本發(fā)明屬于信號(hào)分析與處理，具體涉及基于振動(dòng)信號(hào)分析的井下流量開關(guān)控制方法。

背景技術(shù)：

1、在工業(yè)生產(chǎn)和能源開采過程中，流體輸運(yùn)系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色。尤其是在石油、天然氣和地?zé)岬染麻_采領(lǐng)域，流體流量的精準(zhǔn)控制直接影響到設(shè)備運(yùn)行的安全性、效率以及資源開采的經(jīng)濟(jì)性。在這些場(chǎng)景中，井下流量開關(guān)是實(shí)現(xiàn)流體輸運(yùn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和安全控制的重要設(shè)備，其性能對(duì)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有關(guān)鍵意義。然而，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，例如高壓、高溫以及多相流體等因素，對(duì)流量開關(guān)的控制技術(shù)提出了極高的要求。

2、現(xiàn)有的井下流量控制技術(shù)大致分為基于壓力傳感的控制、基于流量傳感的控制以及基于流體動(dòng)力學(xué)建模的控制方法。傳統(tǒng)的流量控制主要依賴壓力傳感器采集管道中的壓力信號(hào)。通過測(cè)量壓力變化，結(jié)合伯努利方程和流量與壓力差的理論關(guān)系，推算出流量的動(dòng)態(tài)變化。例如，一些文獻(xiàn)中公開了通過井口或井下壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體壓力，并依據(jù)壓力變化調(diào)整流量開關(guān)的開度，從而實(shí)現(xiàn)流量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這類方法的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，所需的硬件和計(jì)算資源較少，適用于單一流體流動(dòng)的簡(jiǎn)單工況。壓力信號(hào)在復(fù)雜工況下易受干擾，例如多相流體或湍流狀態(tài)下，壓力波動(dòng)無法準(zhǔn)確反映流量的實(shí)際變化。壓力測(cè)量對(duì)流量的間接推算依賴于一系列假設(shè)（如流體均勻性、層流條件等），在湍流或流態(tài)頻繁轉(zhuǎn)變時(shí)，這些假設(shè)的偏差會(huì)導(dǎo)致推算結(jié)果不準(zhǔn)確。為了克服壓力信號(hào)間接推算的局限性，部分現(xiàn)有技術(shù)引入了基于流量傳感器的直接控制方法。例如，通過安裝在管道內(nèi)的超聲波流量計(jì)或渦輪流量計(jì)，實(shí)時(shí)采集流體流量數(shù)據(jù)，并將其作為反饋信號(hào)用于控制器調(diào)節(jié)流量開關(guān)的狀態(tài)。這類方法能夠直接獲取流量信息，提高了測(cè)量精度，特別是在均勻流動(dòng)條件下效果較為顯著。在井下環(huán)境中，流量傳感器的安裝和維護(hù)困難，尤其是在高壓、高溫、強(qiáng)腐蝕的環(huán)境下，傳感器的可靠性和壽命受到顯著限制。傳感器直接測(cè)量的流量數(shù)據(jù)對(duì)流態(tài)的變化不夠敏感，難以捕捉湍流、流態(tài)轉(zhuǎn)捩等復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性。高性能流量傳感器的成本較高，限制了其在井下大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供基于振動(dòng)信號(hào)分析的井下流量開關(guān)控制方法，有效克服了傳統(tǒng)壓力傳感和流量傳感技術(shù)在復(fù)雜井下流態(tài)中的局限性，顯著提升了流量控制的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和環(huán)境適應(yīng)性。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、基于振動(dòng)信號(hào)分析的井下流量開關(guān)控制方法，所述方法包括：

4、步驟1：通過三軸振動(dòng)傳感器采集泵的振動(dòng)信號(hào)，得到三個(gè)軸方向的加速度時(shí)域信號(hào)；對(duì)加速度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行多維振動(dòng)譜分量解耦，得到三軸振動(dòng)的時(shí)頻特征矩陣；基于時(shí)頻特征矩陣，計(jì)算流體壓力波動(dòng)特征；根據(jù)時(shí)頻特征矩陣與流體壓力波動(dòng)特征，計(jì)算湍流強(qiáng)度；

