CN102297120A - 一种空压机防喘振广义预测控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种空压机防喘振广义预测控制系统及方法涉及钢铁、化工行业空气压缩机控制系统的防喘振预测控制领域，该系统包括前向采集器、预测器和后向执行器，所述前向采集器监测管网入、出口压力及流量，以PCI总线方式与预测器相连；所述后向执行器控制放空阀，具有声光报警功能，以RS485方式与预测器相连；所述预测器采用空压机防喘振广义预测控制方法，结合键盘输入的生产负荷设定信息和前向采集器获得的现场运行数据，计算、显示和存储空压机运行参数，以RS485方式向后向执行器输出预测控制信息，实现空压机防喘振的预测控制。本发明的系统调节过程平和，控制精度和动态品质高，运行稳定可靠，可有效防止空压机喘振现象的发生。

Description

一种空压机防喘振广义预测控制系统及方法

技术领域

本发明涉及钢铁、化工行业空气压缩机控制系统的防喘振预测控制领域，尤其涉及一种空压机防喘振广义预测控制系统及方法。

背景技术

空气压缩机喘振现象的预测与防范是空气压缩机控制领域的研究热点。预测与防范喘振现象的发生最根本的问题就是如何建立实用、有效的空压机动态模型。目前该问题的研究方法多数集中于线性时不变过程，将现场采集到的管网排气量、压力、流量等数据表示为彼此独立的时间序列，实现线性时不变函数的平稳过程。然而，实际空压机运行过程具有一定程度的时变性和非线性，如采样分析数据本身存在一定的自相关，并不满足彼此统计独立，管网流量扰动改变，压力、流量、温度传感器和电机、导叶阀执行器的非线性等。因此，为真实反映喘振受机组本身因素、管网压力、温度、流量等因素影响的复杂过程，建立时变的数学模型是非常必要的。

由于这种利用改变励磁电流的调节方式，不可避免的会受到电网谐波扰动的影响，再加之气体在叶轮和扩压器的流道内流动，利用离心升压作用和降速扩压作用，气体压缩，压力提高，所携带的能量在压缩前后发生了变化，即比容、熵、焓均发生变化。依据能量守恒定律和伯努力方程，考虑管路压变阻力、环境温度、漏气等诸多实际因素，管网入口、出口压比与流量之间表现出明显的时变和非线性。如果对空压机变负荷运行简单地采用线性时不变控制方法进行调节，那么空压机易出现工作点从平稳工作区移入临界控制区或危险喘振区，引起空压机性能恶化，压力和效率显著降低，而且也会造成旋转轴承、叶片或转子等部件强烈的振动，甚至损坏。

发明内容

为了解决由生产负荷的调整、管网漏气、电网谐波扰动等因素所引起的空压机实际工作点移入临界控制区或危险喘振区的问题，本发明提供一种空压机防喘振广义预测控制系统及方法，该系统以流量变化率为依据，对空压机运行工作点是否进入喘振区域进行广义预测与控制。空压机防喘振广义预测控制方法基于对空压机防喘振控制过程中诸多参数之间相互关系的分析，建立空压机防喘振受控自回归积分滑动平均系统模型，可抑制不确定干扰和非线性因素对系统的不良影响，能有效防止喘振现象的发生。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种空压机防喘振广义预测控制系统，包括前向采集器、预测器和后向执行器，所述前向采集器监测管网入、出口压力及流量，以PCI总线方式与预测器相连；所述后向执行器控制放空阀，具有声光报警功能，以RS485方式与预测器相连；所述预测器采用空压机防喘振广义预测控制方法，结合键盘输入的生产负荷设定信息和前向采集器获得的现场运行数据，计算、显示和存储空压机运行参数，以RS485方式向后向执行器输出预测控制信息，实现空压机防喘振的预测控制。

上述预测器为系统核心，选用工业控制计算机，以PCI总线方式与前向采集器连接，以RS485方式与后向执行器连接，可接收由键盘输入的生产负荷设定信息，内嵌一种空压机防喘振广义预测控制方法，具有信息处理、显示、存储、生成报表、打印、输出控制信息等功能；

