离心式压缩机防喘振模糊PID控制系统研究

1、工业技术科技创新导报离心式压缩机防喘振模糊控制系统研究庞天照(海军驻葫芦岛431厂军事代表室 辽宁葫芦岛 125004摘 要:研究探讨了离心式压缩机防喘振控制的方法与原理, 确定了可变极限流量的被动控制方法; 利用模糊控制与传统PID 控制相结合的控制方法, 设计了离心式压缩机的防喘振控制系统; 在Simulink 仿真平台中对控制系统进行仿真, 结果表明该模糊PID 控制系统的设计方案是可行的。关键词:离心式压缩机 模糊PID 防喘振 可变极限流量中图分类号:TH45文献标识码:A文章编号:1674-098X(201105(a-0051-02离心压缩机由法国教授奥古斯都雷克于19世纪发明。这

2、种压缩机可靠性高、适用性强, 几乎适用于任何气体的压缩。但是和其它种类型的压缩机一样, 其存在喘振现象。喘振是压缩机系统一种不稳定的工作状态, 通常发生在压缩机进口流量过小引起内部流道中出现严重的旋转脱离, 流动严重恶化, 使压缩机出口压力突然严重下降。由于这时候与压缩机相连的管网中的气体压力并不马上减小, 严重时管网中的气体压力就反大于压缩机出口压力, 并造成管网中的气体倒流向压缩机, 直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止, 此时倒流停止, 压缩机开始正常向管网供气, 其流量增大, 恢复正常工作。但是当管网中的压力也恢复到原来的压力时, 压缩机的流量减小, 系统中气体又产生倒流。如此

3、周而复始的变化使整个系统中的气流产生周期性的振荡。过去的几十年以来, 喘振的控制技术已经有了更广、更深的发展。评判一种控制技术是否优越, 主要从其控制技术性能、适用性、以及在新系统的移植性方面来考虑。通常防喘振控制分为主动控制和被动控制, 前者直接着眼于失稳现象本身, 抑制诱发喘振的气流不稳定过程来改善整个压缩机系统的性能, 阻止喘振发生; 而后者则通过防喘振控制, 使压缩机运行点在管网流量减少到少于喘振流量限下仍不穿过喘振线, 维持在稳定运行区, 避免喘振的发生, 这种控制策略相对简单, 易于实现13。本论文设计了一种基于模糊PID 控制的可变极限流量被动控制方法。PID 控制作为一种经典的

4、控制策略, 已经在各行各业广泛应用。而模糊逻辑控制设计简单、性能优异, 两者的结合使得PID 参数更加精确,控制器性能更加优越。1 防喘振原理防喘振控制的目的就是要保证压缩机工况点始终运行在防喘振线以下的安全区域。从喘振的形成过程可以看出, 在一定的排气压力下, 防止压缩机流量过小就能避免喘振发生。所以在实际工程应用中, 采用降低排气压力(放空 来增大压缩机流量, 消除喘振4。根据这一要求防喘振阀通常选为气关阀, 并且要求快开慢关。防喘振控制就是利用这一原理来设置防喘振线, 防止喘振的发生。沿离心式压缩机在不同转速下的特性曲线的最高轨迹近似做一条抛物线, 这条曲线即是喘振线, 如图1所示。为了

5、安全期间, 实际中将喘振线纵坐标参数下移3%作为喘振裕度, 即放空线, 工况点在放空线以下, 放空阀关闭, 如果工况点在放空线以上, 放空阀全开来防止喘振的发生。实测喘振线纵坐标参数下移8%得到该压缩机的防喘振控制线, 当出口压力到达控制线时, 控制系统自动调节防喘振阀放风, 降低出口压力防止喘振发生56。如图1所示, 压缩机防喘振安全工作线为一条抛物线, 方程式如下:2P 2P 1=a +bQ 1 (1a,b 均为设备常数, 由制造厂提供。假设压缩机入口气体温度1较稳定, 若将横坐标取为Q 12/1, 则抛物线型防喘振安全工作线变为一条斜率为 K 的直线。因此, 由式(1可得2P 2P 1=

