаемых фазовых координат для объектов с релейными элементами.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:
получить структуру гладких нелинейных функций, позволяющих с достаточно высокой точностью аппроксимировать широкий класс применяемых в системах автоматического управления кусочно-линейных и релейных однозначных и неоднозначных характеристик типовых нелинейных элементов;
на основе метода последовательной линеаризации разработать алгоритм параметрической идентификации и восстановления ненаблюдаемых переменных состояния динамического объекта с существенными нелинейными характеристиками, позволяющий не учитывать условия разрывов моделей и функций чувствительности;
получить математическую модель механических колебаний (перемещений центра инерционной массы) виброисточника геофизического комплекса, показать возможность реализации в замкнутой системе управления виброисточником режима экстремального управления с использованием знаковых функций и разработать алгоритмы идентификации (на основе метода последовательной линеаризации с использованием функций чувствительности и псевдочувствительности) параметров моделей в замкнутом и разомкнутом режимах работы виброисточника;
разработать программный комплекс, реализующий алгоритмы идентификации основе современных средств автоматизации математических вычислений и имитационного моделирования.
Результаты теоретического и экспериментального исследований позволили сделать выводы о свойствах алгоритмов и их применимости к решению поставленных задач.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Получена структура гладких нелинейных функций (в основном в виде сигмоидальных функций), аппроксимирующих с достаточно высокой точностью широкий класс типовых нелинейных звеньев (с кусочно-линейными и релейными, однозначными и неоднозначными характеристиками), применяемых в системах автоматического управления, и оценена точность аппроксимаций.
Синтезирован алгоритм параметрической идентификации и восстановления ненаблюдаемых переменных состояния динамического объекта с существенными нелинейными релейными элементами, позволяющий за счет применения гладких моделей нелинейных элементов не учитывать условия разрывов моделей и функций чувствительности. Алгоритм построен на основе метода последовательной линеаризации с выбором оптимальной (при параболическом приближении) величины шага.
Построена математическая модель механических колебаний (перемещений центра инерционной массы) виброисточника геофизического комплекса
и разработаны алгоритм экстремального управления виброисточником с использованием знаковых функций, алгоритмы идентификации (на основе метода последовательной линеаризации с использованием функций чувствительности и псевдочувствительности) параметров моделей в замкнутом и разомкнутом режимах работы виброисточника.
Теоретические исследования проводились с привлечением методов чис-
Ф' ленного решения нелинейных уравнений, теории матриц и дифференциальных
уравнений, аппарата переменных состояния, теории и идентификации и фильтрации. Проверка работоспособности и эффективности алгоритмов осуществлялась с помощью имитационного моделирования на ЭВМ.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка и исследование автоматизированных методов идентификации, управления и обработки информации в технических системах» (№ ГР 01.9.60000794), проводимой в Омском государственном университете путей сообщения на кафедре «Автоматика и системы управления» с 1996 года .
Результаты работы использованы в ФГУП «Омский НИИ приборо-
/ъ, строения» при проектировании и разработке программного и математическо-
го обеспечения автоматизированной системы контроля и управления геофизическим комплексом. Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.
Теоретические результаты и программное обеспечение используются в учебном процессе при проведении занятий и выполнении курсовых работ по дисциплине «Автоматизация проектирования систем и средств управления», а также в дипломном проектировании для студентов специальности 2101 -Управление и информатика в технических системах.
Основной материал диссертации отражался в научных докладах, кото
рые обсуждались на II международной научно-технической конференции «Ди-
^ намика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997); международной научно-
технической конференции «Проблемы оптимизации и экономические приложе
ния» (Омск, 2003); межвузовской научно-технической конференции «Железно
дорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы» (Омск, 1998); научно-
технической конференции «Применение в САПР типовых и объективно-
независимых программно-методических и программно-технических комплек
сов» (Омск, 1989); научно-технической конференции «Методы и средства диаг
ностирования технических средств железнодорожного транспорта» (Омск,
1989); II всесоюзной научно-технической конференции «Микропроцессорные
системы автоматики» (Новосибирск, 1990); всесоюзной конференции «Ученые
(^ и специалисты в решении социально-экономических проблем страны» (Таш-
кент, 1990); научной школе-семинаре «Моделирование и исследование устойчивости физических процессов» (Киев, 1991); 3-й научно-технической конфе-
ренции «Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта» (Омск, 1991).
