（化工过程机械专业论文）瓦斯压缩机自适应pid节能控制技术研究.pdf

一 f 一， k 厂 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o ch i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a 0g u o s h a n ( c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t ) t u t o r ：p r o f e s s o rq i u x i n g q i a p r i l ，2 0 0 7 ， 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：吨园幽 炒7 年岁月二g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 呷年 岁 月多子日 炒7 年箩月夕彦日 i 一 组分的气体，在压缩机的压缩过程和冷却器的冷却过程中会出现某些组 分凝析，使得混合气组分发生变化，影响混合气的热力学性质和物理性 质，从而影响往复式瓦斯压缩机性能。研究往复式压缩机流量调节和节 能控制的原理与方法，重点研究进气压力变化对往复式瓦斯压缩机效能 的影响。通过对示功图研究分析了往复式压缩机的工作特性，并进行了 往复式压缩机变工况实验研究。 p i d 控制器是一种理想的过程调节器，p i d 控制具有算法简单、鲁 棒性和可靠性高的优点，被广泛应用于工业过程控制，但当控制对象变 化时，控制器的参数难以自动调整。先进p i d 控制是将自适应控制、最 优控制、预测控制、鲁棒控制和智能控制策略引入到传统p i d 控制中的 一种新型p i d 控制。本文简要回顾了p i d 控制器的发展历程，重点介绍 了基于模糊控制和神经网络等先进控制理论的自适应p i d 控制器的发展 概况。 在详细分析p i d 控制原理及其基本的参数整定方法的基础上，重点 研究了智能控制发展的两个重要分支：即模糊控制和神经网络控制。其 中，模糊控制的优点是善于处理结构化知识，不需要对象的精确数学模 型，具有较强的鲁棒性：而神经网络的主要优点是自学习能力、对任意 函数的逼近能力以及并行处理的能力。本文在如何将常规p i d 控制与模 i i 糊控制结合以及将常规p i d 控制、模糊控制 来有效地解决控制问题方面做了一定的研究，给出了控制方案。 提出了一种基于神经网络的模糊自适应p i d 控制方法，给出了该控 制器的结构与参数设计方法。此方法将模糊控制、神经网络和p i d 控制 器有效结合的结果，既具有模糊控制的简单、有效的非线性控制作用， 又具有神经网络的自学习和自适应能力。控制器根据输入信号即偏差e 和偏差变化e c ，在线整定p i d 控制器的三个参数k p 、硒、k d 。仿真结 果表明，这种基于神经网络的模糊自适应p i d 控制算法具有较好的控制 效果。 关键词：往复式压缩机，变工况，p i d 控制，模糊控制，神经网络 一i 一， s a v i n g i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ri n c l u d i n gd i s c h a r g ec a p a c i t y , d i s c h a r g ep r e s s u r e , p o w e ra n de f f i c i e n c y , a n dm e a n w h i l ea n a l y s e st h ei n f l u e n c ef a c t o r s t h eg a s m i x t u r ew i t hc o n d e n s a b l e c o m p o n e n t s w i l l p a r t l y c o n d e n s e d u r i n g c o m p r e s s i n ga n dc o o l i n g ， w h i c hb r i n g sg a sc o m p o s i t i o nc h a n g e sa n d i n f l u e n c e si t st h e r m o d y n a m i ca n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n df u r t h e r m o r et h e p i s t o nc o m p r e s s o r sp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rs t u d i e st h et h e o r ya n dm e t h o do f e