CN103713662B - 机场长距离管道加油压力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机场长距离管道加油压力控制方法，涉及机场飞机加油控制技术领域。该方法中机场管道加油压力控制装置设有压力估算模块和模糊控制模块。通过压力估算模块估算出末端加油口压力P，并根据预先设定的加油压力P0计算出压力误差E和误差的变化率EC；将压力误差E和误差的变化率EC输入至模糊控制模块，模糊控制模块中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd根据误差E和误差的变化率EC进行实时调整，从而对变频器进行控制。利用加油口末端压力预测技术和模糊参数自调整控制技术，实现加油压力稳定控制。优点：减小长距离、大流量飞机管道加油过程中压力波动，稳定加油流量。

Description

机场长距离管道加油压力控制方法
技术领域
本发明涉及机场管道加油控制技术领域，具体是一种机场长距离管道加油压力控制方法，应用于机场管道加油过程的压力和流量控制，减小长距离、大流量飞机管道加油过程中压力波动，稳定加油流量。
背景技术
目前机场管道加油控制器是以加油口压力为被控对象，通过调节泵的转速和多泵并联运行来适应加油流量的变化。但泵出口压力变化与泵转速变化在时间上不同步，加油口压力变化滞后于泵转速的变化，也即滞后于泵出口压力的变化，且随着机场规模增加、加油线距离延长，滞后时间进一步加大。这种时间滞后为控制器稳定加油口压力带来困难。所以目前的控制器在加油流量小时，加油压力偏大，加油流量大时，加油压力小；在加油过程中，流量变化大时，需要人工调节设定值。由此造成加油系统自动化程度低，加油效率不高。
分析造成这种情况的技术原因是控制方法不适应流量大、管道长造成的管道加油系统的非线性和时间延迟特性。为此我们提出利用智能控制方法和末端压力预测技术控制加油口压力，解决机场管道加油流量和压力控制范围小，加油控制中压力、流量不稳定的问题，适应长距离、大流量机场管道加油要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种机场长距离管道加油压力控制方法，解决机场长距离、大流量管道加油系统压力流量稳定性的问题。
本发明是以如下技术方案实现的：一种机场长距离管道加油压力控制方法，在压力流量控制器中设置有压力估算模块和模糊控制PID模块，具体控制步骤如下：
（1）由加油流量变化预测末端加油口压力P，通过压力估算模块估算出末端加油口压力P，根据设定的加油压力P0和末端加油口压力P计算加油压力的误差E和误差变化率EC；
（2）加油压力的控制由模糊控制PID算法实现，将压力误差E和误差的变化率EC输入至模糊控制PID模块，模糊控制PID模块中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd根据误差E和误差的变化率EC进行实时调整，从而对变频器进行控制,以调节泵的转速和控制泵的启停；
（3）在控制过程中：
a、当加油飞机数量发生变化时，加油口压力变化大，此时E和EC较大，控制系统主要是减小误差，此时缩小比例系数KP和积分系数Ki，同时增大微分系数Kd，以加大控制量输出，加快动态过程；
b、当加油飞机数量不变时，加油口压力变化小，E和EC较小，系统接近于稳定值，此时提高E和EC的分辨率，增大比例系数Kp和积分系数Ki，这样可以缩小模糊控制器的死区，同时减小微分系数Kd，使控制量的阶跃变化小，以减小加油口压力稳态误差；
压力估算模块和模糊控制PID模块通过程序实现。
其进一步是：当流量增加超过15%或减小超过10%时，末端加油口压力P取值等于末端压力预测器的输出值；其他情况，末端加油口压力P为压力传感器测量值。
末端压力预测器估算末端加油口压力P的方法如下：利用流量计检测泵出口流量值，通过人工神经网络网络方法估计管路损失压力ΔP，管路损失压力ΔP包括沿程损失ΔPpl和局部阻力损失ΔPll，末端加油口压力P等于泵出口压力Pb减去加油管路压力损失ΔP。
