快速壓排載系統(tǒng)空壓機組啟?？刂撇呗栽O(shè)計

尹石軍，林召凱，高海波，李孟春，武美君

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116； 2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

半潛式起重拆解平臺快速壓排載系統(tǒng)的空壓機組由4臺空壓機組成。在日常作業(yè)過程中，半潛式起重平臺需要長時間不間斷工作，而對于單臺空壓機而言，長時間不間歇工作可能會帶來負(fù)荷過重、溫度持續(xù)升高等問題，從而導(dǎo)致空壓機使用壽命縮短，也會對空壓機供氣系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。因此，開發(fā)一套智能控制系統(tǒng)用于控制空壓機的啟停，在保證作業(yè)安全的同時實現(xiàn)幾臺空壓機輪換工作，成為研究重點。

采用基于模糊控制理論的方法實現(xiàn)對快速壓排載系統(tǒng)空壓機組的智能啟停尋優(yōu)策略，通過不同的典型工況算例模擬驗證所設(shè)計的尋優(yōu)策略是否達(dá)到理想效果。

1 尋優(yōu)策略總體設(shè)計

在半潛式拆解平臺空壓機組中，空壓機的配置及控制可有兩種方案：方案一，配置4臺空壓機，分為2組，同時啟停且分別通過壓縮空氣管系連通主浮筒及輔浮筒；方案二，配置4臺空壓機，兩用兩備，采用階梯式控制空壓機的啟停，通過環(huán)形壓縮總管連通主浮筒和輔浮筒。以第二種方案為研究背景，為體現(xiàn)尋優(yōu)啟停策略的效應(yīng)，對方案二進(jìn)行以下修改：不對常用機進(jìn)行特定設(shè)置，僅要求處于啟動狀態(tài)的空壓機臺數(shù)在同一時刻不超過2臺。令運行著的空壓機數(shù)量S∈[0,2]；設(shè)定空壓機編號M∈{1,2,3,4}；設(shè)空壓機的累計運行時長為TR，那么每臺空壓機累計運行時長為TR1、TR2、TR3、TR4。設(shè)空壓機停止時間間隔時長為TST，那么每臺空壓機停止間隔時長為TST1、TST2、TST3、TST4。圖1所示為尋優(yōu)控制策略原理圖。尋優(yōu)控制策略主要由3部分組成，分別為空壓機運行臺數(shù)的確定、累計運行時長比較、模糊控制。

圖1 尋優(yōu)控制策略原理圖

由于空壓機組采用階梯式控制方式，確定空壓機臺數(shù)的輸入變量為RF、u、p。其中空壓機運行返回信號RF(表示當(dāng)前空壓機加/卸載情況)與壓載艙內(nèi)的壓力p有關(guān)，控制量u由壓力偏差變化率de/dt調(diào)節(jié)。根據(jù)空壓機運行返回信號RF、壓載艙內(nèi)的壓力p和控制量u計算空壓機運行臺數(shù)變化量ΔS。然后將ΔS作為輸入引入模糊推理模塊中，再根據(jù)空壓機運行累計時長TR、停止時長TST推導(dǎo)出空壓機運行時長排序T′R、停止時長排序T′ST，再將排序結(jié)果作為輸入引入模糊推理模塊中，推理出應(yīng)該啟動或停止的空壓機編號M。

2 空壓機運行規(guī)則

2.1 啟動數(shù)量

空壓機加載壓力分別為0.17 MPa、0.20 MPa，空壓機卸載壓力分別為0.20 MPa、0.26 MPa。當(dāng)u>0時，艙內(nèi)的空氣壓力是上升的，當(dāng)空氣壓力低于0.17 MPa時，2臺空壓機同時加載，輸出ΔS=2； 當(dāng)u>0，快排艙內(nèi)的空氣壓力大于0.20 MPa且低于0.26 MPa時，1臺空壓機卸載，輸出ΔS=-1； 當(dāng)u>0，快排艙內(nèi)的空氣壓力大于0.26 MPa時，2臺空壓機卸載，輸出ΔS=-2； 當(dāng)u<0，空氣壓力大于0.17 MPa且低于0.20 MPa時，1臺空壓機加載，輸出ΔS=1； 當(dāng)u<0，空氣壓力低于0.17 MPa時，2臺空壓機加載，輸出ΔS=2； 當(dāng)u=0時，艙內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值，空壓機需全部卸載，此時輸出ΔS=-2。

2.2 時長序列

由于每臺空壓機累計運行時長的排序都可能是第一或者最后，停止累計時長也一樣，因此設(shè)定空壓機組中的每臺空壓機累計運行時長序列為T′Ri∈{1,2,3,4}，而每臺空壓機累計停止時長序列為T′STi∈{1,2,3,4}。