n e r g ys a v i n gt h r o u g ha d j u s t i n g f l o wa n da u t o m a t i c c o n t r o l ， a n dt h e i n f l u e n c eo fi n t a k e p r e s s u r ec h a n g e s o n r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r p e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e so p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fr e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r st h r o u g hs t u d y i n g o ni n d i c a t o r d i a g r a m o fr e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r a n dt h ea u t h o ri n t r o d u c e st h et h e o r yu n d e rv a r i a b l ew o r k i n g c o n d i t i o n so fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r p i dc o n t r o l l e ri sak i n do fi d e a lp r o c e s sc o n t r 0 1 s i n c ei t ss i m p l i c i t y , r o b u s t n e s sa n dr e l i a b i l i t y , p i dc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nw i d e l yu s e di n p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tf o rp i dc o n t r o l l e r st o a u t o m a t i c a l l yc o n d i t i o nt l l e i rp a r a m e t e r sw h e nt h ec o n t r o lo b j e c t sc h a n g e s m o d e r np i dc o n t r o li sal ( i i l do fn e wp i dc o n t r o lw h i c hi si n t r o d u c i n g s t r a t e g i e so fa d a p t i v ec o n t r o l ，o p t i m a lc o n t r o l ，p r e d i c t e dc o n t r o l ，r o b u s t f u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r ka n dp i dc o n t r o l l e r t h i sm e t h o dn o to n l y p o s s e s s e st h ef u n c t i o no ff u z z yc o n t r o l ss i m p l i c i t ya n dn o n l i n e a rc o n t r o l l i n g , b u ta l s oh a s t h e c a p a b i l i t y o fn e u r a ln e t w o r k s s e l f - l e a r n i n g a n d s e l f - a d a p t a t i o n t h ec o n t r o l l e rc a nr e a l - t i m ea d j u s tt h ep i dp a r a m e t e r s ：k p , k ta n dk d , a c c o r d i n gt ot h ei n p u ts i g n a l t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e s t h a tt h em e t h o d so fc o m b i n a t i o ns t a n d a r dp i dc o n t r o lw i t hi n t e l l i g e n tc o n t r o l c a na c h i e v eg o o dc o n t r o le f f e c t k e yw o r d s r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , v a r i a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n ，p i d c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k v 1 2 研究现状和进展1 1 2 1 影响压缩机工作性能参数的理论研究。