離心式壓縮機防喘振模糊PID控制系統研究

摘 要:研究探討了離心式壓縮機防喘振控制的方法與原理，確定了可變極限流量的被動控制方法;利用模糊控制與傳統PID控制相結合的控制方法，設計了離心式壓縮機的防喘振控制系統;在Simulink仿真平臺中對控制系統進行仿真，結果表明該模糊PID控制系統的設計方案是可行的。

關鍵詞:離心式壓縮機模糊PID防喘振可變極限流量

中圖分類號:TH45文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(a)-0051-02

離心壓縮機由法國教授奧古斯都雷克于19世紀發明。這種壓縮機可靠性高、適用性強，幾乎適用于任何氣體的壓縮。但是和其它種類型的壓縮機一樣，其存在喘振現象。喘振是壓縮機系統一種不穩定的工作狀態，通常發生在壓縮機進口流量過小引起內部流道中出現嚴重的旋轉脫離，流動嚴重惡化，使壓縮機出口壓力突然嚴重下降。由于這時候與壓縮機相連的管網中的氣體壓力并不馬上減小，嚴重時管網中的氣體壓力就反大于壓縮機出口壓力，并造成管網中的氣體倒流向壓縮機，直到管網中的壓力下降至低于壓縮機出口壓力為止，此時倒流停止，壓縮機開始正常向管網供氣，其流量增大，恢復正常工作。但是當管網中的壓力也恢復到原來的壓力時，壓縮機的流量減小，系統中氣體又產生倒流。如此周而復始的變化使整個系統中的氣流產生周期性的振蕩。

過去的幾十年以來，喘振的控制技術已經有了更廣、更深的發展。評判一種控制技術是否優越，主要從其控制技術性能、適用性、以及在新系統的移植性方面來考慮。通常防喘振控制分為主動控制和被動控制，前者直接著眼于失穩現象本身，抑制誘發喘振的氣流不穩定過程來改善整個壓縮機系統的性能，阻止喘振發生;而后者則通過防喘振控制，使壓縮機運行點在管網流量減少到少于喘振流量限下仍不穿過喘振線，維持在穩定運行區，避免喘振的發生，這種控制策略相對簡單，易于實現[1～3]。

本論文設計了一種基于模糊PID控制的可變極限流量被動控制方法。PID控制作為一種經典的控制策略，已經在各行各業廣泛應用。而模糊邏輯控制設計簡單、性能優異，兩者的結合使得PID參數更加精確，控制器性能更加優越。

1 防喘振原理

防喘振控制的目的就是要保證壓縮機工況點始終運行在防喘振線以下的安全區域。從喘振的形成過程可以看出，在一定的排氣壓力下，防止壓縮機流量過小就能避免喘振發生。所以在實際工程應用中，采用降低排氣壓力(放空)來增大壓縮機流量，消除喘振[4]。根據這一要求防喘振閥通常選為氣關閥，并且要求快開慢關。防喘振控制就是利用這一原理來設置防喘振線，防止喘振的發生。沿離心式壓縮機在不同轉速下的特性曲線的最高軌跡近似做一條拋物線，這條曲線即是喘振線，如圖1所示。

為了安全期間，實際中將喘振線縱坐標參數下移3%作為喘振裕度，即放空線，工況點在放空線以下，放空閥關閉，如果工況點在放空線以上，放空閥全開來防止喘振的發生。實測喘振線縱坐標參數下移8%得到該壓縮機的防喘振控制線，當出口壓力到達控制線時，控制系統自動調節防喘振閥放風，降低出口壓力防止喘振發生[5][6]。

如圖1所示，壓縮機防喘振安全工作線為一條拋物線，方程式如下:

(1)

a，b—均為設備常數，由制造廠提供。

假設壓縮機入口氣體溫度較穩定，若將橫坐標取為，則拋物線型防喘振安全工作線變為一條斜率為的直線。因此，由式(1)可得

(2)