5、步驟2：基于湍流強(qiáng)度，計(jì)算雷諾應(yīng)力張量；根據(jù)湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力張量，計(jì)算流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)值，并建立流量估計(jì)模型；

6、步驟3：根據(jù)流量估計(jì)模型，生成井下流量開關(guān)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使用自適應(yīng)控制方法生成井下流量開關(guān)控制的自適應(yīng)控制律。

7、進(jìn)一步的，通過三軸振動(dòng)傳感器采集泵的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，采集頻率高于振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)頻率的兩倍，以滿足奈奎斯特采樣定律。

8、進(jìn)一步的，步驟1中，三軸振動(dòng)的時(shí)頻特征矩陣使用如下公式進(jìn)行表示：

9、；

10、其中，為三軸振動(dòng)的時(shí)頻特征矩陣，反映泵在當(dāng)前時(shí)間和頻率下的振動(dòng)特征；表示第軸的加速度時(shí)域信號(hào)；為虛數(shù)符號(hào)；為泵中的流體體積變化函數(shù)，通過采集泵中的歷史流體體積數(shù)據(jù)構(gòu)建；為泵中的流體壓力變化函數(shù)，通過采集泵中的歷史流體壓力數(shù)據(jù)構(gòu)建；為歷史時(shí)間；為歷史時(shí)間積分變量。

11、進(jìn)一步的，步驟1中，通過如下公式，基于時(shí)頻特征矩陣，計(jì)算流體壓力波動(dòng)特征：

12、；

13、其中，為當(dāng)前時(shí)間時(shí)的流體壓力波動(dòng)特征；為流體密度；為重力加速度；為當(dāng)前時(shí)間時(shí)的液位高度；為流體動(dòng)力粘度；為管道直徑；為管道彈性模量；為聲速。

14、進(jìn)一步的，步驟1中，通過如下公式，根據(jù)時(shí)頻特征矩陣與流體壓力波動(dòng)特征，計(jì)算湍流強(qiáng)度：

15、；

16、其中，為湍流強(qiáng)度，描述管道內(nèi)徑向距離為和當(dāng)前時(shí)間下的湍流脈動(dòng)特性；為當(dāng)前時(shí)間下的雷諾數(shù)，描述流體流動(dòng)的慣性與粘性比值；為臨界雷諾數(shù)，表示流體由層流轉(zhuǎn)為湍流的臨界值；為管道內(nèi)徑向距離，表示從管道中心到某點(diǎn)的徑向距離；為管道半徑，表示管道的最大徑向距離；為預(yù)設(shè)的振動(dòng)修正系數(shù)；為振動(dòng)特征頻率，表示泵的振動(dòng)信號(hào)的主頻；為振動(dòng)周期；為徑向分布函數(shù)，描述湍流強(qiáng)度隨管道半徑的變化；為管道內(nèi)徑向距離為和當(dāng)前時(shí)間下的湍流動(dòng)能，；其中，為從泵的振動(dòng)信號(hào)提取到的第1軸的平均脈動(dòng)速度分量；為從泵的振動(dòng)信號(hào)提取到的第2軸的平均脈動(dòng)速度分量；為從泵的振動(dòng)信號(hào)提取到的第3軸的平均脈動(dòng)速度分量。

17、進(jìn)一步的，步驟2中，使用如下公式，基于湍流強(qiáng)度，計(jì)算雷諾應(yīng)力張量：

18、；

19、其中，表示第1軸的方向的坐標(biāo)變量；表示第2軸的方向的坐標(biāo)變量；表示第3軸的方向的坐標(biāo)變量；表示流體的湍流粘度；表示管道內(nèi)徑向距離為和當(dāng)前時(shí)間下的雷諾應(yīng)力張量。

20、進(jìn)一步的，步驟2中，使用如下公式，根據(jù)湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力張量，計(jì)算流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)值：

21、；

22、其中，為當(dāng)前時(shí)間時(shí)的流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)；為預(yù)設(shè)的臨界湍流強(qiáng)度；為當(dāng)前時(shí)間時(shí)的韋伯?dāng)?shù)；為臨界韋伯?dāng)?shù)；為預(yù)設(shè)的周期項(xiàng)權(quán)重；為預(yù)設(shè)的壓力波動(dòng)項(xiàng)權(quán)重。

