CN113741174A - 往复式天然气压缩机自适应压力控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，气举压缩机在工作时，对于其排气压力采用PID控制算法加上逻辑判断即可实现天然气的集输与增压；压缩机前往不同井场工作时，不同的工况特性有差别，针对每一个口井作业时，都需整定一套与之匹配的PID控制器参数，仅需在常规的PID控制器参数基础上，加入能够自动根据井场工况特性的变化来调整PID控制器的参数，使其始终处于最优状态的智能控算法，利用模糊控制技术实现PID控制器的参数在线自校正，提升了控制器性能，实现压缩机的压力精确的自动调节。

Description

往复式天然气压缩机自适应压力控制算法

技术领域

本发明涉及天然气压缩机压力控制的领域，具体涉及往复式天然气压缩机自适应压力控制算法。

背景技术

目前国内大多数的天然气压缩机主要应用于天然气的集输与增压，这些场合的工况稳定，工艺需求较简单。对于压缩机的控制一般是基本的顺序逻辑控制(图1)。

天然气压缩机用于气举排水作业时，根据不同的井场实际情况，压缩机进气气源的选择是变化多样的，包括：临近井产气、外输管道气、自产气等等。石油天然气行业标准《气举排水采气工艺作法》要求的注气压力(亦即压缩机排气压力)，在作业的不同阶段要保持不同的上升或下降趋势(图2)。

因此，气举作业工况复杂、波动范围大，在这种情况下要保证注气压力按图2的要求运行，就必须对压缩机的排量进行精确的自动调节。

发明内容

本发明的主要目的在于提供往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，解决压缩机的排量无法进行精确自动调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：所述算法包括自整定模式与调节模式，初次运行时，通过自整定模式的参数自整定模块得到PID控制器参数的初始值，然后切换调节模式，PID控制器发挥作用，同时通过调节模式的模糊控制模块实时对PID控制器参数进行自校正。

优选方案中，被控系统都可以等效成带有纯滞后的一阶系统，通过自整定模式的继电反馈自整定可以测出一阶系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc；

根据Z-N法公式可以求出PID控制器的参数KP、Ti、Td。

优选方案中，当系统进入自整定模式后，PID控制器就变成一个纯继电环节，选取合适的继电输出d,被控系统产生振荡，测量出被控系统响应的幅值A和振荡频率ωc，就可以得到被控系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc。

优选方案中，利用描述函数对图的继电环节进行分析，可以得出关系公式：

关系公式是理想化的将滞环ε设为零，再加上描述函数法的近似处理，理论上整定处的值与最优值存在5％～20％的误差，再使用模糊控制算法对参数进行自校正。

优选方案中，模糊控制是通过对输入变量模糊化后，经过已知的模糊规则库进行模糊推理，得出模糊控制输出量，再将模糊控制量进行反模糊化，得出精确的控制量输出。

优选方案中，模糊控制用于PID控制器参数的在线自校正的主要思路是，在系统处于调节模式时，模糊控制器不断的对输入的偏差E和偏差变化率EC模糊化后，根据设置的模糊整定规则表，分别得到3个修正参数ΔKp、Δti、ΔTd的模糊值，再将其反模糊化，得到参数修正的精确值。

优选方案中，计算出PID控制器的参数：Kp＝Kp0+ΔKp、Ti＝Ti0+ΔTi、Td＝Td0+ΔTd，其中Kp0、Ti0、Td0分别表示在自整定模式时得到的参数初值；

