Том 336 № 11 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/11/5396
Разработка и исследование наблюдателя полного порядка динамической системы «кабельная линия – синхронный двигатель с постоянными магнитами» в дискретном времени
Актуальность. В настоящее время возрастает доля установок центробежных электронасосов, эксплуатирующихся в прерывистых режимах, что позволяет повысить добычу нефти для мало- и среднедебитных скважин. Это достигается путем перевода скважины на двухпозиционные режимы управления с отдельными циклами откачки и накопления жидкости. Однако в этом случае существенно сокращается время разгона погружного электродвигателя, которое может достигать нескольких минут. Такой подход ведет к сокращению наработки на отказ как электродвигателей, так и компонентов погружной части установки вследствие повышения амплитуды вибраций и крутильных колебаний в сравнении с квазистационарными процессами в случае непрерывной эксплуатации скважины. Достичь снижения влияния пусковых токов и моментов, приводящих к избыточному усталостному износу элементов погружной части установки, можно путем применения замкнутых бездатчиковых систем управления электроприводов погружных электродвигателей. Это обуславливает актуальность разработки методов идентификации неизмеряемых переменных состояния погружных электродвигателей, таких как вектор потокосцепления и угловая скорость ротора, на основе наблюдателей состояния полного порядка. Цель. Разработка и исследование наблюдателя полного порядка угловой скорости и момента сопротивления на валу для динамической системы «кабельная линия – синхронный двигатель с постоянными магнитами» на основе явных математических моделей в дискретном времени для реализации замкнутых бездатчиковых систем управления электроприводом установок центробежных электронасосов. Методы. Методы системного анализа и структурно-параметрического синтеза динамических систем, методы идентификации неизмеряемых переменных состояния динамических систем на основе наблюдателей состояния, методы численного математического моделирования динамических систем, описываемых системами жестких дифференциальных уравнений, и методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений. Результаты. Разработана настраиваемая математическая модель наблюдателя полного порядка угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу для динамической системы «кабельная линия – синхронный двигатель с постоянными магнитами». Исследована работоспособность наблюдателя при отработке типовых режимов и при отклонении параметров его настраиваемой модели от эталонных. Для всех режимов относительная ошибки оценивания угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу составили менее 1,5 и 1 % соответственно.
Ключевые слова:
установки центробежных электронасосов, наблюдатель полного порядка, бездатчиковые системы электропривода, динамическая система «кабельная линия – синхронный двигатель с постоянными магнитами», идентификация переменных состояния динамических систем, прерывистые режимы эксплуатации нефтяных скважин
Библиографические ссылки:
1. Основные технико-экономические показатели добычи нефти по способам эксплуатации и категориям скважин // Федеральная служба государственной статистики. URL: https://rosstat.gov.ru/storage/mediabank/pok107_Calendar1_2022.xls (дата обращения: 01.12.2024).
2. Калафат О.С. Применение кратковременного периодического режима работы установок электроцентробежных насосов на скважинах Горшковской площади Приобского месторождения // Проблемы геологии и освоения недр: труды XVIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. – Томск, 7–11 апреля 2014. – Томск: Изд-во ТПУ, 2014. – Т. 2. – С. 92–94.
3. Учет условий эксплуатации при проектировании периодических режимов работы скважины, оборудованных УЭЦН / В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, С.Б. Якимов, А.А. Клусов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2013. – № 6. – С. 33–39.
4. Камалетдинов Р.С. Эксплуатация малодебитных скважин в текущих реалиях: вызовы и возможности // Деловой журнал Neftegaz.ru. – 2022. – № 12. – С. 96–103.
5. Konopczynski M.R., Moore W.R., Hailstone J.J. ESPs and intelligent completions // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. – San Antonio, Texas, 2002. – P. 1–13.
6. Тагирова К.Ф., Нугаев И.Ф. Концептуальные основы автоматизации управления установками электроцентробежных насосов нефтедобывающих скважин // Мехатроника, автоматизация, управление – 2020. – Т. 21. – № 2. – С. 102–109. DOI: 10.17587/mau.21.102-109.
7. Надежность погружных нефтяных насосов при периодической эксплуатации / Е.А. Лихачёва, В.Г. Островский, Н.А. Лыкова, А.Н. Мусинский, П.А. Байдаров // PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2021. – Т. 6. – № 1. – С. 54–58. DOI: 10.51890/2587-7399-2021-6-1-54-58.