上述前向采集器为系统的前向通道，其包括流量传感器、压力传感器、RS485标准接口电路和采集卡；所述流量传感器与采集卡连接，其监测管网入、出口气体流量信息；所述压力传感器与采集卡连接，其监测管网入、出口气体压力信息；所述RS485标准接口电路将上述流量传感器和压力传感器的信息转换成标准的RS485电平，实现上述流量传感器和压力传感器与采集卡之间的信息传递；所述采集卡为数据采集卡，以PCI总线方式与预测器连接。

上述后向执行器为系统的后向通道，其包括控制器、声光报警器、4-20mA转换电路和放空阀；所述控制器以RS485方式与预测器连接，接收预测器发出的预测信息；所述声光报警器与控制器连接，根据控制器的指令进行声光报警；所述4-20mA转换电路与放空阀连接，其为放空阀提供4-20mA的工作电流；所述放空阀控制管网的气体流量。

基于上述空压机防喘振广义预测控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、预测器根据空压机系统的运行特性，建立空压机防喘振广义预测控制模型；

步骤二、预测器依据步骤一建立的空压机防喘振广义预测控制模型，根据前向采集器监测到的现场管网入口、出口的气体流量与压力数据，以空压机运行在稳定工作点为目标，以管网流量最小为原则，设计目标函数；

步骤三、预测器根据步骤二所设计的目标函数，计算相关矩阵，得出当前空压机运行工作点是否移入喘振区域的广义预测参数值，并判断空压机运行工作点是否出现在喘振区域内；若是，则转入步骤四；若否，则结束；

步骤四、后向执行器通过控制器发出低电平信号，启动声光报警器发出声光报警，并打开放空阀，待前向采集器监测到的气体流量变化率小于步骤三所述的广义预测参数值后，控制器发出高电平信号，解除报警，关闭放空阀，实现空压机防喘振的预测控制。

本发明的有益效果在于：克服了空压机变负荷运行所引起的机组气体引入、导出管路压力、流量、温度和各级间系统补偿大幅变化等因素，解决了气体压比与流速之间时变和非线性问题，实现空压机变负荷防喘振预测与控制。该系统调节过程平和，控制精度、动态品质有所提升，运行稳定可靠，可有效防止空压机喘振现象的发生。与现有的系统相比，在系统的稳定性、可靠性及预测与控制能力等方面，都有很大的改进。

附图说明

图1是本发明空压机防喘振广义预测控制系统的结构框图。

图2是本发明空压机防喘振广义预测控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明空压机防喘振广义预测控制系统包括预测器、前向采集器和后向执行器。以管路输出口压力为恒定，随生产物流的变化，依据管网流量最小为原则，预测空压机运行工作点所在区域，实现在变负荷的条件下，空压机安全稳定运行，避免喘振现象的发生。

预测器为系统核心，选用工业控制计算机，配有AMD PHENOM 8400CPU，2G内存，250G硬盘，PCI总线接口、RS485通讯接口，运行Windows操作系统，内嵌c编程语言编写的一种空压机防喘振广义预测控制方法。以PCI总线方式与前向采集器连接，以RS485方式与后向执行器连接，可接收由键盘输入的生产负荷设定信息，具有信息处理、显示、存储、生成报表、打印、输出控制信息等功能。

前向采集器为系统的前向通道，主要是由流量传感器、压力传感器、RS485标准接口电路及采集卡组成。流量传感器配有RS485标准接口电路，监测管网入、出口气体流量信息，以RS485标准电平传送给采集卡；压力传感器也配有RS485标准接口电路，监测管网入、出口气体压力信息，以RS485标准电平传送给采集卡；采集卡选用PCI1716数据采集卡，以PCI总线方式与预测器连接。

后向执行器为系统的后向通道，主要是由控制器、声光报警器、4-20mA转换电路和放空阀组成。控制器选用AT89C58单片机，配有RS485标准接口电路，以RS485总线方式与预测器连接；声光报警器选用工业报警灯和电铃，控制器发出低电平信号后，报警器报警，待控制器发出高电平信号后，报警解除；4-20mA转换电路由工业级DA转换芯片MAX7541、放大器LM358组成；放空阀选用连续电动调节阀，实现空压机防喘振预测和控制。

如图2所示，本发明空压机防喘振广义预测控制系统的控制方法主要分如下为三个步骤：

步骤一、建立空压机防喘振广义预测控制模型

假定压缩气体状态均匀，各点的压力、温度相同，比热、内能仅与气体温度有关，根据空压机系统现场运行特性，可建立动态方程：

$\frac{\mathrm{d\ϵ}}{\mathrm{dt}}=\frac{q-q_l}{S}\mathrm{\ϵ}+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_j{\mathrm{\ϵ}}_j+{\mathrm{\ω}}_l---\left(1\right)$