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 8 статей и учебное пособие, в котором используются результаты диссертационных исследований.
Диссертационная работа состоит из четырех глав и приложения.
В первой главе рассматриваются постановка задачи параметрической идентификации и восстановления ненаблюдаемых координат объекта как обобщенное оценивание и методы ее решения.
В совместной работе [40] приводятся основные результаты сравнения, в частности, для решения задач автоматизированного управления, метода квазилинеаризации и алгоритма чувствительности.
Во второй главе проводится анализ различных способов аппроксимации релейных характеристик гладкими зависимостями - полиномами и сигмои-дальными функциями.
Исследование вопросов применения сигмоидальных. функций для аппроксимации одно- и неоднозначных нелинейных элементов с кусочно-постоянными характеристиками подробно описывается в статье [46], полиномиальных приближений, особенно для слабых нелинейностей, - в работе [42].
В третьей главе с помощью экспериментальных методов и имитационного моделирования подтверждается возможность применения метода последовательной линеаризации для релейных объектов.
В двух статьях [45] и [46], подготовленных в соавторстве, излагаются основные результаты имитационного моделирования нелинейного динамического маятника, описываемого дифференциальным уравнением второго порядка при аппроксимациях характеристики нелинейного элемента гладкими (сиг-моидальными) и релейными (кусочно-постоянными) зависимостями
В четвертой главе рассматривается математическое обеспечение автоматизированной системы контроля и управления геофизическим комплексом.
В авторской статье [123] излагаются основные результаты применения алгоритмов оценивания, в частности, последовательной линеаризации при возникновении параметрических колебаний механических систем, в статье [124] -функций чувствительности, в работе [122] описываются алгоритмическое и программное обеспечение геофизического комплекса, в работе [41] обобщаются совместные результаты по микропроцессорной системе управления колебаниями сейсмического виброисточника.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по диссертационной работе.
В приложении приведены акты, подтверждающие практическое внедрение и использование результатов работы.
Описание класса исследуемых объектов и систем
Поведение систем управления часто исследуются методами классической теории линейных систем, так как принцип суперпозиции, справедливый для линейных моделей, значительно упрощает задачу исследования, позволяя получать наглядные аналитические решения, и задачу проектирования и синтеза устройств управления [15, 22, 24, 48]. Для систем в классе моделей вход-выход разработана структурная теория анализа и синтеза, также достаточно подробно они исследованы для моделей вход-состояние-выход. С точки зрения идентификации это тоже наиболее известный своими методами оценивания класс объектов и систем [8, 16, 29, 36, 62,109,113,146]. Однако в большинстве случаев реальные системы и объекты управления являются нелинейными, т.е. их динамические свойства нельзя описать линейными уравнениями. Это следует уже из того, что физические сигналы в системах не могут принимать произвольно большие значения из-за ограниченной энергии или мощности источников питания, наличия механических ограничений, зон насыщения и других эффектов, ограничивающих сигналы. Часто нелинейные системы управления применяют вследствие их более простой структуры или для реализации с их помощью определенного вида оптимального управления [24]. В работе рассматривается класс непрерывных одномерных (или как их иногда называют одноканальных), динамических объектов с входным u(t) и выходным y(t) сигналами, описываемых нелинейным дифференциальным уравнением (tlpyitl. p1 y(t),ay}= M0,P ti(t),..,pq u(t),au}, (1.1) где pJ u(t), j = 1, q и p y{t), i = \,l - производные от входного