1 1 2 2 往复式压缩机的排气量调节。2 1 2 3 往复式压缩机自适应p i d 控制系统2 1 3 研究内容3 1 4 研究方法与技术路线3 。1 4 1 研究方法j 3 1 4 2 技术路线4 第2 章往复式瓦斯压缩机工作特性及控制5 2 1 往复式压缩机简介。5 2 2 往复式压缩机工作循环5 2 2 1 理论工作循环5 2 2 2 实际工作循环6 2 3 往复式瓦斯压缩机性能影响因素7 2 3 1 影响往复式压缩机排气量的因素8 2 3 2 影响往复式压缩机功效的因素8 2 3 3 气体组分变化对压缩机工作性能的影响9 2 4 往复式压缩机调节机构与方法1 4 2 4 1 管路调节1 4 h 2 4 2 转速调节15 2 4 3 进排气连通15 2 4 4 补充余隙容积15 2 4 5 顶开吸气阀调节1 5 _n j j 2 5 典型压缩机控制系统1 6 2 6 本章小结1 7 第3 章往复式压缩机节能技术研究1 8 3 1 热力学原理1 8 3 1 1 阀门节流1 8 3 1 2 节能分析法1 8 3 1 3 压缩气体流动过程的节能分析2 1 3 2 往复式压缩机级间压力的选择及节能原理2 2 3 2 1 压缩机的工艺流程2 2 3 2 2 级间压力和返回流量、排气量之间的关系2 3 3 2 3 工况改变情况下级间压力的合理选择2 5 3 3 本章小结2 7 第4 章往复式压缩机变工况实验研究2 8 4 1 往复式压缩机变工况实验理论2 8 4 2 现场调研及数据3 0 4 2 1 富气压缩机的工作原理3 1 4 2 2 富气压缩机的运行工况31 4 3 往复式压缩机变工况实验3 3 4 3 1 原有实验装置和流程3 3 4 3 2 变工况实验台改造3 4 4 3 3 变工况实验及数据处理3 4 4 4 本章小结4 0 第5 章自适应p i d 控制4 1 5 1p i d 控制的原理与进展4 1 5 1 1p i d 控制器4 1 5 1 2 自适应p i d 控制4 3 5 1 3p i d 控制器参数整定方法4 3 5 2 模糊控制4 7 5 2 1 模糊控制原理4 7 5 2 2 模糊控制器4 7 5 3 5 3 5 4 5 5 第6 章控制系统设计与仿真5 6 6 1 控制系统设计5 6 6 1 1p i d 控制参数整定5 6 6 1 2 模糊p i d 控制5 8 6 1 3 基于神经网络的模糊p i d 的实现6 2 6 1 4 模糊p i d 控制器设计6 4 6 1 5 基于神经网络的模糊自适应p i d 控制器设计6 7 6 2 控制系统仿真7 0 6 2 1 常规p i d 控制器仿真7 1 6 2 2 模糊自适应p i d 控制器仿真7 6 6 2 3 基于神经网络的模糊自适应p i d 控制器仿真8 0 6 2 4 三种p i d 控制器分析比较8 6 6 3 本章小结9 0 第7 章结论9 2 7 1 总结9 2 7 2 不足与展望9 3 主要符号表。9 4 参考文献9 5 附j 录9 9 附录1v b 编写数据处理程序主要源代码9 9 附录2m a t l a b 编写b p 神经网络训练程序1 0 2 致谢10 4 个人简历、在学期间的研究成果1 0 5 q 1 章绪论 本课题来源于智能瓦斯压缩机开发研究课题。 在目前世界能源日趋紧张的形势下，节能增效是厂家提高其竞争能 力和社会效益的重要途径。往复式压缩机是机械工业中量大面广的产品 之一，在化工、炼油行业中，为了满足市场对产品的要求，某些工艺参 数要根据产品不同作相应的改变，使得压缩气体的耗用量变得不固定， 而压缩机的额定输气量一般都大大超过最大的需要量，所以其排气量经 常需要调节。另由于原料组成不同以及过程的波动，造成压缩机的入口 压力、温度、介质组分变化而使压缩机操作不稳定或能源浪费。 为了便于操作使用任何设备都有其独特的控制系统，往复式压缩机 也不例外，针对往复式压缩机的控制系统而言；其目的不外乎以下功能： 将排气压力控制在许可范围内；安全运行为着眼点，避免压缩机因 为超压、过热过冷、失油( 润滑) 、振动过大及过负荷所可能引起的意 外事件或损坏事故；适应进气条件的变更及用气量的改变并能自动而有 效应对；减少不必要的浪费、节省能源：其它辅助功能，例如起动停机、 负载卸载以及辅助故障排除等。 