基于模糊自適應(yīng)PID的空氣壓縮機(jī)節(jié)能控制設(shè)計

陳洪軍

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，吉林 吉林 132002）

1 空氣壓縮機(jī)

（1）離心式壓縮機(jī)。離心壓縮機(jī)主要性能參數(shù)為壓力比、效率及流量。運行中壓縮機(jī)的運行工況常常發(fā)生變化，為了反映不同工況下壓縮機(jī)的性能，通常把在一定進(jìn)氣狀態(tài)下對應(yīng)各種轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量與壓縮機(jī)排氣壓力（或壓比）、功率及效率的關(guān)系用曲線形式表示出來。

（2）變工況調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)在穩(wěn)定工況下運行，取決于壓縮機(jī)本身的性能、管網(wǎng)的特性、取決于驅(qū)動機(jī)和機(jī)械傳動系統(tǒng)的性能。任何一個變負(fù)荷工況的關(guān)鍵是確定負(fù)荷變化時的加工空氣量以及其他工藝參數(shù)，首先要根據(jù)氧氣負(fù)荷確定分離空氣量，然后由分離空氣量確定出氮氣量和氬氣量。液體產(chǎn)量按工藝要求而定，根據(jù)產(chǎn)品量和分離空氣量，由冷量平衡式，初步確定膨脹空氣量，再進(jìn)一步確定膨脹空氣旁通量和加工空氣量的初值。由加工空氣量的初值，可以進(jìn)一步計算膨脹空氣量，最終確定加工空氣量，根據(jù)加工空氣量與空壓機(jī)排氣壓力的關(guān)系，就可以確定出空壓機(jī)的排氣壓力，為性能控制器提供壓力輸入。

（3）空壓機(jī)的調(diào)節(jié)方式。離心壓縮機(jī)是與其它裝置聯(lián)合工作的。當(dāng)裝置的阻力系數(shù)在生產(chǎn)運行過程中很穩(wěn)定時，壓縮機(jī)則穩(wěn)定在某一工況點工作。但是，在生產(chǎn)運行過程中，裝置的阻力或者流量要求經(jīng)常變化。為了適應(yīng)管網(wǎng)特性曲線變化時，保證裝置對壓力（或者流量）特定值的要求，就需要改變壓縮機(jī)的性能，使其在新的工況點工作。通常采用的調(diào)節(jié)方法可以分為3類：節(jié)流調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和變壓縮機(jī)元件調(diào)節(jié)。

2 模糊控制系統(tǒng)及PID控制器的設(shè)計

模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯運算與模糊規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)；采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成一種具有反饋通道呈閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)是人工智能算法與現(xiàn)代先進(jìn)控制理論與技術(shù)相結(jié)合的一種模糊集成控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)是由模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和測量與反饋裝置等五部分組成。

模糊控制輸入量的偏差e和偏差的變化率ec，通過模糊化的處理，得到各自的模糊語言變量E和EC。

模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計包括以下內(nèi)容：①確定模糊控制器的輸入、輸出變量；②設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；③確立模糊化和非模糊化的方法；④選擇模糊控制器的輸入、輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)；⑤編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；⑥合理選擇模糊控制算法的采樣時間。模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對 Kp、Ki、Kd，模糊控制規(guī)則表建立好后，可根據(jù)如下方法進(jìn)行Kp、Ki、Kd的自適應(yīng)校正。

編制m文件，在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真。控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。

模糊變量采用正態(tài)分布的隸屬度函數(shù)，此類隸屬函數(shù)雖然符合人的思維特點，但存在著計算麻煩的缺點，在實際應(yīng)用中不易于編程。正態(tài)分布曲線可用梯形或三角形來近似。使用梯形的隸屬函數(shù)的曲線可保證足夠的精度，其靈活性也比較大，它包括了三角形等各種形狀，并且可大大減少模糊化時的計算工作量，方便程序設(shè)計。接下來，采用三角形隸屬度函數(shù)，來驗證這種近似的可行性。

3 仿真實驗

本文以某空分空壓機(jī)設(shè)計流量為40000m3/h，壓力0.63MPa，在此工況下壓縮機(jī)運行最優(yōu)，效率最高，產(chǎn)量大大增加。由于采用開環(huán)控制，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實際運轉(zhuǎn)流量為38330m3/h，壓力0.47MPa，實際運轉(zhuǎn)參數(shù)與設(shè)計值偏離很大，這樣就會產(chǎn)生過大的沖擊損失，浪費大量電能。而采用Fuzzy-PID控制后，不僅能使壓縮機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)計工況點，而且抗干擾能力強(qiáng)，如果將本文成果用于實際，可節(jié)約電能。仿真結(jié)果對比如圖1所示。

圖1 仿真結(jié)果對比圖

4 結(jié)論

建立了空氣壓縮機(jī)恒壓控制系統(tǒng)分別采用傳統(tǒng)的PID控制和Fuzzy-PID控制，對系統(tǒng)進(jìn)行了性能控制器仿真研究。仿真結(jié)果顯示，相對于傳統(tǒng)的PID控制，F(xiàn)uzzy-PID控制的各項參數(shù)都優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制，能夠更好地將壓縮機(jī)工作點穩(wěn)定在設(shè)計工作點，有利于整個壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能降耗，對節(jié)能減排具有非常重大的意義。

［1］何林海，王月華.高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用研究［J］.新疆石油科技，2000，10（1）.

［2］王麗春，樊會元.離心壓縮機(jī)性能預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［J］.華東冶金學(xué)院學(xué)報，2000，4（2）.