本发明的有益效果是：减小长距离、大流量飞机管道加油过程中压力波动，稳定加油流量。
附图说明
下面结合附图及实例对本发明作进一步说明。
图1是机场长距离管道加油压力控制系统组成图；
图2是机场管道加油压力控制装置组成图；
图3压力控制程序流程图；
图4机场管道加油系统末端压力预测BP算法图；
图5机场管道加油压力模糊控制的原理图。
图中：1、压力流量控制装置，2、使用罐，3、电机，4、变频器，5、油泵，6、压力表，7、流量计，8、主管道，9、电磁阀，10、环形管道，11、工业控制计算机，12、压力传感器。
具体实施方式
如图1所示，在机场管道加油系统中，其管路系统有使用罐2，并联的油泵（图中为两个，本发明可控制的油泵可达4个）5，电机3，变频器4和电磁阀9组成；本发明所述及的压力流量控制装置1将通过电气连接变频器4，流量计7，电磁阀9，压力传感器12和工业控制计算机11。压力表6检测油泵5的出口压力并接入压力流量控制装置1。压力传感器12和流量计7安装在主管道8上，以检测主管路压力和流量。电磁阀9安装于并联泵的出口和入口短路管道上。并联泵出口主管道8通过环形管道10与加油支管相连。
压力流量控制器1通过modbus协议或4-20mA模拟信号与变频器4的频率给定端相连，以4-20mA模拟信号与压力表和流量计相连，并通过以太网口与工业控制计算机11连接,通过继电器输出，控制电磁阀开关。
如图2所示为本发明所述及的“压力流量控制装置”构成图，压力流量控制装置由PC104总线的SCM-7020嵌入式计算机扩展而成，可控制加油总管流量达750M3/h，加油主管距离不大于3kM，加油口数不限，并联加油泵数不超过8台，可适应不同管路组成和不同型号变频器。
压力流量控制装置的CPU模块为SCM-7020，是一款“all-in-one”CPU模块，与64位X86微处理器兼容，具有128M内存。扩展VT2T11作为显示输出，利用Adt600模块和信号转换及光电隔离电路提供8路开关量输入、4路开关量输出和8路模拟量输入（4～20mA电流）,可接入压力、流量传感器和报警及电磁阀输出。报警和联动模块实现压力超限报警并打开电磁阀泄放管路压力。
本发明的压力流量控制装置基于PC104系统，运行环境为PC104BISO和DOS6.22。开发工具为C语言和汇编语言，并自建汉字库。其“模糊控制”和“末端压力预测”模块通过C语言和汇编语言编程实现。
如图3所示，机场长距离管道加油压力控制方法是在压力流量控制装置中设置有压力估算模块和模糊控制模块，具体控制方法如下：
（1）由加油流量变化预测末端加油口压力P，通过压力估算模块估算出末端加油口压力P，根据设定的加油压力P0和末端加油口压力P计算加油压力的误差E和误差变化率EC；
（2）加油压力的控制由模糊控制PID算法实现，将压力误差E和误差的变化率EC输入至模糊控制PID模块，模糊控制PID模块中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd根据误差E和误差的变化率EC进行实时调整，从而对变频器进行控制,
（3）在控制过程中：
a、当加油飞机数量发生变化时，加油口压力变化大，此时E和EC较大，控制系统主要是减小误差，此时缩小比例系数KP和积分系数Ki，同时增大微分系数Kd，以加大控制量输出，加快动态过程；
b、当加油飞机数量不变时，加油口压力变化小，E和EC较小，系统接近于稳定值，此时提高E和EC的分辨率，增大比例系数Kp和积分系数Ki，这样可以缩小模糊控制器的死区，同时减小微分系数Kd，使控制量的阶跃变化小，以减小加油口压力稳态误差；
压力估算模块和模糊控制PID模块通过程序实现。
如图4所示，加油口压力（P）等于泵出口压力(Pb)减去加油管路压力损失（ΔP），如式（1）所示。
（1）
在机场加油过程中，加油主管流量基本处于紊流状态，而压力损失在紊流阶段与加油流量成复杂的非线性关系，这也是造成加油压力控制困难的原因之一。另外，加油口压力（Po）与泵出口压力(Pb)之间有一个延迟，延迟时间为压力波的传递时间，其值取决于管道长度和加油压力，这是造成压力不稳定的另一个原因。