и выходного сигнала соответственно; p = d/dt- символ (оператор) дифференцирования; a eR1"1 и аиеЯґг - неизвестные параметры объекта. В математическом описании (1.1), принадлежащем классу моделей вход-выход под F {} и Fu{) понимаются некоторые нелинейные функциональные преобразования от координат объекта u{t), y(t) и их производных. К рассматриваемому типу относятся и классические нелинейные замкнутые системы автоматического управления [118]. Например, на рис. 1.1 приведена структурная схема системы, состоящей из последовательно соединенных нелинейного элемента с характеристикой F(y) и обобщенной линейной части с передаточной функцией в операторной форме W{p), Если W{p) представить в дробно-рациональном виде W(p)=Rq(p)/Qi(p), где из условия физической реализуемости непрерывных систем l q , дифференциальное уравнение (1.1) в операторной форме для замкнутой системы будет иметь вид Ql(p)y{t) + Rq(p)F(y) = Q1(p)u(t). (1.2) В уравнении (1.2) (если в состав системы не входят элементы с запаздыванием) операторы Rq{p) и Qt{p) обычно записываются в форме полиномов степеней q и / соответственно от оператора р и, т. к. / q, то под величиной / понимается порядок дифференциального уравнения (1.2) а также порядок самой непрерывной системы управления. В отличие от линейных систем и объектов для нелинейных, к сожалению, не существует единого и общепринятого разделения на различные классы в зависимости от характера поведения нелинейных зависимостей в уравнениях (1.1) и (1.2). В связи с этим в диссертационной работе будем в основном придерживаться определений и формулировок ставшего к настоящему времени «классическим» учебником [15], а символы использовать из более современной работы [68]. Рассмотрим основные определения на примере скалярной функции F(y) в дифференциальном уравнении (1.2), являющейся характеристикой нелинейного элемента в структурной схеме системы управления (рис. 1.1), но естественно, они будут справедливы и для функциональных преобразований F {} и Fu{] в математическом описании идентифицируемого объекта (1.1). Будем считать, что область существования переменной y(t) задана или известна, т. к. она определяется диапазонами изменения входных и выходных сигналов объекта при экспериментальных исследованиях в задачах идентификации либо зависит от граничных значений координат системы управления в режиме ее нормального функционирования. В соответствии с этим в области существования y(t) функция F(y) является непрерывной, если она принадлежит классу С0, т. е. F(y) є С0. Скалярная функция F(y) называется функцией класса F(y)eCK, если в области существования y(t) она непрерывна и к раз дифференцируема. Если F(y) є С00 функция F(y) является (бесконечно) гладкой функцией. Функции F(y), допускающие разрывы только первого рода, образуют более широкий класс С кусочно-непрерывных функций [68]. В теории управления из всего многообразия нелинейных систем чаще всего выделяют в отдельные классы существенно нелинейные системы [15, 81], это, как правило, системы с кусочно-линейными F(y)e{C,C), имеющими разрыв по производной, и кусочно-постоянными характеристиками F(y)eC с разрывом по самой координате. В работе рассматривается класс динамических непрерывных одномерных (одноканальных) объектов и систем, содержащих элементы с кусочно-постоянными характеристиками F(y) є С . Физическими устройствами, описываемыми зависимостями данного вида являются реле, поэтому и сами системы называются релейными [81, 68, 118]. Все релейные элементы обладают инерционными свойствами, обусловленными временной задержкой как при срабатывании, так и отпускании реле, поэтому в математических моделях объектов и систем необходимо рассматривать как однозначные, когда инерционностью реальных элементов по сравнению с динамическими свойствами линейных звеньев можно пренебречь, так и неоднозначные релейные характеристики, если нельзя пренебречь реальным гистерезисом.