$\frac{d{\mathrm{\ϵ}}_j}{\mathrm{dt}}=\frac{q_l}{S}\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\μ}}_j{\mathrm{\ϵ}}_j,j=\mathrm{1,2},...4---\left(2\right)$

式中：ε为压比，

P_i为进气管网压力；P_o为排气管网压力；q为管网气体质量流量；q_l为管网气体泄露或衰减质量流量；S为气体压缩时间；μ_j为相应各级压比系数；ε_j为相应各级压比；j为各级压缩序号；ω_l为干扰。

式(1)两边对t求导，再代入式(2)，整理得：

$\frac{d{\mathrm{\ϵ}}^2}{d^{2}t}=-(\frac{q_l}{S}+\mathrm{\η})\frac{\mathrm{d\ϵ}}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{S}\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{\η\ϵ}}_0}{S}q+\mathrm{\ξ}---\left(3\right)$

式中：η为衰减常数的平均值；ε₀为空压机喘振临界压比；ξ为白噪声干扰。

将式(3)离散化得：

$\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+\frac{q_{l}T+\mathrm{S\ηT}-2S}{S}\mathrm{\ϵ}(k-1)+\frac{S-q_{l}T-\mathrm{\ηST}}{S}\mathrm{\ϵ}(k-2)=$ (4)

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}T+{\mathrm{\η\ϵ}}_0{T}^2}{S}q(k-1)-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}T}{S}q(k-2)+T^2\mathrm{\ξ}(k-1)$

式中：T为采样周期；k为T的整数倍时刻。

由式(4)可建立起受控自回归积分滑动平均模型：

A(z^-1)ε(k)＝B(z^-1)q(k-1)+C(z^-1)ξ(k)/Δ (5)

式中：z^-1为离散系统的后移算子；Δ为差分算子，Δ＝1-z^-1；A(z^-1)，B(z^-1)，C(z^-1)为z^-1的多项式；

A(z^-1)＝1+a₁z^-1+a₂z^-2

$a_1=\frac{q_{l}T+\mathrm{S\ηT}-2S}{S};$

$a_2=\frac{S-q_{l}T-\mathrm{\ηST}}{S};$

B(z^-1)＝b₀+b₁z^-1

$b_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}T+\mathrm{\η}{\mathrm{\ϵ}}_0{T}^2}{S};$

$b_1=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}T}{S};$

C(z^-1)＝c₁z^-1+c₂z^-2

c₁＝T²；

c₂＝-T²。

步骤二、设计目标函数

预测器根据键盘输入的生产负荷值，查询空压机运行性能表，确定空压机喘振临界压比ε₀；采样时间选取5分钟，由前向采集器的流量传感器、压力传感器测得当前管网入、出口气体流量和压力信息，依据步骤一中的计算公式，计算出当前空压机稳定运行状态参数ε、a₁、a₂、b₀、b₁、c₁、c₂。

以空压机运行在稳定工作点为目标，以管网流量最小为原则，设计目标函数：

$J(N_1,N_2)=\underset{k=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\ϵ}(k+j)-{\mathrm{\ϵ}}_0]}^2+\mathrm{\λ}\underset{k=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\mathrm{\Δq}(k+j-1)\right]}^2---\left(6\right)$

式中：N₁为压比预测时间长度；N₂为控制时间长度；λ为控制系数。

步骤三、喘振的预测与控制

依据步骤二的设计目标，当管网气体压比逼近空压机喘振临界值时，气体质量流速变化量达到最小为：

Δq(k)＝P(Z^-1)ε₀-α₁(Z^-1)ε(k)-α₂(Z^-1)ε(k-1)(7)

式中：

$P\left(Z^{-1}\right)=P_{N_1}+P_{N_1-1}{Z}^{-1}+...+P_1{Z}^{-N_1+1}$

${\mathrm{\α}}_1\left(Z^{-1}\right)=\underset{j=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{F}_j\left(Z^{-1}\right)$

${\mathrm{\α}}_2\left(Z^{-1}\right)=\underset{j=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j{H}_j\left(Z^{-1}\right)$