1 2 研究现状和进展 1 2 1 影响压缩机工作性能参数的理论研究 对于往复式压缩机其主要的性能参数有排气量、排气压力、排气温 度、功和功率等。压缩机的性能参数如排气量、排气压力、功率等是指 在设计工况下的数据，而压缩机在实际使用过程中，由于其进气压力、 进气温度与设计工况存在偏差，其性能参数也会随之变化。因此压缩机 的性能参数除了与产品参数有关外，还直接受进气压力、环境温度等因 素影响。由单级往复式压缩机排气量的计算公式【l 】： q o = 4 乃乃珂 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 式中，q o 压缩机的排气量，m 3 s ； 圪行程容积，m 3 ； 乃容积系数； 名。压力系数； 温度系数； 乃泄漏系数； 以压缩机转速，r s ； 其中屯与压缩机的热力过程直接有关： 毛= l + 口一馏i ( 1 - 2 ) 式中，口为相对余隙容积；为压缩比。 输出系数：名= 乃以乃乃 ( 1 - 3 ) 所有对于理论过程的偏差都由输出系数名来决定。 上面所示的系数可以分成两组：2 = 乃名和彳7 = 砧乃。 其中乃，五，以与压缩机的进气压力的影响较大，分析压缩机的工 况对各系数的影响，可得到变工况对压缩机排气量的影响。 一台已有的压缩机其排气压力的高低并不取决于压缩机本身，而是 由于压缩机排气系统内的气体压力，即所谓“背压 决定的；而排气系 统内的气体压力，又取决于在该压力下压缩机所排入系统的气量与从系 统输走的气量是否平衡。 1 2 2 往复式压缩机的排气量调节 压缩机正常工作状态下的容积流量基本上是保持不变的，但是用户 对气体的耗用量是随着工艺流程和耗气设备的工况而变化。当容积流量 大于耗气量时，管网中气体压力就会升高，反之，管网中的压力会降低。 因此，管网中的压力波动必须控制在一定范围内，这就需要对压缩机的 容积流量进行调节，常用调节方式有：管路调节、转速调节、进排气连 通、补充余隙容积和顶开吸气阀调节等。 1 2 3 往复式压缩机自适应p i d 控制系统 在往复式压缩机控制系统中，常采用的控制策略有程序控制、顺序 2 乞i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 控制、比例积分微分控铝i ( p i d 控制) 、前馈控制、最优控制和自适应控制 等调节方法。其中，p i d 控制具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高的优 点，被广泛应用于工业过程控制。 而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规p i d 控制器不能达到理想的控制效果，对运行工况的适应性很差。针对这些 问题，人们研究出了自适性p i d 控制、智能p i d 控制、模糊p i d 控制、 神经网络p i d 控制和预测p i d 控制等。 1 3 研究内容 本文主要针对目前国内往复式瓦斯压缩机使用中存在的入口压力、 温度、介质组分变化导致压缩机操作不稳定或能源浪费的问题，研究往 复式瓦斯压缩机工作性能的影响因素，针对往复式压缩机进行节能分析 研究，研究入口工况对出口压力、流量及耗功的影响，重点研究出口压 力一定的条件下，功耗与入口条件的关系，研究自适应p i d 的控制的理 论和原理，设计新型p i d 控制系统并进行控制系统仿真。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 本课题通过对往复式压缩机实验台的改造实现往复式压缩机变工况 实验，对压缩机工作原理通过理论研究、现场调研以及实验研究进行， 所需参数数据包括压缩机的进排气压力、进排气温度、级间压力温度、 排气量及工作介质等，研究的主要目的是掌握压缩机的工作特性以及合 理的控制方法。一般的工业对象大都可近似地用一阶滞后系统表示，但 对于压缩机由于其工作存在一定特殊性，所以在压缩机控制系统中，调 节量极不易掌握，很容易出现超调和振荡，而且振荡周期颇长，这就需 要所设计的控制系统具有较强的鲁棒性和自适应性。 基于对理论和实验研究，利用控制系统开发应用软件m a t l a b 中的 s i m u l i n k 工具箱进行新型p i d 控制系统的设计开发与仿真。设计思路 为以模糊控制为核心，以工程经验和知识为基础建立模糊规则库，利用 中国石油人学( 华东) 硕十论文 神经网络对模糊系统进行映射建立 系统，并对所设计的控制系统进行 1 4 2 技术路线 ( 1 ) 查阅文献并实际调研往复式压缩机的应用现状及存在的问题， 主要调研往复式压缩机的进、排气的各参数，并掌握往复式压缩机的工 作原理及其工作性能主要影响因素； ( 2 ) 分析往复式压缩机在运行中存在的问题，改进实验装置进行变 工况实验，实验研究入口工况对排气量及耗功的影响，重点研究出口压 力一定的条件下，功耗与入口工况的关系； ( 3 ) 针对压缩机工作的特殊性，提出合理的自适应控制方案，掌握 控制系统开发软件m a t l a b ，根据方案设计新型p i d 控制器； ( 4 ) 设计控制系统并进行仿真，通过对控制系统的仿真，分析和比 较控制系统的性能。 