CN1225460A

CN1225460A - 至少控制两台生产设备的方法及装置

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Publication number: CN1225460A
Application number: CN98120677.8A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·杜夫劳特; 克里斯托福·查理; 杜米尼克·乔沃德; 帕奇斯·奥里维尔
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1997-10-06
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 1999-08-11
Also published as: US6519582B1; FR2769386B1; JPH11224107A; CA2249851A1; EP0908808A1; FR2769386A1

Abstract

本发明涉及一种用于控制至少两台、其输出并联连接以生成用于供应到用户设备上的公共输出流量的生产设备的方法,该方法将公共输出流量作为预定目标值(u)的函数进行控制,包括的步骤有:测量出至少一个代表公共输出流量的变量;在一有限的预定工作状态组当中,确定出一个与每一设备的一种工作状态相对应的控制指令;利用所确定的控制指令控制设备;测量出两个代表公共输出流量的变量,并且用一模糊－逻辑控制器来确定出控制指令。适用于控制一组压缩机。

Description

至少控制两台生产设备的方法及装置

本发明涉及一种至少控制两台生产设备的方法，所述生产设备的输出并联连接以便生成用于供应到用户设备上的公共输出流量，该方法将公共输出流量作为预定目标值的函数来进行控制。

在已有设备中，将几台压缩机并联安装。例如，对于1000m³/小时、峰值可达到1500m³/小时的平均消耗量来说，需将三台具有500m³/小时标称速度的压缩机并行安装。一般来说，只有两台压缩机同时工作，第三台压缩机大部分时间是停用的。

在此类设备中，压缩机共有三种不同的工作状态。第一状态对应于压缩机停止，机械驱动装置关闭。第二状态对应于压缩机断开或“空转”状态，其中机械驱动装置仍在工作但空气压缩装置断开。第三状态对应于压缩机接合或“生产”状态，其中机械驱动装置工作，并且压缩机将压缩空气输送至其出口处。

控制此类压缩机组输出压力的现有方法的关键在于：测量出压缩机公共输出处的压力，并将其与一组用于激活或减活每一压缩机的阈值相比较。

特别地，当该设备包括三台压缩机时，该方法采用与每台压缩机成对相关的六个阈值。因此每台压缩机与一个激活阈值和一个减活阈值相关联。由于此阈值对应于一台压缩机，因此，总是同一台压缩机首先被减活。同样地，也总是同一台压缩机最先工作。

为了解决这个问题，已提出置换各台压缩机之间的阈值以分配各台压缩机之间的工作时间。这种阈值的置换需要用相对较长、甚至一周的时间来进行。

由于阈值分别与每台压缩机相关联，因此可看到由三台压缩机组成的系统是一个振荡系统，其输出压力在上下阈值之间变化。压力在出口处的变化也很大，并且这样会带来过多的能耗。

本发明的目的在于提供一种控制方法，用于限制压缩机输出压力的变化范围，并且可因此而降低总的能耗。

为此，本发明涉及一种至少控制两台生产设备的方法，特征在于：测量出至少两个代表公共输出流量的变量，并且由完成下述步骤的模糊-逻辑控制器确定出控制指令：

-在测量变量的基础上，建立输入模糊变量；

-在所述的输入模糊变量及事先编译过的知识库的基础上，且与生产设备的固有特性无关，在有限的预定工作状态组中为至少一台设备确定出一个与其中一种工作状态相对应的控制指令；并且

-将所确定的控制指令加到该设备或每台设备上；．

根据可选实施例，该方法包括下述一个或多个特征：

-所述的一个测量变量是另一所述测量变量相对于时间的、预定阶数导数的估计值；

-生产设备是煤气压缩机，而所测量的变量至少是压力和压力变化速度；

-它进一步包括以下步骤：

．至少将代表排出流量的两个测量变量中的一个与一组预定阈值相比较；

．当被进行比较的所述变量或其中之一越过一预定阈值时，不管模糊-逻辑控制器确定出的控制指令如何；都要在一有限的预定工作状态组中、为至少一台生产设备确定出一个与其中一种工作状态相对应的控制指令；且

．将确定的控制指令施加到至少一台生产设备上。

-当被进行比较的所述变量或所述变量之一超过一预定阈值时，则启动一延迟处理，且如果上述变量仍超出所述预定阈值，则所确定的控制指令只在延迟时间结束时加到一台生产设备上；