23、進(jìn)一步的，步驟2中，使用如下公式，建立流量估計(jì)模型：

24、；

25、其中，為當(dāng)前時(shí)間時(shí)的流量估計(jì)；為當(dāng)前時(shí)間時(shí)的壓力變化值；為臨界流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)值；為預(yù)設(shè)的流量系數(shù)。

26、進(jìn)一步的，步驟3中，使用如下公式，根據(jù)流量估計(jì)模型，生成井下流量開關(guān)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：

27、；

28、其中，為拉普拉斯變量；為拉普拉斯變量形式的期望流量；為固有頻率；為阻尼比；為截止頻率；為對(duì)應(yīng)的拉普拉斯變量形式；為對(duì)應(yīng)的拉普拉斯變量形式。

29、進(jìn)一步的，步驟3中，使用如下公式，根據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使用自適應(yīng)控制方法生成井下流量開關(guān)控制的自適應(yīng)控制律：

30、；

31、其中，為生成的井下流量開關(guān)控制的自適應(yīng)控制律；為自適應(yīng)增益；為時(shí)間變量形式的期望流量；為靜態(tài)增益；為的頻域形式；為歷史時(shí)間積分變量形式下的期望流量；為歷史時(shí)間積分變量形式下的流量估計(jì)。

32、本發(fā)明的基于振動(dòng)信號(hào)分析的井下流量開關(guān)控制方法，具有以下有益效果：

33、井下流體環(huán)境中的湍流特性、流態(tài)轉(zhuǎn)捩及多相流動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為，傳統(tǒng)的壓力傳感器和流量傳感器技術(shù)難以有效捕捉。本發(fā)明通過引入三軸振動(dòng)信號(hào)采集和時(shí)頻特征分析技術(shù)，直接利用泵的振動(dòng)信號(hào)表征流體狀態(tài)。振動(dòng)信號(hào)不僅反映了泵的機(jī)械振動(dòng)特性，還通過流體與泵的耦合作用捕捉到了湍流強(qiáng)度、流態(tài)轉(zhuǎn)捩和壓力波動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。

34、通過構(gòu)建基于振動(dòng)信號(hào)的湍流強(qiáng)度模型和雷諾應(yīng)力張量，本發(fā)明能夠靈敏地響應(yīng)流態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜流態(tài)的高效監(jiān)測(cè)和控制。本發(fā)明通過將湍流強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力張量和流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)值引入流量估計(jì)模型，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中流量估計(jì)與流態(tài)動(dòng)態(tài)行為之間脫節(jié)的問題。湍流強(qiáng)度反映了流體中速度波動(dòng)的能量分布，而雷諾應(yīng)力張量刻畫了湍流對(duì)動(dòng)量交換的影響，這些關(guān)鍵參數(shù)通過振動(dòng)信號(hào)處理得到后，與流體壓力波動(dòng)和管道參數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量變化的全面描述。特別是通過構(gòu)建包含流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，本發(fā)明能夠在湍流狀態(tài)顯著增強(qiáng)或流態(tài)發(fā)生突變時(shí)及時(shí)調(diào)整流量估計(jì)結(jié)果，確保流量估算的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。

35、井下環(huán)境的復(fù)雜性（如高壓、高溫、多相流體等）對(duì)流量控制系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛要求。本發(fā)明通過振動(dòng)信號(hào)的非接觸式采集和多維信號(hào)處理方法，有效規(guī)避了傳統(tǒng)傳感器在極端環(huán)境中的性能衰減問題。此外，通過引入流態(tài)轉(zhuǎn)捩判據(jù)值和動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，本發(fā)明能夠在流態(tài)頻繁變化或流量劇烈波動(dòng)的情況下維持系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和可靠性。特別是在湍流狀態(tài)增強(qiáng)或流體壓力波動(dòng)顯著的條件下，系統(tǒng)能夠快速調(diào)整控制策略，避免流量開關(guān)動(dòng)作失靈或系統(tǒng)過載，確保設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。