2.3 運行規(guī)則

當(dāng)系統(tǒng)需要供氣時，選擇累計停止時長TSTi(i∈{1,2,3,4})中累計時間最長的2臺空壓機啟動；在整個系統(tǒng)運行期間，為保證每臺機器的工作時間平衡，需要對所有空壓機進(jìn)行輪換使用，輪換的時間間隔初步設(shè)定為12 h，當(dāng)臺數(shù)變化量ΔS=-1時，需要停止1臺空壓機的運行，選擇空壓機組累計運行時長TRi(i∈{1,2,3,4})中運行時長最長的1臺空壓機。這種設(shè)計能夠避免某臺機器因長時間不間斷工作而疲勞運行，縮短使用壽命?？紤]到對空壓機進(jìn)行輪換可能會影響管路壓力的波動，因此應(yīng)該在用氣需求小的時候進(jìn)行操作。在選擇需要啟動的空壓機時尋優(yōu)范圍將不包括已經(jīng)處于啟動狀態(tài)的空壓機，在選擇需要停止的空壓機時尋優(yōu)范圍將不包括已經(jīng)處于停止?fàn)顟B(tài)的空壓機。

3 模糊邏輯控制器設(shè)計

模糊邏輯控制器設(shè)計流程如圖2所示，按照此設(shè)計流程，結(jié)合所設(shè)計的空壓機智能尋優(yōu)策略，選取制定相對應(yīng)的模糊控制器[4]。

監(jiān)測對象為所有處于產(chǎn)茶階段的茶園種植區(qū)和茶農(nóng)散種區(qū)。茶園種植區(qū)定義為集中連片面積150畝以上的圖斑，茶農(nóng)散種區(qū)定義為集中連片面積1.5畝以上圖斑，圖斑勾繪邊界幾何精度為 1m。

圖2 模糊邏輯控制器設(shè)計流程

3.1 尋優(yōu)啟動模糊控制器設(shè)計

尋優(yōu)啟動控制是將空壓機累計停止時長序列T′STi∈{1,2,3,4}、運行臺數(shù)變化量ΔS∈{0,1,2}作為尋優(yōu)啟動的2個輸入變量，將需要啟動的空壓機編號M1i∈{1,2,3,4}作為輸出變量。

(1) 模糊化處理

2個輸入變量和1個輸出變量的基本論域為

(1)

在確定2個輸入變量和1個輸出變量的基本論域后，需要確定其模糊論域，設(shè)定其模糊論域為

(2)

基本論域與模糊論域之間的映射需要有系數(shù)將其連接起來，根據(jù)BESIKCI等[5]的方法，計算得出輸入變量ΔS和TSTi的量化因子、M1的比例因子分別為

(3)

(2) 確定模糊子集與隸屬度函數(shù)

對系統(tǒng)中的變量確定模糊子集，選擇3個模糊子集對ΔS進(jìn)行模糊表示，即ZO、PS、PB，選擇4個模糊子集對T′STi進(jìn)行表示，即SS、XX、MM、LL，選擇5個模糊子集對M1i進(jìn)行描述，即ZO、FI、SE、TH、FO分別為

(4)

通過上述設(shè)定，確定2個輸入變量和1個輸出變量的模糊子集的隸屬度函數(shù)均選用三角函數(shù)。

(3) 模糊控制規(guī)則和模糊推理

模糊控制規(guī)則制定得越詳細(xì)，控制后的輸出結(jié)果越精確。參考陳勇[6]的研究，根據(jù)快速排載系統(tǒng)的真實情況使尋優(yōu)啟動控制器按照表1規(guī)則進(jìn)行變化，并選取Mamdani算法作為模糊推理法，達(dá)到較好的控制效果。

3.2 尋優(yōu)停止模糊控制器設(shè)計

尋優(yōu)停止控制是將空壓機累計運行時長序列、運行臺數(shù)變化量作為尋優(yōu)停止的2個輸入變量，將即將停止運行的空壓機編號作為尋優(yōu)停止控制的輸出變量。

尋優(yōu)停止模糊控制器的設(shè)計過程與尋優(yōu)啟動基本一致，選用二維Mamdani模糊控制器，各個空壓機控制器的模糊子集在論域上的隸屬度函數(shù)選用三角函數(shù)。表2為尋優(yōu)停止輸入輸出變量參數(shù)。表3為尋優(yōu)停止模糊控制規(guī)則表。