Модели и функциональные схемы формирования нелинейных элементов
В нелинейных системах по аналогии с линейными при решении задач синтеза и анализа принято также выделять специальные устройства и блоки, описываемые нелинейными операторами (дифференциальными уравнениями) или функциями. Хотя не существует такого единого подхода при определении типовых, особых и неустойчивых звеньев как в структурной теории линейных систем автоматического управления. Поэтому на основе анализа учебников [15, 22, 55, 81, 33, 140, 118], учебных пособий [48, 68, 73, 66], справочников [47, 115, 31] и специальной литературы[5, 24, 66, 112, 120, 144] предлагается следующий подход к выделению нелинейных звеньев, придерживаясь в основном взглядов, изложенных в работах [68, 48]. В зависимости от свойств математической модели различают статические и динамические, однозначные и неоднозначные, гладкие и негладкие блоки нелинейных систем. Статические звенья описываются алгебраическим или трансцендентным уравнением где под функцией F понимается правило (отображение) в соответствии с которым каждому значению аргумента х ставится в соответствие элемент у. Если такое отображение единственное, то функция однозначна, только в этом случае будем называть F(x) моделью статического звена. Неоднозначные функции, когда как правило одному значению аргумента соответствует несколько значений FQ будем рассматривать как описания динамических звеньев. Функция F(x) называется нелинейной, когда она не удовлетворяет свойству линейности, которое заключается в том что равным приращениям аргумента х соответствуют и равные приращения функции F(x) [47, 68]. Важнейшими свойствами нелинейных функций являются непрерывность и гладкость. Зависимость y=F(x) называется функцией класса С0, если при всех значениях JC она непрерывна и класса Ск, если она непрерывна и к раз дифференцируема (имеет к частных производных). Функция класса С \ имеющая только первые производные, является простейшей, а класса С - бесконечно гладкой функцией. В теории управления [33, 140] такие зависимости относят к классу несущественных нелинейных характеристик. В методах параметрической идентификации (квазилинеаризации и алгоритме чувствительности) при построении вычислительных алгоритмов используются только первые частные производные, поэтому достаточно, чтобы все нелинейные функции были из класса С1 (при анализе свойств алго-ритмов требуется уже принадлежность к классу С ). Существенно нелинейные характеристики F(x), допускающие разрывы только первого рода, образуют более широкий класс С кусочно-непрерывных функций, если F(x)e(C,C), и релейных, если F(x)eC. В первом случае разрыв осуществляется по первой производной, а во втором - по координате (аргументу). При выполнении только условия F(x) є С однозначные статические характеристики также принято называть релейными [15, 22, 55]. Наиболее часто используемые нелинейные зависимости y=F(x) приведены на рис. 2.1. где signx -знаковая функция [47, 68]; - релейное звено с зоной нечувствительности y=dezx [68] (слово dez от Dead Zone - мертвая зона), идеальное трехпозиционное реле [33]; - квантователь (Quenttizer) или характеристика аналого-цифрового преобразователя. Если использовать для описания релейного звена знаковую функцию (2.2), то для идеального трехпозиционного реле (рис. 2.1,а) а для квантователя (рис. 2.1,6)- где m - число интервалов квантования (дискретизации) по уровню. Динамические (неоднозначные) звенья описываются дифференциальными уравнениями первого и второго порядка где () и R{-) - нелинейные функции. В литературе нет единого подхода к применению терминов «динамический» и «неоднозначный». Например, в работе [48] в дифференциальном уравнении второго порядка (2.5) коэффициенты являются нелинейными функциями, которые могут быть как однозначные, так и неоднозначные, а в учебном пособии [75] вместо уравнения (2.5) рассматривается частный случай (достаточно широко распространенный в практических задачах управления [33]), когда или с использованием символа дифференцирования С помощью таких уравнений можно описывать гладкие (если F{x,signx)eC K ), кусочно-линейные (если F(x,signx)e[C,C0)) и существенно-нелинейные (если F{x,signx)eC ) характеристики неоднозначных (динамических) звеньев. Графики зависимостей y=F(x,signx) для основных релейных элементов приведены на рис. 2.2. В зависимости от вида функции F(x,signx) различают : - гистерезис y = kys(x,signx) на рис. 2.2,а [15] или реальное двухпози-ционное реле [33], двухпозиционное с гистерезисом [140]; - реальное трехпозиционное реле [15, 140] (рис. 2.2,6) или трехпозици-онное с гистерезисом (иногда его называют реле общего вида, так как при различных значениях коэффициента возврата т можно получить частные случаи релейных звеньев); -люфт (рис. 2.2,в) [33, 140].
