基于巴特沃斯濾波的智能濾波器設(shè)計(jì)

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1、基于巴特沃斯濾波的智能濾波器設(shè)計(jì) ［摘 要］針對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)和抽油機(jī)采油過(guò)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(shè)計(jì)方案，建立實(shí)物仿真模型，并 給出濾波器的推導(dǎo)和 RC 值計(jì)算過(guò)程。在油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 踐證明，該方案可以有效提高系統(tǒng)的信噪比，對(duì)外干 擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力，對(duì)檢測(cè)輸入信號(hào)激勵(lì)的 被控制輸出信號(hào)有較小的畸變等優(yōu)點(diǎn)。 ［關(guān)鍵詞］智能濾波器；巴特沃斯；FFT;濾波器 中圖分類(lèi)號(hào)： TM623.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1009-914X（ 2018） 25-0141-01 1 引言 油田生成過(guò)程中存在大量的噪聲信號(hào)，其主要是

2、 高頻噪聲。該噪聲嚴(yán)重干擾信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)抽油機(jī) 采油過(guò)程控制產(chǎn)生危害。為了降低信號(hào)噪聲，信號(hào)采 集系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)常采用一階、二階阻容式濾波器或 阻尼器，但是這類(lèi)濾波器的信噪比較低，且對(duì)被測(cè)信 號(hào)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(guò)程控制系統(tǒng) 所要求的響應(yīng)性能， 因此目前開(kāi)始應(yīng)用于油田環(huán)境濾 波器設(shè)計(jì)中。 2 巴特沃斯濾波器 巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通 ?l 帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲 線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降 為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上，從某一邊 界角頻率開(kāi)始，振幅隨著角頻率的增加而逐步減少，

3、 趨向負(fù)無(wú)窮大。 模擬濾波器設(shè)計(jì)就是將一組規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn) 化為相應(yīng)的模擬系統(tǒng)函數(shù)，使其逼近某個(gè)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(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器指標(biāo)： 2.1 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì) PROFIBUS-DP 智能濾波器主要應(yīng)用于油田現(xiàn) 場(chǎng)。油田現(xiàn)場(chǎng)存在大量的噪聲信號(hào)，其主要是高頻噪 聲構(gòu)成，一般在 5000Hz 以上，因此設(shè)計(jì)巴特沃斯低 通濾波器時(shí)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 階巴特沃斯低通濾波器結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn) E12 系列取 C11 = C21 =C31 = 2.2nE低噪聲電路設(shè)計(jì)時(shí)，電阻值 應(yīng)當(dāng)選擇小一些。在要求消耗電流低的場(chǎng)合，為了減 輕負(fù)載應(yīng)選用較大的電阻值。 使用計(jì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)計(jì)算參數(shù)，建

5、立如圖 4 所示的 實(shí)物仿真模型，實(shí)現(xiàn)巴特沃斯濾波器，對(duì)輸入和輸出 信號(hào)用示波器進(jìn)行采集分析信號(hào) FFT 特性。 如圖 5 所 示采用普通 1 階 RC 濾波，無(wú)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(hào)，且對(duì)檢測(cè)輸入 信號(hào)激勵(lì)的被控制輸出信號(hào)有較小的畸變。 6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 在確保安全生產(chǎn)的同時(shí)，該區(qū)突出重點(diǎn)工作，大 力加強(qiáng)科研攻關(guān)、精細(xì)管理，助推原油上產(chǎn)。通過(guò)區(qū) 域、油井的分析對(duì)比，預(yù)實(shí)施“四個(gè)進(jìn)一步” ，即進(jìn)一 步加大錦 91 火驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)線(xiàn)性井網(wǎng)力度， 進(jìn)一步完 善錦 94 擴(kuò)大試驗(yàn)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(jìn)一 步優(yōu)選可行性工藝類(lèi)措施增產(chǎn)增效，通過(guò)堵水、壓裂 等方法，來(lái)解決部分油井出水、低產(chǎn)低液、油稠等問(wèn) 題， 預(yù)計(jì)增油 3100 噸。 此外， 作業(yè)區(qū)通過(guò)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(duì)老區(qū)產(chǎn)能進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)， 進(jìn)一步細(xì)化油井日常挖潛， 采取地質(zhì)隊(duì)論證挖潛和班站自主挖潛相結(jié)合方式，大 力開(kāi)展群眾性挖潛工作，力爭(zhēng)增油 1000 噸以上。 2017 年“開(kāi)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(jìn)一步圍繞生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的難點(diǎn)、 重點(diǎn)，實(shí)施“立項(xiàng)”管

7、理。針對(duì)作業(yè)區(qū)班站與人員實(shí) 際情況， 開(kāi)展 “挖潛創(chuàng)效” 工程―精準(zhǔn)油井 ABC 分類(lèi)， 加強(qiáng)重點(diǎn)井的摻油水、參數(shù)匹配、洗井周期及間開(kāi)制 定等管理工作，為油井挖潛提供可靠依據(jù)；恢復(fù)檢泵 井分析會(huì)， 對(duì)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(yùn)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(shí)效。開(kāi)展“兩驅(qū)精細(xì) 化”工程一錦94蒸汽驅(qū)擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)及錦91塊火驅(qū)是 生產(chǎn)管理的首要工作， 切實(shí)做到 “三個(gè)加強(qiáng)” ， 即加強(qiáng) 硫化氫及尾氣管理監(jiān)督、加強(qiáng)先導(dǎo)驅(qū)與擴(kuò)大區(qū)的管理 經(jīng)驗(yàn)交流、加強(qiáng)外來(lái)施工的監(jiān)督管理，為兩驅(qū)的上產(chǎn) 保駕護(hù)航。 7 結(jié)論 本文針對(duì)信

8、號(hào)采集系統(tǒng)和油田采油過(guò)程噪聲的高 頻特性，高于 5kHz 以上的噪聲信號(hào)進(jìn)行多階巴特沃 斯濾波進(jìn)行濾波，給出了濾波器的推導(dǎo)和 RC 值得計(jì) 算過(guò)程，實(shí)踐證明采用高階巴特沃斯低通濾波器，在 油田現(xiàn)場(chǎng)多噪聲環(huán)境下，該方案可以有效提高系統(tǒng)的 信噪比，對(duì)外干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力，對(duì)檢測(cè)輸 入信號(hào)激勵(lì)的被控制輸出信號(hào)有較小的畸變等優(yōu)點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [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]