基于巴特沃斯濾波的智能濾波器設計

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） 25-0141-011 引言油田生成過程中存在大量的噪聲信號，其主要是高頻噪聲。該噪聲嚴重干擾信號采集系統(tǒng)，對抽油機采油過程控制

2、產生危害。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，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，轉化為相應的模擬系統(tǒng)函數，使其逼近某個理想濾波器的特性。巴特

3、沃斯低通濾波器的幅度平方函數定義為其中 C 為一常數參數， N 為濾波器階數，為歸一化低通截止頻率， ，式中 N 為整數，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 濾波器參數設計PROFIBUS-DP 智能濾波器主要應用于油田現場。油田現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

4、=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，根據計算參數，建立如圖 4 所示的實物仿真模型，實現巴特沃斯濾波器，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

5、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 現場應用在確保安全生產的同時，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。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 火驅先導試驗轉線性井網力度， 進一步完善錦 94 擴大試驗區(qū)井網， 在區(qū)塊中已經尋找出 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增效，通過堵水、壓裂等方法，來解決部分油井出水、低產低液、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、 產量回歸法、 單井平均日產油法

6、 “四法” ，對老區(qū)產能進行科學預測， 進一步細化油井日常挖潛，采取地質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)進一步圍繞生產經營中的難點、重點，實施“立項”管理。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；恢復檢泵井分析會， 對周期內的倒井逐一論證， 提高措施效率；推行“并站直輸、降壓運行”的調改理念，集中優(yōu)化，降低系統(tǒng)回壓，提高油井生產時效。開展“兩驅精細化

7、”工程一錦94蒸汽驅擴大試驗區(qū)及錦91塊火驅是生產管理的首要工作， 切實做到 “三個加強” ， 即加強硫化氫及尾氣管理監(jiān)督、加強先導驅與擴大區(qū)的管理經驗交流、加強外來施工的監(jiān)督管理，為兩驅的上產保駕護航。7 結論本文針對信號采集系統(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): 13152 Robertson D G E DOWLING J J. Design and resp