-在延迟期间，超出预定阈值的变量的变化速度与一参考阈值进行比较，并且如果所述的变化速度超过参考阈值，则在延迟时间结束之前施加所确定的控制指令；

-对于至少一种工作状态，保存有每台生产设备总的工作时间，并且与此状态或每一状态相关联的、所确定的控制指令施加于其上的生产设备，在由于施加了控制指令而引起的工作状态中的总工作时间累计最短的的生产设备中进行选择；

-对于至少一种工作状态，保存每台生产设备的总工作时间，并且当在上述工作状态中，设备的总工作时间之间的差值超出一预定阈值时，对设备之间的工作状态进行切换；

-在由所测量变量的通用组定义的曲线基础上，建立输入模糊变量，这些曲线都具有相似的形状，并且规则地分布在整个通用组内；

-这些曲线在其非-零区域内基本呈三角形；而且

-所述每台设备的有限工作状态组包括有：一空转状态及一停止状态，而且在所确定的上述时间内，当所述设备的停止次数较低时，那么设备在停止之前的空转时间便会成比例地缩短。

总而言之，本发明的方法包括的步骤有：

-测量出至少一个代表公共输出流量的变量；

-在有限的预定工作状态组中，为每台设备确定出一个与该设备的工作状态相对应的控制指令；且

-利用确定出的控制指令对该设备进行控制。

本发明特别适用于控制几台工作在开/关方式的煤气发生炉，特别是为了将负压煤气供应到用户设备、如工厂的供气网中而将输出并联地连接在一起的空气压缩机。

在此类应用中，用户设备的煤气需求量随时间而变化，因此，需对压缩机产生的公共输出流量进行控制。特别地，最好将压缩机公共输出处的压力保持在与预定目标值尽可能接近的数值上。

通过阅读下面的说明书，将会更清楚地理解本发明，所述说明书主要是结合实例并参考附图给出的，其中：

-图1是用于生产压缩空气的设备的示意图；

-图2是表示控制器工作当中主要步骤的流程图；

-图3是表示输出压力随时间变化的两个实例的曲线；

-图4是控制压缩机之间切换的算法的流程图；

-图5是模糊-逻辑控制器示意图；

-图6和7是根据通用组的函数、也就是相应地压力及压力相对于时间的导数，来确定模糊变量的曲线；

-图8是根据判定逻辑函数来确定出压缩机可能的工作状态的推理规则汇总表；

-图9是模糊变量对加到压缩机上的控制指令的影响区域图；以及

-图10是用于控制压缩机停止的算法的流程图。

图1表示的是将压缩空气供应给连接有用户设备(未示出)、如生产现场的配气网的输出口12的设备10。

设备10包括三台输出并联连接的相同的压缩机14、16、18。压缩机的公共输出端连接到用于干燥并过滤压缩空气的站20上。一缓冲气柜22设置在干燥及过滤站20和压缩机的公共输出端之间。输出设备12设置在干燥站的下游。作为一个变通实例，可以将缓冲气柜22和站20的顺序颠倒过来。

一压力传感器24安装在缓冲气柜22上。此压力传感器连接到例如由可编程的自动化单元所形成的控制器26上。后者由一束控制线连接固定到每台压缩机14、16、18上。

特别地，每台压缩机都包括一用于控制该压缩机启动和停止的、分别由14A、16A、18A表示的第一继电器。此外，每台压缩机还包括一分别由14B、16B、18B表示的第二继电器，使得能够在压缩机运行时，激活或减活压缩空气的生产。因此，此继电器可使压缩机在其空转状态和其生产状态之间转换。

图2表示控制器26的主要工作步骤。

在第一步50中，控制器26通过传感器24，一方面测量出缓冲气柜22内的压力P，另一方面测量出此气柜内压力在时间上的变化速度，也就是压力相对于时间的导数的近似值，用Δp/Δt表示。

在步骤52中进行第一次检测。此步骤主要是将压力P与图3中给出的一组阈值进行比较。

在此图中，实线表示作为时间函数的压力P的变化曲线实例。

用U表示的目标压力如虚线所示。

此压力U由用S1、S2、S3、S4所表示的四个上限值组和用D1、D2、D3、D4所表示的四个下限值组构成。它们分别对应于激活或减活各压缩机所需的压力。

在上述实例中，压缩机的激活在于将其从其停止状态或其空转状态切换到其生产状态。相反，减活在于将压缩机从其生产状态切换到其空转状态。

每一阈值都与用户定义的延迟时间相关联。当上述阈值离开目标值时，延迟时间也同样地缩短。

因此，当压力P的数值超过一阈值时，则启动相关联的延迟时间。当延迟时间期满后，如果压力值仍超出上述阈值，则其中一台压缩机应采取修正动作。为了改变输出压力而激活或是相反减活其中一台压缩机，这取决于阈值是高于还是低于目标值U。

