天然氣壓縮機電機拖動推進系統雙饋控制仿真

王學軍++陳星瑋++張毅

摘 要：天然氣壓縮機電機拖動推進系統是整個壓縮機電氣控制的核心，通過對電機拖動推進系統的雙饋控制實現壓縮機的穩定運行。提出一種基于SPIDNN變結構理論和滑模控制律的天然氣壓縮機電機拖動推進系統雙饋控制算法。構建天然氣壓縮機電機拖動推進系統結構模型，設計電機拖動控制功率放大器。采用滑模干擾控制律，對電機拖動推進系統進行雙饋控制。物聯網通用平臺中進行仿真實驗，結果表明，該控制算法和系統能高品質實現天然氣壓縮機電機拖動推進系統控制，控制精度較高，參數和隨機干擾沒有嚴格的要求，在其裕度范圍就能保證系統工作，輸出的電壓平穩平滑，有效保證了天然氣壓縮機電機拖動推進系統的穩定運行。

關鍵詞：天然氣壓縮機；電機；雙饋控制；PID神經系統

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

天然氣壓縮機是將低壓天然氣氣體提升為高壓氣體的一種從動的流體機械，通過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，提升天然氣運輸過程中的壓力。

壓縮機按其原理可分為容積型壓縮機與速度型壓縮機[1]。研究天然氣壓縮機的電機拖動推進系統控制理論，具有積極重要的意義，相關的電機控制算法研究也受到廣大專家的重視[2]。天然氣壓縮機工作環境復雜多變，其電力拖動推進系統是一種多變量、非線性、強耦合系統，其在運行過程中，受外電場環境作用下，呈現一種時變非線性特征，傳統的控制算法難以實現對電機拖動系統的有效控制。本文提出一種基于SPIDNN滑模控制的天然氣壓縮機電機拖動推進系統雙饋控制算法[3]。論文首先建立電力拖動推進系統的電路結構模型，分析控制性能，進行控制算法改進設計，最后通過仿真實驗進行性能驗證，展示了本文設計的控制系統和算法的優越性能。

1 壓縮機電機拖動推進系統結構與控制性能分析

在分析電力拖動控制模型和控制算法設計之前，首先分析天然氣壓縮機的電機拖動推進系統結果模型，為分析控制算法提供模型基礎。電力拖動系統主要是電動機、中頻發電機、拖動電機、超導轉子整流器、直流變換器和系統終端設備組成[4]。系統組成示意圖如圖1所示。

圖1所示中，中頻發電機的電能驅動電動機旋轉，提供給系統中的各種控制器，構建電機拖動控制功率放大器，其節點由處理器、射頻芯片、外部FLASH、USB橋接芯片和其他外圍設備組成[5]。假設目標電流為i*s，定子旋轉電流誤差為 |Δi*max|。通過上述系統控制模型，構建電機拖動控制功率放大器，其節點由處理器、射頻芯片、外部FLASH、USB橋接芯片和其它外圍設備組成。調諧放大部分別包括：加法電路、2個移相電路，分別包括電容器或電感器和第一級電阻構成的串聯電路，以及差動輸入放大器。推進系統的差分方放大器電路結構構件包括A/D、D/A、信號處理器（DSP）和復位電路和寬頻帶回波信息感知系統。通過上述系統電路設計，完成了天然氣壓縮機電力拖動推進系統的組成結構分析，并分析了系統工作原理，用以指導控制算法設計。

圖1 天然氣壓縮機電機拖動推進系統結構模型

2 SPIDNN變結構控制理論與雙饋控制算法改進實現

2.1 SPIDNN變結構控制算法設計

通過上述模型分析可見，采用傳統的PID神經元自適應控制方案進行電機拖動推進系統控制，建立模糊控制律，當電機拖動控制電壓驟升時，輸出功率出現差拍諧振，性能不好。針對傳統算法的缺陷，本文提出一種基于SPIDNN滑模控制的天然氣壓縮機電機拖動推進系統雙饋控制算法，首先構建SPIDNN變結構控制模型，選取SPIDNN作為學習網絡，它是一個三層前向神經元網絡，為2×3×1結構，它的輸入層有兩個神經元，接受外部輸入信息；它的隱含層有三個神經元，分別為比例元、積分元和微分元，完成比例、積分和微分運算；它的輸出層只有一個神經元，完成控制規律的綜合和輸出，其結構如圖2所示。

圖2 SPIDNN的結構形式

系統模型中，PIDNN的輸出v（k）就等于輸出層神經元的輸出，即：

v（k）=x''（k） （1）

這里，固定輸入層至隱含層的權值ωij（i=1，2；j=1，2，3），僅調節隱含層至輸出層的權值ω'i（j=1，2，3），記，將網絡的輸入設定為，輸出為不確定參數上界的估計值，則有：