本发明利用模糊控制方法适应控制对象的非线性特性，以此解决上述造成压力波动的第一个原因；采取末端压力预测技术，即根据主管流量（q）和管路组成，预测末端压力变化，减少控制过程调整时间，以解决上述造成压力波动的第二个原因。
末端压力预测是利用流量计检测泵出口流量值，再根据管道阻力损失与流量的关系，估计管路损失压力，从而预计某一加油流量下的末端压力。管道阻力损失包括沿程损失ΔPpl和局部阻力损失ΔPll，如式（2）所示。
（2）
其中ΔPpl和ΔPll与管路参数和加油流量（q）有关，当管道参数不变时，管路阻力损失仅取决于流量，但他们之间是一复杂的函数关系，计算困难。本发明采取以下方法估计一定加油流量下管道阻力损失，进而确定加油管道末端压力。
（1）在试验条件下取得一组加油流量与末端压力数据。若主管最大加油流量为qmax，则试验获取（1.0，0.95，0.90，0.85，0.80，0.75，0.70，0.65，0.60，0.50，0.40，0.30，0.20，0.10）倍Qmax流量下的末端压力数据。
（2）设计一BP人工神经网络模拟特定加油管路ΔP与流量q之间的非线性函数关系。BP人工神经网络模型如图4所示，其中隐含层设计5个神经元，各单元活化函数如下式所示。
（3）
（3）利用训练数据训练BP网络，确定特定加油管路末端压力预测BP网络的权值。BP网络的训练采用带动量修正的BP算法，其权值wij和阈值θj的计算如下式所示，取α=0.1，β=0.01。
（4）
（4）在加油压力控制过程中，利用训练取得的参数和BP算法，根据泵的出口流量估计加油管道末端压力，其计算公式如下式所示。
(5)
如图5所示，控制器的控制参数由“控制参数模糊推理”模块产生。在机场管道加油控制系统中，加油口压力变化有滞后，因此根据压力变化的情况和流量的大小，要选取不同的控制输出，根据流量和压力损失的关系，改变调整量的大小。因此模糊推理模块为一个三输出的模糊控制器，根据压力变化率、压力大小，并参考预测值，实时调整控制参数KP、Ki和Kd。模糊控制器的输入为压力的误差E和误差的变化率EC。控制器的设计过程如下：
（1）模糊化
飞机加油接口测压点处正常工作压力为0.345MPa，最大稳态压力不大于0.379MPa，在0.5S内切断油流情况下，加油系统的冲击压力不大于0.827MPa。根据操作实际情况，计算从泵的出口到加油口水头损失，压差e的变化范围-0.482～0.345MP之间；ec的变化范围取为-50～+50；根据以上条件进行模糊化后，得相应的变量赋值表如表1至4所示。
表1误差E的变量赋值表
E -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
PB 0.5 1.0
PM 0.3 0.7 1.0 0.5
PS 0.5 1.0 0.5
Z0 0.5 1.0 0.5
NS 0.5 1.0 0.5
NM 0.5 1.0 0.7 0.3
NB 1.0 0.5
表2误差EC的变量赋值表
EC -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
PM 0.5 1.0
PS 0.3 0.7 1.0 4 -->
Z0 0.3 0.7 1.0 0.7 0.3
NS 1.0 0.7 0.3
NM 1.0 0.5
表3误差Kp、Ki的变量赋值表
Kp/Ki -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
PB 0.5 1.0
PM 0.5 1.0 0.5
PS 0.5 1.0 0.5
Z0 0.5 1.0 0.5
NS 0.5 1.0 0.5
NM 0.5 1.0 0.5
NB 1.0 0.5
表4误差Kd的变量赋值表
Kd 0 1 2 3 4 5 6
PB 0.5 1.0
PM 0.5 1.0 0.5
PS 0.5 1.0 0.5
Z0 1.0 0.5
（2）模糊参数整定器设计
KP、Ki和Kd控制规则的制定如下：