因此可以看到，如果压力P上升很快，则可超出阈值S2或S3，其中阈值S2或S3的延迟时间短于阈值S1的延迟时间，并且它们的延迟时间在S1的延迟时间期满之前到期。因此需在阈值S1的延迟时间期满之前、使用于减活其中一台压缩机的修正动作接合。

此外，控制器26同时将压力变化速度Δp/Δt与特定数目的预定参考值相比较，以便只要超过阈值并且甚至在相关联的延迟时间结束之前，如果压力变化速度值Δp/Δt的绝对值大于一预定的参考值，就立刻采取修正动作。

在上述方法中定义的阈值未被分配给各压缩机。相反，超出一个阈值只能使控制器发出激活或减活其中一台压缩机的命令。施加了控制指令的压缩机由用于控制压缩机激活及减活的子程序来决定，这些子程序分别由图2中的步骤54及56表示。

图4中的流程图说明了在步骤54中完成的激活压缩机的过程。

当作出目的在于激活一台压缩机的采取修正动作的决定时，装在控制器内的软件在步骤62中检查，是否有压缩机处于空转状态，也就是说它是否正在运行，及压缩空气的生产是否减活。如果是这种情况，则在步骤64中它选择此压缩机，以使其激活。

如果没有压缩机处于空转状态，则控制器在步骤66中确定出生产过程中总工作时间最短的压缩机。因此，该控制器包括用来存储自设备启动时起的、每台压缩机的累计工作时间的装置。

确定具有最短累计工作时间的压缩机，是通过对每台压缩机的工作时间进行成对比较来完成的。在步骤68中，控制器选择出具有最短工作时间的压缩机以激活该压缩机。

最后，在步骤70中，控制器26激活所选择出的压缩机。

如果，所选择出的压缩机处于空转状态，则仅使其激活。如果无压缩机在空转，则指令所选压缩机(具有最短累计工作时间的一台)打开，同时激活该压缩机。

减活一台压缩机的步骤56，与参考图4所述的激活步骤相同，但最先减活的压缩机为累计工作时间最高的一台。

如果未超出任何阈值，则压力P在阈值S1和D1之间变化，如图3中的点划线所示，控制器转至步骤72，完成模糊-逻辑判定过程。

模糊逻辑控制器的图形如图5中所示。

此图一方面为压缩空气生产设备10的压缩机组，另一方面为由26A所表示的模糊-逻辑控制器。

代表所生产的压缩空气流量的变量P和Δp/Δt(由传感器24测得)首先输入到一输入接口74中，该输入接口以保存在控制器中的知识库76所给出的数据为基础，将所测得的变量转换为输入模糊变量。这种转换将在本说明书进行进一步的说明。

通过此方式确定的模糊变量接下来输入到用于对其进行处理的逻辑单元78中。这种处理将在本说明书中进行进一步的说明。

在输入模糊变量及保存在知识库76中的数据的基础上，逻辑单元78生成输出模糊变量，该输出模糊变量被送入到一输入接口80。后者被设计成将控制指令作为输出模糊变量的函数送至压缩空气的压缩设备10的各个压缩机中。由输出模糊变量来确定出控制指令的方式将在本说明书中作进一步的说明。

为了利用模糊逻辑来完成判定过程，根据本发明的方法，一方面将压力偏差EP作为通用组，另一方面将压力变化速度Δp/Δt作为通用组。压力偏差EP与由传感器24所测得的压力P和目标值u之间的差值相对应。

每一通用组被分为7个不同的状态，如图6和7中所示。

每一状态由一条曲线来定义，该曲线一般来说具有以作为状态特性的压力偏差值EP或压力变化速度Δp/Δt为中心的对称三角形形状。对于所有与相对压力相关联的状态来说，三角形信号的斜率都是相同的。此外，该曲线的顶点沿横坐标规则且对称地偏移。

这些曲线都是根据实验来进行定义地，与压缩机的固有特性无关。

与两个通用组的输入模糊变量相对应的各种不同状态定义如下：

相对压力压力变化

(图6) (图7)

EGN：较大负向偏差 NG：较大负值

EMN：中等负向偏差 NM：中等负值

EPN：较小负向偏差 NP：较小负值

EZ：零偏差 Z:0

EPP：较小正向偏差 PP：较小正值

EMP：中等正向偏差 PM：中等正值

EGP：较大正向偏差 PG：较大正值

对于压力偏差EP来说，各种状态分别与目标值u和测量值P的偏差的定性估计值相对应；而对于压力变化速度Δp/Δt来说，则与相对于压力在时间上为恒值的零参考的、压力在时间上的变化的定性估计值相对应。