4 2 1 往复式压缩机简介 往复式压缩机气缸中有可往复运动的活塞，气缸上有进、排气阀门， 当活塞做往复运动时，气缸容积便周期地变化，它与吸气阀、排气阀的 启闭相配合，实现包括膨胀、吸气、压缩和排气四个过程的工作循环， 从而不断吸入气体、排出气体并压缩气体【2 】。 2 2 往复式压缩机工作循环 2 2 1 理论工作循环 气体在气缸内的理论循环具有如下工作特性： 图2 - 1 理想工作循环指示图1 】 理论循环耗功【l 】为： 拉 睨= lv d p 等温循环【2 】为： p v = c o n s t 吣r 脚硼噜 5 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章往复 绝热循环【2 】为： 陟厶= r 蹦p = 鼻k - i 刍 ( 鲁) 竿一 多变循环【2 】为： 陟。耐= r 砌沪= 只巧磊兰i ( 鲁 孚一t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 气体在实际压缩过程中，受许多因素的影响使实际工作循环比理论 工作循环复杂的多，压缩机各工作过程的实际工作循环图如图2 2 【3 j 所 示，本节主要对理论示功图与实际示功图进行比较分析影响压缩机工作 特性的因素。 ( 1 ) 余隙容积的影响 在排气过程结束时会有高压气体残留在余隙容积中，当活塞返向行 程时气缸中残留的高压气体先要膨胀，且膨胀至气缸中残留气体的压力 低于进气接管中压力时，气阀才能打开而实现进气过程。显然，由于余 隙容积中高压气体的膨胀，使得进入气缸的新鲜气体量减少，且余隙容 积越大，膨胀过程越长，进入气缸的气体越少。 ( 2 ) 压力损失的影响 气体在进入或排出气缸前后，要经过滤清器、气阀、冷却器、管道 等等一系列阻力元件，从而产生流动阻力造成压力损失，使得进、排气 过程线分别低于和高于名义进、排气压力线。 ( 3 ) 气流脉动的影响 往复式压缩机的进气、排气是周期性进行的，故导致进气排气接管 及进、排气腔中的气体压力也呈周期性变化，我们称之为气流脉动。当 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章往复式瓦斯压缩机工作特性及控制 进、排气阀打开时，气腔与气缸工作容积相通，气流压力脉动就会传至 气缸中，进、排气过程线就会呈现波浪状。 ( 4 ) 气体泄漏的影响 由于进、排气阀不严密及活塞环、填料密封性能不佳等都会引起气 缸内气体向外泄露或由相邻高压级处气体向低压级气缸泄露。气缸有缸 内向外泄露使压缩过程线比正常情况趋于平坦，压缩过程指数减小；膨 胀过程线变得陡直了，这是由于参加膨胀的高压气体随着气体的漏出而 减少了，气体向缸内漏入时，压缩过程线变陡，膨胀过程线趋于平坦。 避：选 盯尸：、 之蚁 盯尸。、 1 f 夕 亿彩、l l ( b ) 鼠 id 一l a 乒 0 则气体流经节流阀的产生的能量损失【1 5 】为： 既= m 凹= 口彳c y 4 - 万p 凹= 口c y 而 ( 3 1 ) 式中，m 流量，m 3 m i n 。 口阀门的百分开度； c 矿流量系数； p 流体密度，k g m 3 ； 彳阀门截面积，m 2 。 3 1 2 节能分析法 用能原则为在能量系统中，数量上要平衡，质量上要匹配，要尽可 能使热效率和( 火用) 效率都接近1 0 0 ，因而常用的分析法为能量分析法 和火用分析法两种方式【15 1 。 ( 1 ) 能量分析法【1 6 】 蜩石油大学( 华东) 硕十论文第3 章往复式压缩机节能技术研究 图3 1 能量分析控制图 根据能量守恒定律： u + 三1 “卜9 2 i + 呒= u 2 + j 1 “：2 4 - 0 。2 2 + q 即，睨- q = a u + 三，a 甜2 + g a z 对于稳定流动体系则有 睨一q = 胡+ 寺缸2 + g a z 式中，u ，进、出系统的内能，j ； u l ，u 2 进、出系统的流速，m s ： z l ，z 2 进、出系统的高度，m ： 睨单位质量流体功耗，j k g ： q 热量，j ； 胡一焓变，j 。 