模糊控制器的两个输入变量E和EC，三个输出变量ΔKp、Δti、ΔTd的模糊语言值分别取为：

E:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

EC:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

ΔKp:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

Δti:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

ΔTd:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

即：“负大”(NB)，“负中”(NM)，“负小”(NS)，“零”(0)，“正小”(PS)，“正中”(PM)，“正大”(P)，隶属函数选择为三角形。

优选方案中，模糊规则表是根据经验总结而来，总体思路步骤如下：

A1、当偏差E较大时，为了让系统快速反应，并防止由于E的瞬间变大引起的微分项过大，此时应取较大的Kp与较小的Td；

A2、当偏差E中等大小时，为了使系统在保证一定的响应速度的同时减小超调量，应取较小的Kp，Ti、Td大小取适中；

A3、当E较小时，为了使系统具有良好的稳态性能，适当增大Kp与Ti的值；同时，在EC较大时，Td取较小值；EC较小时，Td取较大值。

本发明提供了往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，气举压缩机在工作时，对于其排气压力采用PID控制算法加上逻辑判断即可实现天然气的集输与增压；压缩机前往不同井场工作时，不同的工况特性有差别，针对每一个口井作业时，都需整定一套与之匹配的PID控制器参数，仅需在常规的PID控制器参数基础上，加入能够自动根据井场工况特性的变化来调整PID控制器的参数，使其始终处于最优状态的智能控算法，利用模糊控制技术实现PID控制器的参数在线自校正，提升了控制器性能，实现压缩机的压力精确的自动调节。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是压缩机控制的基本顺序逻辑控制图；

图2是压缩机在作业不同阶段上升或下降的趋势图；

图3是本发明算法结构图；

图4是本发明继电环节特性图；

图5是本发明自整定算法程序流程图；

图6是本发明模糊控制器的结构原理图。

具体实施方式

如图1～6所示，图3整个算法设置了两种模式，自整定模式a与调节模式b，在初次运行时，将开关c打到b自整定位置，通过参数自整定模块得到PID控制器参数的初始值，这个值可以满足基本的控制需求，精度稍差；后期使用时，将开关c切换到调节模式位置a，PID控制器发挥作用，同时模糊控制模块实时对PID参数进行自校正，以达到最优的控制效果。其中自整定模块采用继电反馈整定算法。

大多数的被控系统都可以等效成带有纯滞后的一阶系统，通过测出这个一阶系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc,就可以根据Z-N法公式求出PID控制器的参数KP、Ti、Td。

表1：Z-N法PID参数计算表

在实际应用中，继电反馈自整定测量临界比例增益Kc和振荡周期Tc，因为在整定时，系统也处在闭环控制中，比较安全，编程上容易实现。

如图4所示，当系统进入自整定模式后，控制器就变成一个纯继电缓解，选取合适的继电输出d，使被控系统产生振荡，测量出被控系统响应的幅值A和振荡频率ωc，就可以得出被控系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc。

利用描述函数对图的继电缓解进行分析得出的关系公式与图5的自整定算法程序流程图进行整定，不需要任何外部信号发生和测量设备，只需要记录系统的振荡输出，并对结果数据进行分析处理；另外，整定是在闭环中进行，即使受到干扰，系统也不会受到严重的影响。

如图6所示，模糊控制器包括输入量的模糊化、输出量的反模糊(清晰)化、模糊规则库及其推理算法等构成。模糊控制是智能控制的一种，它通过对输入变量(通常是偏差和偏差变化率)模糊化后，经过已知的模糊规则库进行模糊推理，得出模糊控制输出量，再将模糊控制量进行反模糊化，得到精确控制量输出。

本例将模糊控制用于PID参数的在线自校正的主要思路是，系统在调节模式时，模糊控制器不断的对输入的偏差E和偏差变化率EC模糊化后，根据设计的模糊整定规则表，分别得到3个修正参数ΔKp、Δti、ΔTd的模糊值，再将其反模糊化，得到参数修正的精确值。