Параметрическая идентификация объектов с гладкими нелинейными характеристиками
Наземные источники мощных низкочастотных сейсмических волн предназначены для решения достаточно широкого круга задач, таких как: активный сейсмический мониторинг, региональная сейсмическая разведка полезных ископаемых, нефтяных залежей, геофизические исследования газовых и нефтяных скважин и т.д., - поэтому создание вибромодулей и проектирование эффективных систем их управления является актуальной задачей. В настоящее время активно развивается технология вторичной добычи нефти из сильно обводненных нефтяных залежей с применением сейсмического вибрационного воздействия с земной поверхности. Исследования, проведенные как в лабораторных, так и в промысловых условиях, показали высокую эффективность низкочастотного сейсмического воздействия на нефтеотдачу сильно обводненных коллекторов [11]. Эффект слабого низкочастотного воздействия на нефтеотдачу был обнаружен Институтом физики Земли РАН в 1985 г. на месторождении Абузы, расположенном в Краснодарском крае. Воздействие осуществлялось с земной поверхности 20-тонным вибратором в диапазоне частот от 10 до 30 Гц. После проведения сейсмического воздействия было зафиксировано уменьшение обводненности продукции добывающей скважины от 90-95% до 85-90%. Повторный эксперимент показал, что этот эффект сохранялся как минимум в течение месяца после окончания воздействия. Несмотря на неоднократное подтверждение эффекта сейсмического воздействия на динамику многофазных фильтрационных потоков в проницаемых пористых средах, пока отсутствует четкое представление о его физическом механизме. С целью подтверждения положительного влияния низкочастотного сейсмического воздействия на конечную нефтеотдачу обводненных нефтяных залежей были проведены лабораторные эксперименты с образцами кернов нефтяных коллекторов и с искусственными моделями. В результате экспериментов в диапазоне частот от 10 до 40 Гц было зафиксировано влияние сейсмического воздействия на параметры одно- и двухфазных фильтрационных потоков. Это влияние проявилось в повышении порового давления внутри временного интервала воздействия [11]. В 2002 г. были проведены натурные опытно-методические исследования по вибросейсмическому воздействию на продуктивный пласт Бар-суковского нефтяного месторождения («Роснефть-Пурнефтегаз»), расположенного в бассейне р. Пур Ямало-Ненецкого АО. В последние 10 лет разработка 82 месторождения проводится методом заводнения в комплексе с другими физико-химическими методами. Возбуждение сейсмических волн с земной поверхности осуществлялось источниками СВС24/ЗС27 с максимальной нагрузкой на грунт до 27 тс. Регистрация сейсмических колебаний проводилась в наблюдательной скважине. Параллельно с сейсмоакустическими исследованиями были проведены измерения характеристик плотности и вязкости добываемой нефти. Повышение эффективности работы нефтяных скважин и снижение обводненности продукции авторы цитируемой статьи [11] связывают с сейсмическим воздействием на нефтяные пласты излучения источника колебаний типа вертикальной силы. В этом случае источники генерируют в полупространстве волны трех типов: поверхностные, распространяющиеся в радиальном направлении от источника вдоль поверхности; продольные с максимумом плотности энергии по вертикали и поперечные с максимумом энергии под углом 25-30 к вертикали. По-видимому, именно поперечные волны являются наиболее эффективными с точки зрения влияния на микроструктурные характеристики по-рового пространства, проявляющиеся в макрохарактеристиках многофазной фильтрации в проницаемых средах. Таким образом, необходимо увеличивать мощность сейсмических колебаний, а это возможно, во-первых, за счет увеличения массы виброисточника и, во-вторых, путем получения максимальновозможных амплитуд механических колебаний. Одним из наиболее мощных является вибромодуль СВ100/20, представляющий собой гидромеханический источник сейсмических волн, построенный по схеме с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт» [17]. Работа такого источника состоит в том, что механическое усилие F(t) от гидроцилиндра передается на инерционную массу и излучающую плиту таким образом, чтобы обеспечивать поддержание среднего положения инерционной массы (x(t) = 0) и заданный режим вибрации излучающей плиты. Работа гидроцилиндра обеспечивается перемещениями золотников двухкаскадного гидроусилителя. Золотник первого каскада (малой мощности) перемещается электромеханическим приводом, а второго каскада - за счет перепада давления. Подача масла в гидросистему для обеспечения необходимого давления питания в первом каскаде осуществляется с помощью двигателя внутреннего сгорания. Формирование требуемого сигнала для электромеханического преобразователя, а также управление двухкаскадным гидроусилителем, а следовательно, и работой силового