表1 尋優(yōu)啟動模糊控制規(guī)則

表2 尋優(yōu)停止輸入輸出變量參數(shù)

表3 尋優(yōu)停止模糊控制規(guī)則

續(xù)表3 尋優(yōu)停止模糊控制規(guī)則

3.3 尋優(yōu)策略實現(xiàn)

根據(jù)模糊規(guī)則可以得到空壓機編號M對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R為

(5)

式中：RM1、RM2分別為尋優(yōu)啟動和尋優(yōu)停止的模糊關(guān)系矩陣；Uij(ΔS×T′STi)、Uij(ΔS×T′Ri)分別為模糊析取ΔS與T′SRi，ΔS與T′Ri的模糊關(guān)系輸入矩陣；UM1ij、UM2ij分別為模糊關(guān)系的輸出矩陣。在得到模糊關(guān)系矩陣后，模糊子集U為

(6)

式中：UM1、UM2分別為尋優(yōu)啟動和尋優(yōu)停止的模糊子集； ΔS(n)為激活第n條規(guī)則的ΔS輸入；TSTi(n)、TRi(n)分別為激活第n條規(guī)則的TSTi與TRi輸入。 模糊推理出來的值為模糊值采用加權(quán)平均法進(jìn)行清晰化的計算結(jié)果。在經(jīng)過清晰化處理后得到數(shù)值仍然屬于模糊論域，需要再乘以比例因子才能變換到基本論域[7]。根據(jù)表1和表2，得到模糊子集UM1(n)、UM2(n)，對于離散化的隸屬度函數(shù)可按照式(7)加權(quán)平均法進(jìn)行計算：

(7)

式中：μM1(n)、μM2(n)分別為第n條規(guī)則在尋優(yōu)啟動和尋優(yōu)停止輸出的輸出結(jié)果所占的權(quán)重。再對輸出的中位數(shù)UMi(U)清晰化得到輸出量M，即需要停止或者啟動的空壓機編號。

(8)

式中：KM1=KM2=0.67為比例因子。

4 尋優(yōu)策略驗證

綜合上述模糊規(guī)則，再對這些規(guī)則進(jìn)行整合，整合后的最終結(jié)果便是完整的尋優(yōu)控制策略。整個尋優(yōu)策略的輸入變量為u、RF、TR、TST和p，將上述變量作為基礎(chǔ)，設(shè)計3種模擬算例進(jìn)行測試驗證，并以算例一做詳細(xì)說明。

(1) 當(dāng)TST={6.7,3,10,5}、u=-0.1、RF=?、TR={9,12,6,10}、P=0.19 MPa時，由運行規(guī)則可知ΔS=1，即為了滿足供氣需求，此時應(yīng)當(dāng)運行一臺空壓機?？紤]到平衡空壓機運行時間的目的，應(yīng)當(dāng)啟動當(dāng)前累計停機時間較長的一臺，由TST1=MM、TST2=SS、TST3=LL、TST4=XX可知，3號空壓機累計停機時長最長。因此輸出啟動空壓機編號M1={3}，即啟動3號空壓機。

(2) 當(dāng)TST={1,0.3,3,2}、u=-0.1、RF=?、TR={3,5,2,2.5}、P=0.16 MPa時，由空壓機運行規(guī)則可知ΔS=2，此時沒有空壓機正在運行，由TST1=XX、TST2=SS、TST3=LL、TST4=MM可知，3號與4號空壓機累計停止時長相對1號與2號較長，因此模糊推理得到啟動空壓機編號M1={3,4}。

(3) 當(dāng)TST={0.3,2,1.1,1}、u=0.32、RF={1,4}、TR={7,5,5.8,6}、P=0.21 MPa時，由空壓機運行規(guī)則可知ΔS=-1，此時1號和4號空壓機正在運行，而根據(jù)TR1=LL、TR4=MM，1號空壓機比4號空壓機累計運行時長更長，因此輸出停止空壓機編號M2={1}。

由上述測試數(shù)據(jù)可知，改變輸入變量u、RF、TR、TST、P的值，再依據(jù)模糊規(guī)則得到控制信號，可以改變各個空壓機的運行狀態(tài)，且避免了單臺空壓機不間斷運行的問題，延長了整體空壓機組的壽命。

5 結(jié) 語

以快速排載系統(tǒng)的空壓機組為研究對象，提出一種基于模糊理論的空壓機啟?？刂茖?yōu)策略，為空壓機的啟停建立詳細(xì)的模糊規(guī)則，經(jīng)模擬算例驗證，該尋優(yōu)策略能夠達(dá)到平衡空壓機組運行時間的效果。