计算方程解的递推形式和相关矩阵为：

$F_j\left(Z^{-1}\right)={F_0}^j+F_1^j{Z}^{-1}+F_2^j{Z}^{-2}$

$H_j\left(Z^{-1}\right)={H_0}^j+H_1^j{Z}^{-1}$

${F_1}^{j+1}=F_2^j-(a_2-a_1)F_0^j$

${F_2}^{j+1}=a_2{F}_0^j$

${H_0}^{j+1}=H_1^j-\frac{b_1}{b_0}{H}_0^j-c_1{G}_j$

H₁ ^j+1＝-c₂G_j

G_j＝b₀

F₀ ¹＝c₁

F₁ ¹＝c₂

F₂ ¹＝0

H₀ ¹＝-b₀c₁

H₁ ¹＝-b₀c₂

由上述计算公式可得Δq(k)，Δq(k)为当前空压机运行工作点是否移入喘振区域的广义预测参数。若前向采集器流量传感器测得当前管网入、出口气体流量变化率大于Δq(k)，则可预测出空压机将要出现喘振现象，后向执行器的控制器发出低电平信号，启动声光报警器，并打开放空阀，待前向采集器监测到气体流量变化率小于Δq(k)后，控制器发出高电平信号，报警解除，关闭放空阀，实现空压机的防喘振预测和控制。

综上所述，本发明的空压机防喘振广义预测控制系统及方法，分析空压机防喘振控制过程中诸多参数之间的相互关系，建立空压机防喘振受控自回归积分滑动平均系统模型，提出一种空压机防喘振广义预测控制方法，实现空压机变负荷节能运行的可靠运行，避免喘振现象的发生，可应用于钢铁、化工企业空压机的控制系统。

Claims (5)

1.一种空压机防喘振广义预测控制系统，其特征在于，该系统包括：前向采集器、预测器和后向执行器，所述前向采集器监测管网入、出口压力及流量，以PCI总线方式与预测器相连；所述后向执行器控制放空阀，具有声光报警功能，以RS485方式与预测器相连；所述预测器采用空压机防喘振广义预测控制方法，结合键盘输入的生产负荷设定信息和前向采集器获得的现场运行数据，计算、显示和存储空压机运行参数，以RS485方式向后向执行器输出预测控制信息，实现空压机防喘振的预测控制。

2.如权利要求1所述的一种空压机防喘振广义预测控制系统，其特征在于，所述预测器为工业控制计算机。

3.如权利要求1所述的一种空压机防喘振广义预测控制系统，其特征在于，所述前向采集器包括流量传感器、压力传感器、RS485标准接口电路和采集卡；所述流量传感器与采集卡连接，其监测管网入、出口气体流量信息；所述压力传感器与采集卡连接，其监测管网入、出口气体压力信息；所述RS485标准接口电路将传感器信息转换成标准的RS485电平，实现传感器与采集卡之间的信息传递；所述采集卡为数据采集卡，以PCI总线方式与预测器连接。

4.如权利要求1所述的一种空压机防喘振广义预测控制系统，其特征在于，所述后向执行器包括控制器、声光报警器、4-20mA转换电路和放空阀；所述控制器以RS485方式与预测器连接，接收预测器发出的预测信息；所述声光报警器与控制器连接，根据控制器的指令进行声光报警；所述4-20mA转换电路与放空阀连接，其为放空阀提供4-20mA的工作电流；所述放空阀控制管网的气体流量。

5.基于权利要求1-4中任一项所述的空压机防喘振广义预测控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、预测器根据空压机系统的运行特性，建立空压机防喘振广义预测控制模型；

步骤二、预测器依据步骤一建立的空压机防喘振广义预测控制模型，根据前向采集器监测到的现场管网入口、出口的气体流量与压力数据，以空压机运行在稳定工作点为目标，以管网流量最小为原则，设计目标函数；

步骤三、预测器根据步骤二所设计的目标函数，计算相关矩阵，得出当前空压机运行工作点是否移入喘振区域的广义预测参数值，并判断空压机运行工作点是否出现在喘振区域内；若是，则转入步骤四；若否，则结束；

步骤四、后向执行器通过控制器发出低电平信号，启动声光报警器发出声光报警，并打开放空阀，待前向采集器监测到的气体流量变化率小于步骤三所述的广义预测参数值后，控制器发出高电平信号，解除报警，关闭放空阀，实现空压机防喘振的预测控制。

Images