从而计算出PID控制器的参数：Kp＝Kp0+ΔKp、Ti＝Ti0+ΔTi、Td＝Td0+ΔTd，其中Kp0、Ti0、Td0分别表示在自整定模式时得到的参数初值。

可见，对于一个模糊控制器，最核心的是模糊规则的建立。

模糊控制器的两个输入变量E和EC，三个输出变量ΔKp、Δti、ΔTd的模糊语言值分别取为：

E:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

EC:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

ΔKp:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

Δti:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

ΔTd:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

即：“负大”(NB)，“负中”(NM)，“负小”(NS)，“零”(0)，“正小”(PS)，“正中”(PM)，“正大”(P)，隶属函数选择为三角形。

模糊规则表示根据经验总结而来，总体思路是：

A1、当偏差E较大时，为了让系统快速反应，并防止由于E的顺间变大引起的微分项过大，此时应取较大的Kp，较小的Td。

A2、当偏差E中等大小时，为了使系统在保证一定的响应速度的同时减小超调量，应取较小的Kp，Ti、Td大小取适中。

A3、当E较小时，为了使系统具有良好的稳态性能，适当增大Kp、Ti的值。同时，在EC较大时，Td取较小的值；EC较小时，Td取较大的值。

基于以上思路，设计的三个参数模糊规则表如下：

表2：ΔKp模糊规则表

表3：ΔTi模糊规则表

表4：ΔTd模糊规则表

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：所述算法包括自整定模式与调节模式，初次运行时，通过自整定模式的参数自整定模块得到PID控制器参数的初始值，然后切换调节模式，PID控制器发挥作用，同时通过调节模式的模糊控制模块实时对PID控制器参数进行自校正。

2.根据权利要求1所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：被控系统都可以等效成带有纯滞后的一阶系统，通过自整定模式的继电反馈自整定可以测出一阶系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc；

根据Z-N法公式可以求出PID控制器的参数KP、Ti、Td。

3.根据权利要求2所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：当系统进入自整定模式后，PID控制器就变成一个纯继电环节，选取合适的继电输出d,被控系统产生振荡，测量出被控系统响应的幅值A和振荡频率ωc，就可以得到被控系统的临界比例增益Kc和振荡周期Tc。

4.根据权利要求3所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：利用描述函数对图的继电环节进行分析，可以得出关系公式：

关系公式是理想化的将滞环ε设为零，再加上描述函数法的近似处理，理论上整定处的值与最优值存在5％～20％的误差，再使用模糊控制算法对参数进行自校正。

5.根据权利要求1所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：模糊控制是通过对输入变量模糊化后，经过已知的模糊规则库进行模糊推理，得出模糊控制输出量，再将模糊控制量进行反模糊化，得出精确的控制量输出。

6.根据权利要求5所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：模糊控制用于PID控制器参数的在线自校正的主要思路是，在系统处于调节模式时，模糊控制器不断的对输入的偏差E和偏差变化率EC模糊化后，根据设置的模糊整定规则表，分别得到3个修正参数ΔKp、Δti、ΔTd的模糊值，再将其反模糊化，得到参数修正的精确值。

7.根据权利要求6所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：计算出PID控制器的参数：Kp＝Kp0+ΔKp、Ti＝Ti0+ΔTi、Td＝Td0+ΔTd，其中Kp0、Ti0、Td0分别表示在自整定模式时得到的参数初值；

模糊控制器的两个输入变量E和EC，三个输出变量ΔKp、Δti、ΔTd的模糊语言值分别取为：

E:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

EC:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

ΔKp:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

Δti:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

ΔTd:{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

即：“负大”(NB)，“负中”(NM)，“负小”(NS)，“零”(0)，“正小”(PS)，“正中”(PM)，“正大”(P)，隶属函数选择为三角形。

8.根据权利要求7所述往复式天然气压缩机自适应压力控制算法，其特征是：模糊规则表是根据经验总结而来，总体思路步骤如下：

A1、当偏差E较大时，为了让系统快速反应，并防止由于E的瞬间变大引起的微分项过大，此时应取较大的Kp与较小的Td；

A2、当偏差E中等大小时，为了使系统在保证一定的响应速度的同时减小超调量，应取较小的Kp，Ti、Td大小取适中；

A3、当E较小时，为了使系统具有良好的稳态性能，适当增大Kp与Ti的值；同时，在EC较大时，Td取较小值；EC较小时，Td取较大值。

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