基于模糊自適應PID的空氣壓縮機節能控制設計

陳洪軍

（吉林鐵道職業技術學院 電氣工程系，吉林 吉林 132002）

1 空氣壓縮機

（1）離心式壓縮機。離心壓縮機主要性能參數為壓力比、效率及流量。運行中壓縮機的運行工況常常發生變化，為了反映不同工況下壓縮機的性能，通常把在一定進氣狀態下對應各種轉速、進氣流量與壓縮機排氣壓力（或壓比）、功率及效率的關系用曲線形式表示出來。

（2）變工況調節。壓縮機在穩定工況下運行，取決于壓縮機本身的性能、管網的特性、取決于驅動機和機械傳動系統的性能。任何一個變負荷工況的關鍵是確定負荷變化時的加工空氣量以及其他工藝參數，首先要根據氧氣負荷確定分離空氣量，然后由分離空氣量確定出氮氣量和氬氣量。液體產量按工藝要求而定，根據產品量和分離空氣量，由冷量平衡式，初步確定膨脹空氣量，再進一步確定膨脹空氣旁通量和加工空氣量的初值。由加工空氣量的初值，可以進一步計算膨脹空氣量，最終確定加工空氣量，根據加工空氣量與空壓機排氣壓力的關系，就可以確定出空壓機的排氣壓力，為性能控制器提供壓力輸入。

（3）空壓機的調節方式。離心壓縮機是與其它裝置聯合工作的。當裝置的阻力系數在生產運行過程中很穩定時，壓縮機則穩定在某一工況點工作。但是，在生產運行過程中，裝置的阻力或者流量要求經常變化。為了適應管網特性曲線變化時，保證裝置對壓力（或者流量）特定值的要求，就需要改變壓縮機的性能，使其在新的工況點工作。通常采用的調節方法可以分為3類：節流調節、變轉速調節和變壓縮機元件調節。

2 模糊控制系統及PID控制器的設計

模糊控制系統是以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯運算與模糊規則推理為理論基礎；采用計算機控制技術構成一種具有反饋通道呈閉環結構形式的數字控制系統。模糊控制系統是人工智能算法與現代先進控制理論與技術相結合的一種模糊集成控制系統。模糊控制系統是由模糊控制器、輸入/輸出接口、執行機構、被控對象和測量與反饋裝置等五部分組成。

模糊控制輸入量的偏差e和偏差的變化率ec，通過模糊化的處理，得到各自的模糊語言變量E和EC。

模糊自適應控制器的設計包括以下內容：①確定模糊控制器的輸入、輸出變量；②設計模糊控制器的控制規則；③確立模糊化和非模糊化的方法；④選擇模糊控制器的輸入、輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數；⑤編制模糊控制算法的應用程序；⑥合理選擇模糊控制算法的采樣時間。模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立合適的模糊規則表，得到針對 Kp、Ki、Kd，模糊控制規則表建立好后，可根據如下方法進行Kp、Ki、Kd的自適應校正。

編制m文件，在MATLAB環境下進行仿真。控制系統通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線自校正。

模糊變量采用正態分布的隸屬度函數，此類隸屬函數雖然符合人的思維特點，但存在著計算麻煩的缺點，在實際應用中不易于編程。正態分布曲線可用梯形或三角形來近似。使用梯形的隸屬函數的曲線可保證足夠的精度，其靈活性也比較大，它包括了三角形等各種形狀，并且可大大減少模糊化時的計算工作量，方便程序設計。接下來，采用三角形隸屬度函數，來驗證這種近似的可行性。

3 仿真實驗

本文以某空分空壓機設計流量為40000m3/h，壓力0.63MPa，在此工況下壓縮機運行最優，效率最高，產量大大增加。由于采用開環控制，通過調研發現，實際運轉流量為38330m3/h，壓力0.47MPa，實際運轉參數與設計值偏離很大，這樣就會產生過大的沖擊損失，浪費大量電能。而采用Fuzzy-PID控制后，不僅能使壓縮機系統穩定在設計工況點，而且抗干擾能力強，如果將本文成果用于實際，可節約電能。仿真結果對比如圖1所示。

圖1 仿真結果對比圖

4 結論

建立了空氣壓縮機恒壓控制系統分別采用傳統的PID控制和Fuzzy-PID控制，對系統進行了性能控制器仿真研究。仿真結果顯示，相對于傳統的PID控制，Fuzzy-PID控制的各項參數都優于傳統的PID控制，能夠更好地將壓縮機工作點穩定在設計工作點，有利于整個壓縮機系統的節能降耗，對節能減排具有非常重大的意義。

［1］何林海，王月華.高壓變頻調速技術應用研究［J］.新疆石油科技，2000，10（1）.

［2］王麗春，樊會元.離心壓縮機性能預測的神經網絡方法［J］.華東冶金學院學報，2000，4（2）.