8. Ковалев А.Ю., Кузнецов Е.М., Аникин В.В. Электротехнологические установки для нефтедобычи. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. – 160 с.
9. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике и нефтегазовой промышленности // И.В. Белоусенко, Г.Р. Шварц, С.Н. Великий, М.С. Ершов, А.Д. Яризов. – М.: Недра, 2007. – 478 с.
10. Станции управления Электон-05. Руководство по эксплуатации. ЦТКД 388 РЭ. Версия 18.24 для асинхронного и вентильного двигателя. – Радужный: ЗАО «Электон», 2017. – 169 с.
11. Bose B.K. Modern power electronics and AC drives. – Knoxville: Prentice Hall PTR, 2002. – 738 p.
12. Leonhard W. Control of electrical drives. – New York: Springer, 2001. – 474 p.
13. Феофилактов С. Высокоточные системы погружной телеметрии для проведения гидродинамических исследований // Нефтегазовая вертикаль. – 2011. – № 11. – С. 62–63.
14. О совершенствовании моделей АСУ ТП нижнего уровня УЭЦН в условиях перевода скважин в прерывистые режимы эксплуатации / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, В.А. Копырин, Р.Н. Хамитов, В.З. Ковалев, А.А. Филипас, С.С. Попов, Е.В. Боловин, Е.А. Беляускене // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2025. – Т. 336. – № 8. – С. 243–259. DOI: 10.18799/24131830/2025/8/5263.
15. Сипайлов В.А., Букреев В.Г., Сипайлова Н.Ю. Оптимальное управление установкой электроцентробежного насоса с частотно-регулируемым асинхронным приводом // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2009. – № 4. – С. 66–69.
16. Luo R., Wang Z., Sun Y. Optimized Luenberger observer-based PMSM sensorless control by PSO // Modelling and Simulation in Engineering. – 2022. – Vol. 2022. – P. 1–17.
17. He L., Wang F. Zynq implemented Lunenberger disturbance observer based predictive control scheme for PMSM drives // IEEE Transaction on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35. – Iss. 2. – P. 1770–1778.
18. Henwood N., Malaize J., Praly L. A robust nonlinear Luenberger observer for the sensorless control of SM-PMSM: rotor position and magnets flux estimation // 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. – Montreal, Quebec, Canada, 2012. – P. 1625–1630.
19. Induction motor tacholess fault detection in transient speeds using adaptive generalized Vold Kalman filter / M.F. Yakhni, S. Gauet, A. Sakout, H. Assoum, E. Etien, L. Rambaut, M. Ali, M. El-Gohari // Results in Engineering. – 2024. – Vol. 24. – P. 1–13.
20. Xu Z., Rahman M.F. An extended Kalman filter observer for the direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive // The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems. – Singapore, 2003. – P. 686–691.
21. Tety P., Konate A., Asseu O. A robust extended Kalman filter for speed-sensorless control of a linearized and decoupled PMSM drive // Engineering. – 2015. – Vol. 7. – P. 691–699.
22. Software complex for sensorless control of an electrical submersible pump / R. Iudin, A. Petrochenkov, E. Solodkiy, D. Vishnyakov, B. Krause, S. Salnikov // IEEE Sensors Journal. – 2024. – Vol. 24. – № 1. – P. 830–843. DOI: 10.1109/JSEN.2023.3331354.
23. Chen Z., Wang L., Liu X. Sensorless direct torque control of PMSM using unsected Kalman filter // Proceedings of the 18th World Congress the International Federation of Automatic Control. – Milano, Italy, 2011. – P. 4380–4385.
24. Нос О.В., Пудкова Т.В., Нос Н.И. Синтез наблюдателя электродвижущей силы вращения синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов с переключаемой структурой и самонастраивающимися подсистемами фильтрации и оценки углового положения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2024. – Т. 24. – № 3. – С. 415–423. DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-415-423.
25. Wang G., Zhan H. A new speed adaptive estimation method based on an improved flux sliding-mode observer for the sensorless control of PMSM drives // ISA Transactions. – 2022. – Vol. 128. – P. 675–685.
26. Speed sensorless control of a bearingless induction motor based on sliding mode observer and phase-locked loop / Z. Yang, Q. Ding, X. Sun, C. Lu, H. Zhu // ISA Transactions. – 2022. – Vol. 123. – P. 346–356.