下面参考一个实例，对通过实现模糊逻辑来进行判定的方法进行描述。

在上述实例中，假设压力偏差Ep等于0.08巴，且压力变化速度Δp/Δt为0.04巴/秒。

在图6和7的基础上，预计出相对压力值及相应通用组上的压力变化，输入接口74给出四个被称为输入模糊变量的模糊变量，对于压力偏差来说，等于0.7EPN及0.3EZ，而对于压力变化速度来说，则等于0.8NP和0.2NM。

利用“最小-最大值”原则，可为逻辑单元78建立中间模糊变量值，如下所示：

Min(NM,EPN)=0.2

Min(NM,EZ)=0.2

Min(NP,EPN)=0.7

Min(NP,EZ)=0.3。

图8表示的是模糊判定逻辑所确定的所有可能状态。因此，三种可能状态分别由用于“激活”模糊变量的A、用于“无”模糊变量的R及用于“减活”模糊变量的D来表示。

图8中的表格是从上述类型的设备的试验中、经试验定义的，与压缩机的固有特性无关。

如图8中所示，通过取输入模糊变量最小值而获得的数值，输入到对可能的状态进行分类整理的表格中的、与压力偏差相关联的模糊变量相对应的行及与压力变化速度相关联的模糊变量相对应的列的交点处。

在利用此方式确定的输出模糊变量中，所考虑的是与其相关的最大系数。在上述实例中，所给出的是：

Max(无)=0.7

Max(激活)=0.2

在确定了这些输出模糊变量之后，输出接口80在输出通用组上建立起送入各压缩机的控制指令。

为此，图9定义了由边界曲线限定的影响区域。它们分别对应于一台压缩机的减活、无动作或激活。与控制指令相对应的输出变量通用组如横轴上所示。图9中的曲线是通过试验确定出来的，与压缩机的固有特性无关。

由于两个输出模糊变量“0.7无”和“0.2激活”已在图9的图形中标绘出来，因此定义出了允许的影响区域。这些由图8中的灰色部分表示。

为了确定出加到压缩机上的控制指令，首先应确定出所允许的影响区域的形心G并作出形心G在横轴上的投影g。

在上述实例中，控制指令对应于不采取动作状态，也就是说，使激活的压缩机数和未激活的压缩机数保持不变。

如果在步骤72中采用模糊逻辑判定算法来决定激活或减活一台压缩机，则分别应完成步骤54或56。

为了避免各压缩机间损耗的不同，由控制器26所实现并在图2中示意给出的算法包括：在步骤82中的、用于规则地分配设备各压缩机间的工作时间的转换程序。

此程序由形成控制器26的自动化单元来执行，并且要首先检验压缩机的累计工作时间。图10中示意给出的是压缩机14和16之间的工作优先级别。这些程序对压缩机进行成对比较。因此，在具有三台压缩机的设备的情况下，自动化单元采用六个此类程序。

首先假设压缩机14减活时，压缩机16激活。

为了确定出两台压缩机之间的切换是否是必要的，程序在步骤84中检查压缩机16的累计工作时间是大于还是等于压缩机14的累计工作时间。如果响应为负值，则不采取动作。如果响应为正值，则程序在步骤86中计算出压缩机16和14的累计工作时间之间的偏差Δ。

在步骤88中，程序在最后将此偏差Δ与一预定阈值相比较。如果偏差Δ小于此阈值，则不进行动作。但如果偏差Δ大于此预定阈值，则在步骤90中使两台压缩机进行转换。因此，先已激活的压缩机16减活，而首先减活的压缩机14被激活。

最后，控制器26所采用的方法包括：一个用来在确定的空转时间结束时停止压缩机的、控制压缩机停止的步骤92。

为了在给定的时间周期内，限制压缩机的停止和重启动次数，例如一个小时，则在给定时间内已形成的停止次数的基础上，确定出压缩机停止结束时的空转时间。

特别地，在前一小时内停止次数越多，压缩机停止结束时空转的时间就越长。

因此，如果压缩机每小时停止六次，并且在上述时间之前一小时内未停止，则工作在空转方式下的压缩机将在较短时间、如一分钟后停止。但如果压缩机在前一小时内已停止三次，那么此工作在空转方式下的压缩机将在5分钟的较长延迟时间后停止。