式中，。又因為標準節流裝置流量測量經驗公式為

(3)

式中，為壓縮機吸入流量;流量測量差壓;為吸入側絕對溫度;為吸入側絕對壓力;為流量系數。所以，把式(3)代入式(2)可得

(4)

由式(4)可得

(5)

其中。

防喘振約束條件為:

(6)

2控制系統設計

2.1 壓縮機控制系統分析

壓縮機控制系統示意圖如圖2所示。

壓縮機轉速發生變化后，入口壓力與出口壓力發生變化，兩者加權相加后，再乘得到在新轉速下的控制器設定值。當入口流量較大，大于設定值時，調節器FC正作用輸出最大，調節閥FV為氣關閥，處于關閉狀態;而當入口流量下降時，調節器FC輸出最小，調節閥FV逐漸打開。從而又增加了入口流量，保持了入口流量不低于引起喘振的最低流量，達到防喘振的目的[7]。

2.2 模糊PID控制系統設計

模糊PID控制以偏差及其變化率作為輸入，根據不同時刻的和，采用相應的模糊控制規則在線對PID參數進行調整，其結構如圖3所示。

模糊PID控制器的核心思想是找出PID的三個參數(P、I、D)與兩輸入量(、)的模糊邏輯規則。由于模糊控制主要是依賴人的控制經驗，所以本文中模糊規則的確定主要是由人的控制經驗，并結合現場實際控制情況對其進行相應的校正，得到的控制規則能夠很好的應用于PID三個參數的整定，最終使系統的控制性能達到最佳。

PID三個參數相互作用主要表現為:比例作用強，可以加快調節，減少誤差，但系統穩定性下降;積分作用強，可以消除系統的穩態誤差，但會使系統動態性能變差，動態響應變慢;微分作用強，系統穩定性好，超調小，但系統抗干擾能力下降。所以在考慮控制規則時要充分考慮三個參數之間相互作用的情況，這樣得到的控制規則才可能是最佳的。根據作者現場控制經驗及查閱相關技術資料，可知三個參數之間的相互作用規律:在動態振蕩曲線中，第一段上升曲線，應先小后大，應先大后小。第一個超調部分，應先大后小再變大，應先小后大再變小。第一個衰減部分:應先大后小并趨向于穩定，應先小后大并趨向于穩定。

模糊PID控制器的輸入輸出變量的模糊子集分別為:、、、、、，采用5個語言變量和三角形隸屬函數(除N為Z函數，P為Ｓ函數外)。根據經驗以及現場調試，得到、、的控制規則表，分別如表1～3所示。

模糊推理采用Mamdani推理算法，其采用極小運算規則定義模糊蘊含表達的模糊關系，例如規則:R:if x為A then y為B。而去模糊化則選用重心法(centroid)。

3 仿真結果

在Matlab模糊工具箱中設置好模糊控制規則，及相應的隸屬度函數。并注意把該控制規則導出到Workspace中，以方便模糊控制器對其的調用。

輸入為一個階躍信號，結果輸出到Workspace中，并用Plot函數畫出。從中可以看出，控制系統響應較快，并能快速的達到狀態，但是超調量仍然有些大，有待改進。從總體上來說，所設計的模糊PID控制器基本滿足設計要求。在壓縮機轉速發生改變時，能夠快速控制入口流量到達相應安全工作點，防止喘振的發生。

4 結語

本文結合離心式壓縮機喘振的特點，利用模糊控制和PID控制相結合的方法實現了對離心式壓縮機的可變極限流量防喘振控制，提高了離心式壓縮機控制系統的穩定性、可靠性和經濟性。

參考文獻

[1]謝慕君，王曉明，韓宇鑫.模糊控制在離心式壓縮機防喘振控制中的應用[J].太原科技，2010.

[2]儲朝霞.離心式壓縮機防喘振控制方案及數據模型[J].石油化工自動化，2007.

[3]馮慧山.軸流壓縮機防喘振控制分析[J].自動化博覽，2005.