6、a +K Q 11 (2又因为标准节流装置流式中, K =b 1。图1 离心式压缩机特性曲线 量测量经验 公式为绝对压力; 为流量系数。所以, 把式(3代入式(2可得2P 2P 1=a +K h 111 (4Q 1= (3 式中, 1; h 1流量测量差压; 1为吸入侧绝对温度; P 1为吸入侧由式(4可得h 1=M (P 2aP 1 (5其中M =K 2(1。防喘振约束条件为:h 1M (P 2aP 1 (62 控制系统设计图 2 压缩机控制系统示意图2. 1压缩机控制系统分析压缩机控制系统示意图如图2所示。科技创新导报科技创新导报压缩机转速发生变化后, 入口压力P 1低流量, 达到防喘振的

7、目的7。与出口压力P 2发生变化, 两者加权相加后, 2.2模糊PID 控制系统设计再乘 M 得到在新转速下的控制器设定值模糊PID 控制以偏差e 及其变化率ec M (P 2aP 。当入口流量较大, h 作为输入, 根据不同时刻的e 和ec , 采用相M (P 11大于设定值2aP 1 时, 调节器FC 正作用输出应的模糊控制规则在线对PID 参数进行调最大, 调节阀FV 为气关阀, 处于关闭状态; 整, 其结构如图3所示。而当入口流量下降时, 调节器FC 输出最小, 模糊PID 控制器的核心思想是找出PID调节阀FV 逐渐打开。从而又增加了入口流的三个参数(P、I 、D 与两输入量(e 、

8、ec 的模量, 保持了入口流量不低于引起喘振的最糊逻辑规则。由于模糊控制主要是依赖人图3 模糊PID 控制器结构方框图表1 K P 控制规则表表 2 K I 控制规则表 表 3 K D 控制规则表科技创新导报工业技术的控制经验, 所以本文中模糊规则的确定主要是由人的控制经验, 并结合现场实际控制情况对其进行相应的校正, 得到的控制规则能够很好的应用于PID 三个参数的整定, 最终使系统的控制性能达到最佳。PID 三个参数相互作用主要表现为:比例作用强, 可以加快调节, 减少误差, 但系统稳定性下降; 积分作用强, 可以消除系统的稳态误差, 但会使系统动态性能变差, 动态响应变慢; 微分作用强,

9、 系统稳定性好, 超调小, 但系统抗干扰能力下降。所以在考虑控制规则时要充分考虑三个参数之间相互作用的情况, 这样得到的控制规则才可能是最佳的。根据作者现场控制经验及查阅相关技术资料, 可知三个参数之间的相互作用规律:在动态振荡曲线中, 第一段上升曲线, K P 应先小后大, K 应先大后小再变I 应先大后小。第一个超调部分, K P 大, K K I 应先小后大再变小。第一个衰减部分:P 应先大后小并趋向于稳定, K I 应先小后大并趋向于稳定。模糊PID 控制器的输入输出变量的模糊子集分别为:e ec 、u 、K P 、K I 、K D , 采用5个语言变量和三角形隶属函数(除N 为Z 函

10、数,P 为函数外 。根据经验以及现场调试, 得到K P 、K I 、K D 的控制规则表, 分别如表13所示。模糊推理采用Mamdani 推理算法, 其采用极小运算规则定义模糊蕴含表达的模糊关系, 例如规则:R:if x 为A then y 为B 。而去模糊化则选用重心法(centroid。3 仿真结果在Matlab 模糊工具箱中设置好模糊控制规则, 及相应的隶属度函数。并注意把该控制规则导出到Workspace 中, 以方便模糊控制器对其的调用。输入为一个阶跃信号, 结果输出到W o r k s p a c e 中, 并用P l o t 函数画出。从中可以看出, 控制系统响应较快, 并能快速的达到状态, 但是超调量仍然有些大, 有待改进。从总体上来说, 所设计的模糊P I D 控制器基本满足设计要求。在压缩机转速发生改变时, 能够快速控制入口流量到达相应安全工作点, 防止喘振的发生。4 结语本文结合离心式压缩机喘振的特点, 利用模糊控制和PID 控制相结合的方法实现了对离心式压缩机的可变极