基于巴特沃斯濾波的智能濾波器設計

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1、基于巴特沃斯濾波的智能濾波器設計 ［摘 要］針對信號采集系統(tǒng)和抽油機采油過程 中噪聲的特性，本文提出一種使用巴特沃斯濾波器的 智能濾波器的優(yōu)化設計方案，建立實物仿真模型，并 給出濾波器的推導和 RC 值計算過程。在油田現(xiàn)場實 踐證明，該方案可以有效提高系統(tǒng)的信噪比，對外干 擾信號具有很強的抑制能力，對檢測輸入信號激勵的 被控制輸出信號有較小的畸變等優(yōu)點。 ［關鍵詞］智能濾波器；巴特沃斯；FFT;濾波器 中圖分類號： TM623.8 文獻標識碼： A 文章編號： 1009-914X（ 2018） 25-0141-01 1 引言 油田生成過程中存在大量的噪聲信號，其主要是

2、 高頻噪聲。該噪聲嚴重干擾信號采集系統(tǒng)，對抽油機 采油過程控制產(chǎn)生危害。為了降低信號噪聲，信號采 集系統(tǒng)工程設計時常采用一階、二階阻容式濾波器或 阻尼器，但是這類濾波器的信噪比較低，且對被測信 號存在某種程度的衰減，并不是很理想 ［1-2］ 。巴特沃 斯濾波器具有很好的低通濾波器特性和過程控制系統(tǒng) 所要求的響應性能， 因此目前開始應用于油田環(huán)境濾 波器設計中。 2 巴特沃斯濾波器 巴特沃斯濾波器的特點是通 ?l 帶內(nèi)的頻率響應曲 線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降 為零。在振幅的對數(shù)對角頻率的波特圖上，從某一邊 界角頻率開始，振幅隨著角頻率的增加而逐步減少，

3、 趨向負無窮大。 模擬濾波器設計就是將一組規(guī)定的設計要求，轉(zhuǎn) 化為相應的模擬系統(tǒng)函數(shù)，使其逼近某個理想濾波器 的特性。 巴特沃斯低通濾波器的幅度平方函數(shù)定義為 其中 C 為一常數(shù)參數(shù)， N 為濾波器階數(shù)，為歸一 化低通截止頻率， ，式中 N 為整數(shù)，是濾波器的階次 [4]。 巴特沃斯低通濾波器的振幅特性如圖 1 所示。 常用設計巴特沃斯低通濾波器指標： 2.1 濾波器參數(shù)設計 PROFIBUS-DP 智能濾波器主要應用于油田現(xiàn) 場。油田現(xiàn)場存在大量的噪聲信號，其主要是高頻噪 聲構成，一般在 5000Hz 以上，因此設計巴特沃斯低 通濾波器時，要求截止頻率，通帶最大

4、衰減，阻帶起 始頻率，阻帶最小衰減。 2.2 濾波器結構設計 5 階巴特沃斯低通濾波器結構如圖 3 所示，巴特 沃斯 LPF 的歸一化表， 5 階 f1= f2= f3=1.0 ； Q1=0.5， Q2=0.618034, Q3=1.618034。按照標準 E12 系列取 C11 = C21 =C31 = 2.2nE低噪聲電路設計時，電阻值 應當選擇小一些。在要求消耗電流低的場合，為了減 輕負載應選用較大的電阻值。 使用計算后的 RC 值 5 階巴特沃斯低通濾波器的 幅頻特性，通帶截止頻率為，衰減 3dB ，阻帶起始頻 率，衰減 30dB。 實驗過程中，根據(jù)計算參數(shù)，建

5、立如圖 4 所示的 實物仿真模型，實現(xiàn)巴特沃斯濾波器，對輸入和輸出 信號用示波器進行采集分析信號 FFT 特性。 如圖 5 所 示采用普通 1 階 RC 濾波，無法有效抑制高頻成分的 噪聲干擾，信噪比降低。圖 6 所示，采用 5 階巴特沃 斯濾波后，能夠有效的抑制高頻信號，且對檢測輸入 信號激勵的被控制輸出信號有較小的畸變。 6 現(xiàn)場應用 在確保安全生產(chǎn)的同時，該區(qū)突出重點工作，大 力加強科研攻關、精細管理，助推原油上產(chǎn)。通過區(qū) 域、油井的分析對比，預實施“四個進一步” ，即進一 步加大錦 91 火驅(qū)先導試驗轉(zhuǎn)線性井網(wǎng)力度， 進一步完 善錦 94 擴大試驗區(qū)井網(wǎng)， 在區(qū)

6、塊中已經(jīng)尋找出 6 口待 措施井，目前錦 45-28-261 換井底措施已確定；進一 步優(yōu)選可行性工藝類措施增產(chǎn)增效，通過堵水、壓裂 等方法，來解決部分油井出水、低產(chǎn)低液、油稠等問 題， 預計增油 3100 噸。 此外， 作業(yè)區(qū)通過稠油老井法、 綜合遞減法、 產(chǎn)量回歸法、 單井平均日產(chǎn)油法 “四法” ， 對老區(qū)產(chǎn)能進行科學預測， 進一步細化油井日常挖潛， 采取地質(zhì)隊論證挖潛和班站自主挖潛相結合方式，大 力開展群眾性挖潛工作，力爭增油 1000 噸以上。 2017 年“開源節(jié)流、降本增效”仍然是作業(yè)區(qū)成 本挖潛的重頭戲， 該區(qū)進一步圍繞生產(chǎn)經(jīng)營中的難點、 重點，實施“立項”管

7、理。針對作業(yè)區(qū)班站與人員實 際情況， 開展 “挖潛創(chuàng)效” 工程―精準油井 ABC 分類， 加強重點井的摻油水、參數(shù)匹配、洗井周期及間開制 定等管理工作，為油井挖潛提供可靠依據(jù)；恢復檢泵 井分析會， 對周期內(nèi)的倒井逐一論證， 提高措施效率； 推行“并站直輸、降壓運行”的調(diào)改理念，集中優(yōu)化， 降低系統(tǒng)回壓，提高油井生產(chǎn)時效。開展“兩驅(qū)精細 化”工程一錦94蒸汽驅(qū)擴大試驗區(qū)及錦91塊火驅(qū)是 生產(chǎn)管理的首要工作， 切實做到 “三個加強” ， 即加強 硫化氫及尾氣管理監(jiān)督、加強先導驅(qū)與擴大區(qū)的管理 經(jīng)驗交流、加強外來施工的監(jiān)督管理，為兩驅(qū)的上產(chǎn) 保駕護航。 7 結論 本文針對信

8、號采集系統(tǒng)和油田采油過程噪聲的高 頻特性，高于 5kHz 以上的噪聲信號進行多階巴特沃 斯濾波進行濾波，給出了濾波器的推導和 RC 值得計 算過程，實踐證明采用高階巴特沃斯低通濾波器，在 油田現(xiàn)場多噪聲環(huán)境下，該方案可以有效提高系統(tǒng)的 信噪比，對外干擾信號有很強的抑制能力，對檢測輸 入信號激勵的被控制輸出信號有較小的畸變等優(yōu)點。 參考文獻 [1] Wang yonChu. Buttworth filter Application in process control.Industrial Instrumentation & Automation, 1994 (6): 13?15 [2] Robertson D G E DOWLING J J. Design and responses of Butterworth and critically damped digital filters ， Journal of Electromyography and Kinesiology， 2003( 13) [3] [4]