27. Multi-sliding mode current disturbance suppression scheme based model reference adaptive system for sensorless control of permanent magnet synchronous motor / S. Zhang, A. Shen, X. Luo et al. // ISA Transactions. – 2023. – Vol. 137. – P. 615–628.
28. A ripple suppression of sensorless FOC of PMSM electrical drive system based on MRAS / X. Chi, C. Wang, Q. Wu, J. Yang // Results in Engineering. – 2023. – Vol. 20. – P. 1–9.
29. Speed sensorless nonlinear adaptive control of induction motor using combined speed and perturbation observer / Y. Ren, R. Wang, S.J. Rind, P. Zeng, L. Jiang // Control Engineering Practice. – 2022. – Vol. 123. – P. 1–14.
30. Neural network dynamic surface position control of n‐joint robot driven by PMSM with unknown load observer / Q. Yang, H. Yu, X. Meng, Y. Shang // IET Control Theory & Applications. – 2022. – Vol. 16. – P. 1208–1226.
31. Tan L.N., Cong T.P., Cong D.P. Neural network observers and sensorless robust optimal control for partially unknown PMSM with disturbances and saturating voltages // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2021. – Vol. 36. – Iss. 10. – P. 12045–12056.
32. Continuous-discrete time neural network observer for nonlinear dynamic systems application to vehicle systems / H.A. Ghani, H. Laghmara, S.A. Ali, S. Ainouz, X. Gao, R. Khemmar // IFAC-PapersOnLine. – 2023. – Vol. 56. – Iss. 2. – P. 5685–5690.
33. Разработка наблюдателя угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу регулируемого синхронного двигателя с постоянными магнитами, питающегося через длинный кабель / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, В.А. Копырин, С.С. Попов, Е.В. Боловин, В.З. Ковалев, Р.Н. Хамитов, В.В. Тимошкин // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2024. – Т. 335. – № 11. – С. 237–257. DOI: 10.18799/24131830/2024/11/4879.
34. Разработка наблюдателя с оперативным мониторингом угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу погружного асинхронного двигателя / А.С. Глазырин, С.С. Попов, Е.И. Попов, В.А. Копырин, Р.Н. Хамитов, А.А. Филипас, В.В. Тимошкин, Е.А. Беляускене, Ю.О. Кулеш, Е.В. Боловин, В.З. Ковалев, М.В. Денеко // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2024. – Т. 335. – № 9. – С. 203–219. DOI: 10.18799/24131830/2024/9/4826.
35. Разработка наблюдателя угловой скорости и момента сопротивления на валу для синхронных двигателей с постоянными магнитами с повышенной устойчивостью к параметрическим возмущениям / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, В.А. Копырин, С.С. Попов, Е.В. Боловин // Электротехнические системы и комплексы. – 2024. – № 4 (65). – С. 47–54. DOI: 10.18503/2311-8318-2024-4(65)-47-54.
36. Глазырин А.С. Способы и алгоритмы эффективной оценки переменных состояний и параметров асинхронных двигателей регулируемых электроприводов: дис. … д-ра техн. наук. – Томск, 2016. – 376 с.
37. Пантелеев А.В., Якимова Ф.С., Босов А.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения в примерах и задачах. – М.: Высшая школа, 2001. – 376 с.
38. Попов Е.И., Глазырин А.С., Копырин В.А. Влияние методов дискретизации на обусловленность информационной матрицы и характер формирования гиперсфер ошибок в задачах оценивания параметров по малому числу наблюдений // Системы анализа и обработки данных. – 2025. – Т. 97. – № 1. – С. 85–104.
39. Holton T. Digital signal processing. Principles and applications. – Cambridge: Cambridge University Press, 2021. – 1032 p.
40. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. – М.: ИД МЭИ, 2015. – 373 с.
41. Сравнительный анализ частотных характеристик вариантов построения цифровых моделей фильтров нижних частот компонентов электротехнических комплексов / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, С.С. Попов, В.А. Копырин, С.Н. Кладиев, А.П. Леонов, Н.А. Воронина, В.З. Ковалев // Известия Томского политехнического университета. Промышленная кибернетика. – 2023. – Т. 2. – № 3. – С. 9–19. DOI: 10.18799/29495407/2024/3/62.