进步简化的公式如下： a 流经压缩机 胴= 呒一q b 流经管道阀门 阿= q c 阀门节流 a - = 0 ( 2 ) ( 火用) 分析法【1 6 】 1 9 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第3 章往复式压缩机：爷能技术研究 图3 - 2 ( 火用) 分析法控制图 根据热力学第二定律知： e + 呒= e 2 + 岛+ e x d 贝l j ，e x d = 睨一e q a e 对于稳定流动的体系则有： e x d = 日一t o m 一+ 呒 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 制戮妻篙客 8 )= m c p c r 一瓦，一瓦h ( 号) + r 瓦( 专) ) 一等+ 睨 、。 式中，e ，e ：进出系统的( 火用) ，j 5 热量( 火用) ，j ； e 柚系统耗散( 火用) ，j ； 瓦环境温度，k ； 笛系统熵增，j k g k ； m 质量流量，k g h 。 同样简化公式如下： a 流经压缩机 e x d = 睨一e 一 一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章往复式压缩机节能技术研究 b 流经管道阀门 e d = 一g 蝤+ 岛) c 流经阀门节流 e 曲= 一缸 3 1 3 压缩气体流动过程的节能分析 流体流动过程【1 7 1 包括单纯的流体流经管道、流体的压缩与膨胀、节 流等。根据热力第一、第二定掣15 1 ，可以证明和外界无热、功交换，但 有压力降地流动过程，必定有功( 火用) 损失。即： d h = t d s + 彪p d h = 鲍一栅= 0 解得： y d s = 一二- 卯 z 或雠= f v d p 邮 式中，笛为物流的熵变。 对于和外界无热交换的稳流过程 1 5 】，物流的熵变即总熵变，也即过 程的熵产生，故流动过程的损耗功( 火用损失) 为： 睨= r o a s 旷r o a s = 瓦f 一等卯( 3 - 9 ) 式中，矿和丁分别是流体的体积和温度。 在流动过程终温度和比容均无太大变化，故上式简化为： 睨= 争矿( 舅一只) ( 3 一l o ) 从上式可以看出，要降低流动过程的功损耗，就应当尽量减少流动 过程的推动力，也就是减少压力降1 8 1 。当压力差恒定时，呒，与瓦成 正比关系。流体温度愈低，形愈大，因此对于压缩气体流动过程，尤其 要注意减少流动阻力【1 9 1 。 节流过程【2 0 1 是流体流动过程的特例，流动过程的损耗功也适用节流 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章往复式压缩 过程。流体节流时，压力大幅度下降，焓值不变，但流体 此节流过程是高度的不可逆过程，功损耗很大。 当节流前后的流体压力固定时，节流过程的功损耗与 温度有关【1 5 】。上公式可改写为： 睨= 瓦r 一等班尺f ；护一尺r oe ： z u l n p ( 3 - 式中，z 为压缩因子，它是流体温度和压力的函数。当压力一定时，z 仅 是温度的函数，温度越低，z 值越小。 3 2 往复式压缩机级间压力的选择及节能原理 总结文献合理选择多级往复式压缩机的级间压力【2 1 1 ，尤其是在生产 工况改变的情况下，能在最短的时间内平稳地调整到合适的数值，这对 于提高压缩机的性能，降低功耗具有十分重要的意义。 3 2 1 压缩机的工艺流程 图3 - 3 两级往复式压缩机流程图 2 1 】 以两级往复式压缩机为例，从图3 3 可知为了调节级间压力，确保 各级压缩比在允许范围之内，流程中设置了i 回i ，i i 回n 旁路调节阀， 随着i 回i ，i i 回i i 调节阀的开度不同，级间压力将发生变化。【2 1 】 压缩机的机械磨损所消耗的功也是一定的，其计算式为： n r = 砌巴1 0 0 0 ( 3 - 1 2 ) 式中，f 朝械磨损功耗，k w ； 中国石油大学( 华东) 硕七论文第3 章往复式压缩机节能技术研究 u 摩擦系数； c m 活塞平均速度，m s ： ，总作用力，n 。 i = 力j i z y ， 式中，d 气缸直径，m ； ，；各环对气缸的比压，n m 2 ； h 环厚度，i r l 。 压缩机对气体做功所消耗的功随级间压力变化而变化，其计算式为： 心：1 6 3 4 k p 。五。( ( p 。) 似) x 一1 ) + p a 2 v h ：沁：，) 伍一l v x 一1 渺僻一1 ) ( 3 1 3 ) 式中，r 对气体做功的功耗，l 【w ； p l ，p 2 ，p i 级入口、i i 级出口和级间压力； 1 ，2 i 、i i 级活塞的排容，m 3 m i n ； k 气体的绝热指数； 五，五i 、i i 级气缸的容积系数； 五= 1 一o t , ( ( p p 。) 机一1 ) 五= 1 一o t 2 ( ( p p ：) 帆一1 ) ，i 、i i 级气缸的容积系数； m 。，m ：i 、i i 级气体膨胀过程指数。 3 2 2 级间压力和返回流量、排气量之间的关系 将图3 3 的工艺流程简化成图3 4 。 