在此所给出的说明书涉及一种空气压缩机设备。但根据本发明的方法可被任何类型的煤气压缩机或可选的任何类型的设备所采用，所述设备包括具有有限工作状态组的、且输出并联连接以生成一公共输出流量的生产设备。

在此所采用的、利用模糊-逻辑判定方法的方法，能够轻易地从适用于一台设备到适用于另一台设备，而不管所用压缩机或所用设备的类型怎样，因为知识库所给出的数据与所采用的压缩机类型无关，只取决于在上述类型设备基础上通过试验而得到的知识。

此外，模糊-逻辑判定生成逻辑及当模糊逻辑处理不充分时使用阈值的结合，使得该方法在准确的同时高度地可靠。

最后，可利用一台通过数据传输线、如电话网连于控制器26上的计算机，来遥控地监测控制过程。此外，可遥控地修正控制参数、特别是目标值。

所采用的控制方法使得作为时间函数的能量消耗曲线能相当准确地跟踪描述生产空气时的速度曲线分布图。因此，才有可能在尽可能准确完成下游设备需求的情况下，优化能量消耗。

Claims

1、用于控制至少两台、其输出并联连接以生成用于供应到用户设备上的公共输出流量的生产设备(14、16、18)的方法，该方法将公共输出流量作为预定目标值(u)的函数进行控制，该方法包括的步骤有：

-测量出至少一个代表公共输出流量的变量；

-在一有限的预定工作状态组当中，确定出一个与每一设备(14、16、18)的一种工作状态相对应的控制指令；

-利用所确定的控制指令控制设备；

特征在于：测量出至少两个代表公共输出流量的变量(P,Δp/Δt)，并且用完成下述步骤的模糊-逻辑控制器(26A)确定出控制指令；

-在所测量的变量(P,Δp/Δt)的基础上，得出输入模糊变量；

-在所述的输入模糊变量及事先编译过的知识库(76)的基础上，且与生产设备的固有特性无关，在有限的预定工作状态组中为至少一台设备确定出一个与其中一种工作状态相对应的控制指令；并且

-将所确定的控制指令加到该设备或每台设备(14,16,18)上。

2、根据权利要求1所述的方法，特征在于：所述的一个测量变量是另一所述测量变量相对于时间的、预定阶数导数的估计值。

3、根据权利要求2所述的方法，特征在于：生产设备是煤气压缩机(14,16,18)，而所测量的变量至少是压力(P)和压力变化速度(Δp/Δt)。

4、根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，特征在于：它进一步包括以下步骤：

-至少将代表排出流量的两个测量变量中的(P)与一组预定阈值(S1,S2,S3,S4,D1,D2,3,D4)相比较；

-当被进行比较的所述变量或其中之一越过一预定阈值时，不管模糊-逻辑控制器(26A)确定出的控制指令如何，都要在一有限的预定工作状态组中、为至少一台生产设备确定出一个与其一种工作状态相对应的控制指令；且

-将所确定的控制指令施加到至少一台生产设备上。

5、根据权利要求4所述的方法，特征在于：当被进行比较的所述变量或所述变量之一超过一预定阈值时，则启动一延迟处理，且如果上述变量仍超出所述预定阈值，则所确定的控制指令只在延迟时间结束时加到一台生产设备上。

6、根据权利要求5所述的方法，特征在于：在延迟期间，超出预定阈值的变量的变化速度与一参考阈值进行比较，并且如果所述的变化速度仍超过参考阈值，则在延迟时间结束之前施加所确定的控制指令。

7、根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，特征在于：对于至少一种工作状态，保存有每台生产设备总的工作时间，并且与此状态或每一状态相关联的、所确定的控制指令施加于其上的生产设备，在由于施加了控制指令而引起的工作状态中的总工作时间累计最短的生产设备中进行选择。

8、根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，特征在于：对于至少一种工作状态，保存每台生产设备的总工作时间，并且当在上述工作状态中，设备的总工作时间之间的差值超出一预定阈值时，对设备之间的工作状态进行切换。

9、根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：在由所测量变量的通用组定义的曲线基础上，建立输入模糊变量，这些曲线都具有相似的形状，并且规则地分布在整个通用组内。

10、根据权利要求9所述的方法，特征在于：这些曲线在其非-零区域内基本呈三角形。

11、根据上述权利要求中任一权利要求所述的方法，特征在于：所述每台设备的有限工作状态组包括有：一空转状态及一停止状态，而且在所确定的上述时间内，当所述设备的停止次数较低时，那么设备在停止之前的空转时间便会成比例地缩短。