гидроцилиндра, осуществляется программируемым генератором. Вибромодуль должен обеспечить следующие режимы работы: - монохроматический; - двухчастотный, обеспечивающий генерацию суммы двух синусои дальных сигналов; - линейно-частотно-модулированный сигнал. Устройство управления позволяет осуществлять усиление и изменение амплитуды задающего воздействия как в каждом канале, так и суммарного сигнала с помощью усилителей с регулируемыми коэффициентами передачи по напряжению. Усилитель мощности формирует сигнал рассогласования между задающим сигналом от генератора и сигналами обратных связей, поступающих от золотника электрогидравлического усилителя и датчика давления, установленного на гидроцилиндре. Таким образом, в системе основной регулируемой величиной является давление рабочей жидкости в гидроцилиндре, а в контуре подчиненного управления - давление масла в гидроусилителе, причем по двум контурам осуществляется пропорциональное регулирование (т.е. используются П-регуляторы). Управляющее воздействие по внутреннему (подчиненному) контуру подается через датчик золотника в гидроусилитель, а регулирование по основному каналу осуществляется путем усиления по мощности сигнала рассогласования (П-регулятор) и подачи его на электромеханический преобразователь, изменяющий давление питания. Основными недостатками вибромодуля СВ100/20 являются: - необходимость подбора при установке на грунт (в основном экспериментально) упругости подвески таким образом, чтобы перемещения поддерживающих плит, обусловленные колебаниями инерционной массы, были много меньше перемещений излучающей плиты; - в устройстве управления регулируемой величиной является давление в гидроцилиндре, т.е. по сути, усилие F(t), передаваемое на плиту и инерционную массу, а не величина их перемещений; - в системе «инерционная масса-грунт» реализуется только один вид закона регулирования. Перечисленных недостатков можно избежать, если в качестве вибромодуля использовать геофизический комплекс, разработанный по заданию ОНИИП кафедрами «Теоретическая механика» (ОмГТУ) и «Автоматика и системы управления» (ОмГУПС). Геофизический комплекс состоит из десяти виброисточников (напомним, что в испытаниях на Барсуковском месторождении использовалось шесть) с целью создания объемного сейсмического воздействия, близкого по своим характеристикам к естественным для заданной местности, но содержащего в себе определенную информацию.
Анализ возможности применения геофизического комплекса для сейсмических исследований
Наземные источники мощных низкочастотных сейсмических волн предназначены для решения достаточно широкого круга задач, таких как: активный сейсмический мониторинг, региональная сейсмическая разведка полезных ископаемых, нефтяных залежей, геофизические исследования газовых и нефтяных скважин и т.д., - поэтому создание вибромодулей и проектирование эффективных систем их управления является актуальной задачей. В настоящее время активно развивается технология вторичной добычи нефти из сильно обводненных нефтяных залежей с применением сейсмического вибрационного воздействия с земной поверхности. Исследования, проведенные как в лабораторных, так и в промысловых условиях, показали высокую эффективность низкочастотного сейсмического воздействия на нефтеотдачу сильно обводненных коллекторов [11]. Эффект слабого низкочастотного воздействия на нефтеотдачу был обнаружен Институтом физики Земли РАН в 1985 г. на месторождении Абузы, расположенном в Краснодарском крае. Воздействие осуществлялось с земной поверхности 20-тонным вибратором в диапазоне частот от 10 до 30 Гц. После проведения сейсмического воздействия было зафиксировано уменьшение обводненности продукции добывающей скважины от 90-95% до 85-90%. Повторный эксперимент показал, что этот эффект сохранялся как минимум в течение месяца после окончания воздействия. Несмотря на неоднократное подтверждение эффекта сейсмического воздействия на динамику многофазных фильтрационных потоков в проницаемых пористых средах, пока отсутствует четкое представление о его физическом механизме. С целью подтверждения положительного влияния низкочастотного сейсмического воздействия на конечную нефтеотдачу обводненных нефтяных залежей были проведены лабораторные эксперименты с образцами кернов нефтяных коллекторов и с искусственными моделями. В результате экспериментов в диапазоне частот от 10 до 40 Гц было зафиксировано влияние сейсмического воздействия на параметры одно- и двухфазных фильтрационных потоков. Это влияние проявилось в повышении порового давления внутри временного интервала воздействия [11]. В 2002 г. были проведены натурные опытно-методические исследования по вибросейсмическому воздействию на продуктивный пласт Бар-суковского нефтяного месторождения («Роснефть-Пурнефтегаз»), расположенного в бассейне р. Пур Ямало-Ненецкого АО. В последние 10 лет