im1 i 叫i 图3 4 两级往复压缩机简化流程口1 】 2 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章往复式压缩机节能技术研究 从图3 - 4 司知： i 级吸入量：q = g q ( 3 - 1 4 ) i i 级排出量：q = q 2 一q 2 ( 3 - 1 5 ) 式中，q 压缩机的排气量( 标准状态) ，m 3 m i n ； g ，q 2 i 回i ，i i 回i i 返回流量( 标准状态) ，m 3 m i n ； q l ，q 2 i ，i i 级活塞的有效排气量( 标准状态) ，m 3 m i n 。 q l = 蕾一o t 。( ( p p 。) 咖一l 脓，p 。 ( 3 1 6 ) q 2 ：喜一呸沁：肋) 慨一1 舰：p ( 3 - 1 7 ) 整理得： q 1 一q = q l q ( 3 1 8 ) 图3 - 5 不变工况下的级间压力与排气量之间的参数关系【2 u i 回i 返回流量q 1 ，i i 回i i 返回流量q 2 与级间压力p 之间的相 互关系，将它们之间的关系绘成图3 5 所示的曲线。 下面分三种情况对图3 5 中各线进行说明【z i j ： ( 1 ) q 1 = q 2 此时得到的级间压力p 称之为临界级间压力，即图3 5 中的p k 与其 排气量q 之间的关系为直线p j c o k ，当g = q 2 = 0 时，得到压缩机的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章往复式压缩机节能技术研究 排气量为纵，当q = 皱并逐渐增大时，排气量q 逐渐减少，即图中 的q k l ，觋，。 ( 2 ) q l a q 2 此时的级间压力p 与排气量、返回流量之间的关系为图3 - 5 中础 直线下部分的一组直线，当q ：= 0 时，得到直线q k b o ，此时q l 为图 中斜线部分，当q 逐渐增大时，a q 。也跟着增大，得到图中直线纵l 口l ， q x z b 2 ，蝴等直线。 ( 3 ) q o 7 5 ) ；而对于有自衡特性的高阶等容对象，用此法整定调节器参数， 系统响应的衰减率大多偏小( ；c ， 0 7 5 ) 。为此，上述求得的调节器参数， 需要针对具体系统在实际运行过程中作在线校正。 4 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第5 章自适应p i d 控制 ( 3 ) 衰减曲线法 与稳定边界法类似，不同的只是本法采用某衰减比( 通常为4 ：l 或 1 0 ：1 ) 时设定值扰动的衰减振荡试验数据，然后利用一些经验公式，求 取调节器相应的整定参数，对于4 ：l 衰减曲线法的具体步骤如下： a 置调节器积分时间互到最大值( z = ) ，微分时间乃为零( 乃= 0 ) ， 比例增益置较小值，使控制系统投入运行。 b 待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应，若系统 响应衰减太快则增大比例增益；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例 增益。如此反复，直到系统出现如图5 - 4 ( a ) 所示的4 ：1 衰减振荡过程， 记下此时的比例增益k ，和振荡周期数值。 表5 3 衰减曲线法整定计算公式 参数设定 衰减率沙控制器类型 k p 正 乃 p k 。 0 7 5 p i o 8 8 3 t 。0 5 t 。 p i d 1 2 5 e0 3 t 。0 1 疋 pk c 0 9p 1 0 8 8 3 r 02 z p 1 2 5 k 。 1 2 z 0 4 r r c 利用k 。和c 的值，按表5 - 3 给出的相应计算公式，求调节器各 整定参数k p 、i 、乃的数值。 学( 华东) 硕士论文第5 章自适应p i d 控制 图5 4 ( a ) 4 ：1 衰减响应曲线 图5 4 ( b ) 1 0 ：1 衰减响应曲线 对于衰减比为1 0 ：1 时，此时要以图5 - 4 ( b ) 中的上升时间为准， 按表5 3 给出的公式计算。 5 2 模糊控制 本节主要介绍模糊逻辑控制的基本理论和方法，作为其后新型控制 算法的提出和总体控制方案设计的理论基础。 5 2 1 模糊控制原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的 计算机智能控制【4 ，模糊控制的系统框图如图5 5 所示。模糊控制的核 心部分为模糊控制器，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实 现一步模糊控制算法的过程描述如下：微机经过中断采样获得被控制量 的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ，一般选误差信号e 作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号e 的精确量进行模糊化变成 模糊量。