（2）

其中，為隱含層的輸出。在上述SPIDNN控制模型中，采用滑模干擾控制律，對電機拖動推進系統進行雙饋控制，結合使用轉速控制逆變器對電力拖動控制模型進行輸出功率自適應調整，利用離散傅里葉變換計算控制模型中兩相換流平均值為：

（3）

其中，Ep為輸出電壓平均值，rp（k）為電力拖控制模型的有功損耗，yp（k）為兩相換流雙饋的頻率，得到天然氣壓縮機的雙饋控制方程為：

（4）

進一步，在時域上進行平移處理后得到電機模型電勢感應特征信息，使用零階保持器設計控制傳遞函數，為：

（5）

上式中，w'（n0）為n0時刻采樣電流，η'為系統滯后拍SPIDNN模糊控制系數。通過上述控制算法設計，得到了天然氣壓縮機的電機拖動推進系統SPIDNN變結構雙饋控制算法的改進設計。

2.2 電機拖動推進系統雙饋控制系統實現

系統實現中，通用平臺的應用層可以和PC端，手機端進行通訊，可以連接各種控制設備，實現對電機組的在線控制，整個控制系統采用PHP和MySQL實現，數據處理模塊主要用來對無線傳感系統傳回的數據進行處理加工，通過修改配置表即可使用傳感器進行各種應用開發。其中tid代表傳感器節點的編號，date表示數據采集時間。在線控制關鍵代碼為：

LOCAL_PATH：=$（call my-dir）

Include $（CLEAR_VARS）

LOCAL_SRC_FILES：=$（call all-java-files-under， src）

LOCAL_JAVA_LIBRARIES ：= hello_jar

LOCAL_PACKAGE_NAME ：=hello_apk

Include $（BUILD_PACKAGE）

通過電機拖動推進控制系統的設計，以及在線控制平臺實現，提高了天然氣壓縮機電機組的運行性能。

3 仿真實驗與結果分析

為測試本文設計的控制算法和系統的運行性能，進行仿真實驗。基于C++開發平臺，完成電機組控制各子系統與用戶交互，模塊采用USB接口和IEEE 802.15.4通信標準。在物聯網通用平臺中，主機上使用串口網絡調試工具軟件，在遠程IP里面輸入網關的IP，默認為192.168.1.115，組件通過關鍵字Provides和Uses申明對接口使用的方式：Provides表明組件可向外提供接口，仿真測試過程中的其它主要參數設計見表1。

上述實驗環境和參數設定基礎上，進行實驗。采用本文控制算法和傳統PID控制算法進行性能對比，得到不同的算法下對電機組推動推進系統的輸出電壓控制曲線仿真結果，如圖3所示。分析圖3結果可見，采用傳統控制算法，輸出控制曲線具有毛刺和顫抖，由于參數攝動范圍過大（通常情況下要求攝動范圍在±25%以內），將導致系統不穩定。特別是在電機拖動控制電壓驟升時，輸出功率出現差拍諧振，性能不好。本文方案能有效避免傳統方法的缺陷，對參數和隨機干擾沒有嚴格的要求，在其裕度范圍就能保證系統的問題，輸出的電壓平穩平滑，有效保證了天然氣壓縮機電機拖動推進系統的穩定運行。

（a） 傳統PID方法

（b） 本文SPIDNN變結構滑模控制

圖3 控制性能對比

4 結 語

本文提出一種基于SPIDNN滑模控制的天然氣壓縮機電機拖動推進系統雙饋控制算法，構建SPIDNN變結構控制模型，實現對天然氣壓縮機電機拖動推進系統雙饋控制，并仿真實現。研究結果表明，本文設計的控制模型和能有效避免傳統方法的缺陷，控制參數攝動范圍較小，其裕度范圍就能保證系統的問題，輸出的電壓平穩平滑，有效保證了天然氣壓縮機電機拖動推進系統的穩定運行。本文方法在電機控制等領域同樣具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]張毅，盛會平，胡光波.基于相空間重構和K-L變換的壓縮機故障診斷[J].壓縮機技術， 2011（4）： 19-21.

[2]郭曉艷. 油田管道不定衰減水聲信號的仿真分析[J].計算機仿真，2014，31（3）：118-121.

[3]溫陽東， 宋陽， 王穎鑫， 等. 基于模糊神經網絡的電力變壓器故障診斷[J]. 計算機測量與控制， 2013， 21（1）： 39-41.

[4]克智. 基于智能變頻的無線通信基站節能研究[J]. 科技通報， 2012， 28（8）： 62-65.

[5]雷邦軍，費樹岷， 翟軍勇， 等. 靜止無功補償器（SVC）的一種新型非線魯棒自適應控制設計方法[J]. 中國電機工程學報，2013， 33（30）： 65-70.