разработка 82 месторождения проводится методом заводнения в комплексе с другими физико-химическими методами. Возбуждение сейсмических волн с земной поверхности осуществлялось источниками СВС24/ЗС27 с максимальной нагрузкой на грунт до 27 тс. Регистрация сейсмических колебаний проводилась в наблюдательной скважине. Параллельно с сейсмоакустическими исследованиями были проведены измерения характеристик плотности и вязкости добываемой нефти. Повышение эффективности работы нефтяных скважин и снижение обводненности продукции авторы цитируемой статьи [11] связывают с сейсмическим воздействием на нефтяные пласты излучения источника колебаний типа вертикальной силы. В этом случае источники генерируют в полупространстве волны трех типов: поверхностные, распространяющиеся в радиальном направлении от источника вдоль поверхности; продольные с максимумом плотности энергии по вертикали и поперечные с максимумом энергии под углом 25-30 к вертикали. По-видимому, именно поперечные волны являются наиболее эффективными с точки зрения влияния на микроструктурные характеристики по-рового пространства, проявляющиеся в макрохарактеристиках многофазной фильтрации в проницаемых средах. Таким образом, необходимо увеличивать мощность сейсмических колебаний, а это возможно, во-первых, за счет увеличения массы виброисточника и, во-вторых, путем получения максимальновозможных амплитуд механических колебаний. Одним из наиболее мощных является вибромодуль СВ100/20, представляющий собой гидромеханический источник сейсмических волн, построенный по схеме с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт» [17]. Работа такого источника состоит в том, что механическое усилие F(t) от гидроцилиндра передается на инерционную массу и излучающую плиту таким образом, чтобы обеспечивать поддержание среднего положения инерционной массы (x(t) = 0) и заданный режим вибрации излучающей плиты. Работа гидроцилиндра обеспечивается перемещениями золотников двухкаскадного гидроусилителя. Золотник первого каскада (малой мощности) перемещается электромеханическим приводом, а второго каскада - за счет перепада давления. Подача масла в гидросистему для обеспечения необходимого давления питания в первом каскаде осуществляется с помощью двигателя внутреннего сгорания. Формирование требуемого сигнала для электромеханического преобразователя, а также управление двухкаскадным гидроусилителем, а следовательно, и работой силового гидроцилиндра, осуществляется программируемым генератором. Вибромодуль должен обеспечить следующие режимы работы: - монохроматический; - двухчастотный, обеспечивающий генерацию суммы двух синусои дальных сигналов; - линейно-частотно-модулированный сигнал. Устройство управления позволяет осуществлять усиление и изменение амплитуды задающего воздействия как в каждом канале, так и суммарного сигнала с помощью усилителей с регулируемыми коэффициентами передачи по напряжению. Усилитель мощности формирует сигнал рассогласования между задающим сигналом от генератора и сигналами обратных связей, поступающих от золотника электрогидравлического усилителя и датчика давления, установленного на гидроцилиндре. Таким образом, в системе основной регулируемой величиной является давление рабочей жидкости в гидроцилиндре, а в контуре подчиненного управления - давление масла в гидроусилителе, причем по двум контурам осуществляется пропорциональное регулирование (т.е. используются П-регуляторы). Управляющее воздействие по внутреннему (подчиненному) контуру подается через датчик золотника в гидроусилитель, а регулирование по основному каналу осуществляется путем усиления по мощности сигнала рассогласования (П-регулятор) и подачи его на электромеханический преобразователь, изменяющий давление питания. Основными недостатками вибромодуля СВ100/20 являются: - необходимость подбора при установке на грунт (в основном экспериментально) упругости подвески таким образом, чтобы перемещения поддерживающих плит, обусловленные колебаниями инерционной массы, были много меньше перемещений излучающей плиты; - в устройстве управления регулируемой величиной является давление в гидроцилиндре, т.е. по сути, усилие F(t), передаваемое на плиту и инерционную массу, а не величина их перемещений; - в системе «инерционная масса-грунт» реализуется только один вид закона регулирования. Перечисленных недостатков можно избежать, если в качестве вибромодуля использовать геофизический комплекс, разработанный по заданию ОНИИП кафедрами «Теоретическая механика» (ОмГТУ) и «Автоматика и системы управления» (ОмГУПС). Геофизический комплекс состоит из десяти виброисточников (напомним, что в испытаниях на Барсуковском месторождении использовалось шесть) с целью создания объемного сейсмического воздействия, близкого по своим характеристикам к естественным для заданной местности, но содержащего в себе определенную информацию.