1）当加油飞机数量发生变化时，加油口压力变化大，此时E和EC较大，控制系统主要是减小误差，加快动态过程，而E和EC的分辨率不是主要矛盾，所以应加大控制量输出，可缩小KP和Ki，同时增大Kd；
2）当加油飞机数量不变时，加油口压力变化小，E和EC较小，系统接近于稳定值，此时提高E和EC的分辨率，增大KP和Ki，这样缩小模糊控制器的死区，同时减小Kd，使控制量的阶跃变化小，稳态误差减小。
根据以上原则，设计规则表如表5至表7所示。
表5Kp控制规则表
表6Ki控制规则表
表7Kd控制规则表
根据manodani推理规则，即Kp、Ki、Kd的输出模糊集合可分别由式（6）、（7）和（8）求得。
（6）
（7）
（8）
（3）去模糊化判决
本专利采用系数加权平均法进行去模糊化判决，为简化计算，在建立模糊控制查询表时，进行了取整运算。得模糊控制规则表如表8至表10所示。
表8Kp模糊控制规则查询表
表9Ki模糊控制规则查询表
表10Kd模糊控制规则查询表
（4）PID控制
PID控制计算公式如下式所示。
式中f为变频器频率。
（5）压力估计
当流量增加超过15%或减小超过10%时，末端加油口压力P取值等于末端压力预测器的输出值；其他情况，末端加油口压力P为压力传感器测量值。
末端压力预测器估算末端加油口压力P的方法如下：利用流量计检测泵出口流量值，通过人工神经网络网络方法估计管路损失压力ΔP，管路损失压力ΔP包括沿程损失ΔPpl和局部阻力损失ΔPll，末端加油口压力P等于泵出口压力Pb减去加油管路压力损失ΔP。
本发明采用“智能控制”和“末端压力预测技术”，以多泵并联调速方式实现压力与流量调节。和现有的技术相比本发明具有如下特点：
（1）可以在泵的设计流量范围内，使加油口加油压力稳定误差小于±10%，最大超调量不大于0.4Mpa,管道冲击压力小于0.75Mpa，优于目前控制方式。
（2）单个加油口打开或关闭时，压力控制响应时间不大于0.5S,调整时间不大于3S，同目前控制系统相比大为减小。
（3）系统适应不同管道长度、直径和管道布局，系统适应不同型号变频器和离心泵。

Claims (2)

1.一种机场长距离管道加油压力控制方法，其特征在于：在压力流量控制器中设置有压力估算模块和模糊控制PID模块，具体控制步骤如下：
（1）由加油流量变化预测末端加油口压力P，通过压力估算模块估算出末端加油口压力P，根据设定的加油压力P0和末端加油口压力P计算加油压力的误差E和误差变化率EC；
（2）加油压力的控制由模糊控制PID算法实现，将压力误差E和误差的变化率EC输入至模糊控制PID模块，模糊控制PID模块中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd根据误差E和误差的变化率EC进行实时调整，从而对变频器进行控制,以调节泵的转速和控制泵的启停；
（3）在控制过程中：
a、当加油飞机数量发生变化时，加油口压力变化大，此时E和EC较大，控制系统主要是减小误差，此时缩小比例系数KP和积分系数Ki，同时增大微分系数Kd，以加大控制量输出，加快动态过程；
b、当加油飞机数量不变时，加油口压力变化小，E和EC较小，系统接近于稳定值，此时提高E和EC的分辨率，增大比例系数Kp和积分系数Ki，这样可以缩小模糊控制器的死区，同时减小微分系数Kd，使控制量的阶跃变化小，以减小加油口压力稳态误差；
压力估算模块和模糊控制PID模块通过程序实现；
当流量增加超过15%或减小超过10%时，末端加油口压力P取值等于末端压力预测器的输出值，所述末端压力预测器用于估算末端加油口压力P；其他情况，末端加油口压力P为压力传感器测量值。
2.根据权利要求1所述的机场长距离管道加油压力控制方法，其特征在于：末端压力预测器估算末端加油口压力P的方法如下：利用流量计检测泵出口流量值，通过人工神经网络方法估计管路损失压力Δp，管路损失压力Δp包括沿程损失Δppl和局部阻力损失Δpll，末端加油口压力P等于泵出口压力Pb减去加油管路压力损失Δp。
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