误差e 的模糊量可用响应的模糊语言表示，得到误差e 的模糊 语言集合的一个子集e ( e 是一个模糊矢量) ，在由e 和模糊控制规则尺( 模 糊算子) 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量“。 u = e r( 5 6 ) 5 2 2 模糊控制器 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣， 主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法，以 及模糊决策的方法等因素1 4 2 1 。 ( 1 ) 模糊控制器【4 3 】组成 1 ) 模糊化 4 7 ) 硕士论文第5 章自适应p i d 控制 这部分作用是将输入的精确量转换成模糊量。其中输入量包括外界 的参考输入，系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下： 首先对这些输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量。例 如，常见的情况是e = ，一y 和e c = d e d t ，其中r 表示参考输入，y 表示 系统输出，e 表示误差。有时为了减小噪声的影响，常常对e 进行滤波后 再使用，例如可取e = s 乃+ l k 。 将上述己经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自论域 范围。 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输 入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 图5 - 5 模糊控制系统的结构图 2 ) 知识库 知识库包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由 数据库和模糊控制规则两部分组成。 数据库主要包括各语言变量的隶属函数，尺度变换因子以及模糊 空间的分奇数等。 规则库主要包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们 反映了控制专家的经验和知识。 3 ) 模糊推理 摸糊推理是模糊控制器的核心【4 4 1 ，它具有模拟人的基于模糊概念的 推理能力，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行 的。 4 ) 清晰化 第5 章自适应p i d 控制 x = 止( ) ( 5 - 7 ) 其中是输入的清晰量，石是模糊集合，乒表示模糊化运算符 ( f u z z i f i e r ) 。 2 ) 句子连接运算 r = a l s o ( r l ，r 2 ，r ) ( 5 8 ) 其中r = 1 , 2 ，1 ) 是第1 条规则所表示的模糊蕴含关系。月是万个 模糊关系的组合，组合运算用符号a l s o 表示。可通过模糊逻辑运算得到。 3 ) 合成运算 z - - o a n d y ) r ( 5 9 ) 其中工和y 是输入模糊量，z 是输出模糊量，a n d 是句子连接运算符， “，是合成运算符。 4 ) 清晰化运算 以上推理过程得到的输出量z 仍是模糊量，而实际的控制必须为清 晰量，因此要进行如下的清晰化运算 气= d r ( z ) ( 5 1 0 ) 其中z 。为控制输出的清晰量，表示清晰化运算符( d e f u z z i f i e r ) 。 ( 3 ) 模糊化运算【4 3 】 模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合， 模糊化在处理不确定信息方面具有重要的作用。在进行模糊化运算之前， 首先需要对输入量进行尺度变换，使其变换到相应的论域范围，在模糊 控制中三角形模糊集合模糊化方法较为常用。 下面介绍三角形模糊集合，如果输入量数据存在随机测量噪声，这 时模糊化运算相当于将随机量变换为模糊量。对于这种情况，可以取模 4 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章自适应p i d 控制 糊量的隶属度函数为等腰三角形。三角形的顶点相应于该随机数的均值， 底边的长度等于2 t r ，仃表示该随机数据的标准差。隶属度函数取为三角 形主要是考虑其表示方便，计算简单。另一种常用的方法是取隶属度函 数为菱形函数，它也就是正态分布的函数。即 ( x - x o 。) 一2 i t _ ( 工) = e 2 矿 ( 5 1 1 ) ( 4 ) 数据库的建立 1 ) 输入量变换