42. Разработка математической модели синхронного двигателя с постоянными магнитами в дискретном времени / А.С. Глазырин, Е.И. Попов, В.А. Копырин, С.С. Попов, Р.Н. Хамитов, М.В. Денеко // Динамика систем, механизмов и машин. – 2024. – Т. 12. – № 1. – С. 36–42. DOI: 10.25206/2310-9793-2024-12-1-36-42.
43. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. – 636 с.
44. Butt R. An introduction to numerical methods and analysis using MATLAB. – Saudi Arabia, Riyadh: King Saud University, 2021. – 319 p.
45. Пантелеев А.В., Летова Т.А. Методы оптимизации в примерах и задачах. – М.: Высшая школа, 2005. – 544 с.
46. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков В.А. Электрические машины (специальный курс). – М.: Высшая школа, 1987. – 287 с.
47. Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Высшая школа. Логос, 2000. – 607 с.
48. Костарев Н.А., Труфанова Н.М. Применение численного моделирования для анализа эффективности греющего кабеля при добыче высоковязкой нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 2. – С. 99–110. DOI: 10.18799/24131830/2023/2/3776.
49. Оптимизация порядка редуцированной динамической модели ненагруженного нефтепогружного кабеля на основе аппроксимации амплитудно-частотной характеристики / А.С. Глазырин, Ю.Н. Исаев, С.Н. Кладиев, А.П. Леонов, И.В. Раков, С.В. Колесников, С.В. Ланграф, А.А. Филипас, В.А. Копырин, Р.Н. Хамитов, В.З. Ковалев // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332. – № 9. – С. 154–167. DOI: 10.18799/24131830/2021/9/3365.
50. Раков И.В. Методика оценивания параметров и переменных состояния электротехнического комплекса «кабельная линия – асинхронный двигатель» на основе баланса мгновенной потребляемой мощности: дис. … канд. техн. наук. – Томск, 2024. – 143 с.
51. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. – Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. – 298 с.
52. Krishnan R. Permanent magnet synchronous and brushless DC motor drives. – Blacksburg: CRC Press, 2010. – 564 p.
53. Устройство для получения сигнала оценки частоты вращения ротора и сигнала оценки момента сопротивления на валу синхронного двигателя с постоянными магнитами, питающегося через длинный кабель: пат. 2849168 РФ, № 2025112135; заявл. 12.05.2025, опубл. 23.10.2025.
54. Способ получения сигнала оценки частоты вращения ротора и сигнала оценки момента сопротивления на валу синхронного двигателя с постоянными магнитами, питающегося через длинный кабель: пат. 2849169 РФ, № 2025112206; заявл. 12.05.2025, опубл. 23.10.2025.
55. Погружные вентильные электродвигатели. URL: https://nt-lift.com/catalog/element/pogruzhnye-ventilnye-elektrodvigateli/ (дата обращения: 14.11.2024).
56. ПОДОЛЬСККАБЕЛЬ КПБП-90, КПБК-90 Общее описание на кабели для питания нефтепогружных электронасосов. URL: https://podolskab.nt-rt.ru/images/manuals/7-1.pdf (дата обращения: 14.11.2024).
57. Пантелеев А.В., Метлицкая Д.В., Алешина Е.А. Методы глобальной оптимизации. Метаэвристические стратегии и алгоритмы. – М.: Вузовская книга, 2013. – 244 с.
58. Hairer E., Wanner G. Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential algebraic problems. – Berlin: Springer-Verlag, 1996. – 614 p.
59. Astrom K.J., Murray R.M. Feedback systems. An introduction for scientists and engineers. – Princeton: Princeton University Press, 2021. – 578 p.
60. Уразаков К.Р., Рукин М.В., Борисов А.О. Моделирование тепловых процессов в погружном двигателе электроцентробежного насоса, работающего в периодическом режиме // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 4. – С. 62–71. DOI: 10.18799/24131830/2023/4/3959.
61. Афанасьев К.С. Разработка наблюдателя состояния для асинхронного электропривода с повышенной параметрической робастностью: дис. … канд. техн. наук. – Томск, 2015. – 106 с
62. Liu D., Zhao H., Zhou Y. A class of robust censored regression adaptive filtering algorithms // Digital Signal Processing. – 2024. – Vol. 146. – P. 1–14.
63. Boguslavskiy J.A., Borodovsky M. Dynamic systems models. New method of parameter and state estimation. – Switzerland: Springer International Publ., 2016. – 201 p.
