基于模糊控制的調壓系統設計

譚小路,譚程

(1. 中石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000；2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100089)

基于模糊控制的調壓系統設計

譚小路1,譚程2

(1. 中石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000；2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100089)

針對川氣東送輸氣站場傳統調壓系統輸出壓力波動大、響應時間慢和易超調等現象，以某輸氣站為試點，采用PLC工控編程軟件開發出基于模糊控制算法的調壓系統，實現對供氣壓力更快速精準的控制。試驗結果表明： 采用模糊控制后，系統在恒定壓力、響應時間和超調量等方面取得了較好的控制性能。

輸氣管道 模糊控制 可編程控制器 響應時間

在川氣東送天然氣長輸管道沿線各分輸站場都安裝有成套調壓撬設備，主要作用是通過三級調壓操作[1-4]將干線高壓天然氣降壓至需求值，以滿足下游門站的供氣需求。傳統的調壓系統采用PID控制[5]進行調節，由于用氣結構受天氣和季節的影響，下游天然氣管網壓力波動頻繁，PID控制器適應性差、響應慢和控制慣性大等缺點越來越明顯，導致調壓設備PV閥門動作頻繁，輸出壓力波動大，甚至可能觸發調壓系統緊急停車(ESD),影響了輸氣站場的正常生產運行。因此，設計了基于模糊控制的調壓系統，通過加入模糊控制器，確保在實時控制過程中，把復雜的控制過程轉換成簡單的查找模糊控制規則表的過程，保證壓力調節平穩快速，保障了輸氣站場生產輸氣任務。

1 系統硬件組成

調壓系統主要由站控機、可編程控制器(PLC)、調壓撬和壓力傳感器組成。調壓撬出口壓力為測量信號，經過A/D模塊轉換送入PLC。PLC根據設定邏輯對壓力信號進行處理，同時將結果經過D/A模塊轉換成4～20 mA電流信號，調節調壓撬PV調壓閥的開度，如圖1所示。

圖1 調壓系統硬件結構示意

2 模糊控制設計

2.1 控制方案

為提高控制精度和響應速度，某輸氣站調壓系統新設計的模糊控制采用雙輸入-單輸出[6-8]的方式。2個輸入量分別為壓力偏差e和偏差率ec，輸出u為PV閥閥位變化量，控制系統結構如圖2所示。

1) 調壓系統壓力偏差e：

e(n)=pn-SP

(1)

圖2 模糊控制流程示意

(2)

式中：pn——在第n個測量周期調壓撬出口實測值；SP——調壓出口設定值；e(n)，e(n-1)——偏差e的當前值和前一個采樣值。

2) 調壓系統輸出閥位變化量u： 該系統將閥位的變化量u作為輸出，系統根據e和ec進行判斷，確定u的大小值，保障壓力穩定。

2.2 模糊控制算法

根據該輸氣站長期運行數據和人為經驗，將e的論域設定為[-0.5, 0.5]，采樣周期為30 ms，管線壓力在此周期內變化不大，因而將ec的論域設定為[-0.05, 0.05]。按照模糊控制設計原理將模糊量E和EC的離散論域設為{-3， -2， -1, 0, 1, 2, 3}，則K1=E/e=(3+3)/(0.5+0.5)=6，K2=EC/ec=(3+3)/(0.05+0.05)=60。

根據已知的比例因子，將連續變量e和ec經過以下計算公式轉化成離散量E和EC：

(3)

EC=〈60×(ec-0.05)〉

(4)

式中： 〈〉——取整運算。

控制系統選擇對稱、均勻分布的三角形隸屬函數作為輸入、輸出量的隸屬函數。輸入變量E，EC和控制變量U各有7個模糊集： {NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。根據乘積推理的模糊控制規則表，見表1所列。

由于該次控制采用三角形隸屬函數，考慮理論計算的精確性與編程實現的簡潔性，采用模糊控制系統中應用較為廣泛的加權平均法[9]進行解模糊得到精確量u,最終生成該系統模糊控制的查詢表，見表2所列。

表1 模糊控制規則表

表2 模糊控制器查詢表

3 實驗仿真

將設計完成的模糊控制系統進行模擬仿真[10]實驗，調壓系統出口壓力設定為4.2 MPa。PV閥動作軌跡如圖3所示。由圖3可知，當系統在10 min后，將壓力設定值改為4.0 MPa，系統響應快速，PV閥門立刻開始關閥操作，大約經過5 min系統重新達到穩態，而PV閥門開度上下波動幅度在2%左右，調壓撬出口壓力值PV與設定值SP相符。這說明新控制系統響應迅速、穩定性高且抗干擾性強，因而可以確定該控制系統工作良好，能滿足生產要求。

圖3 PV閥動作軌跡

4 結 論

該次研究課題中提出的模糊控制方法響應快、調節平穩，能在復雜的輸氣工況情況下，得到較為滿意的控制效果，解決了調壓撬恒壓控制的問題。通過基于模糊控制的調壓系統的作用，保障了輸氣站場在日后應對復雜的輸氣環境和下游用氣結構波動頻繁時能夠平穩安全將低壓天然氣輸送至各個用氣單位。

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Design of Pressure Regulating System Based on Fuzzy Control

Tan Xiaolu1, Tan Cheng2

(1. Sinopec Sichuan to Eastern China Gas Transmission Pipeline Co.Ltd.,Wuhan, 430000, China; 2. Aerospace Control Instrument Research Laboratory, Beijing, 100089, China)

s： Aiming at the problem of big output pressure fluctuation, slow response, easy to overshoot for traditional pressure regulation system in Sichuan to Eastern China Gas Transportation station, pressure regulation system based on fuzzy control algorithm is developed using programmable logic controller with one transportation gas station as experimental unit. Faster and more accurate control are realized for supplied gas. The test result indicates better control performance is achieved on aspects of stabilizing pressure, response time and overshoot adjustment for the system after adopting fuzzy control.

gas transportation pipeline; fuzzy control; programmable logic controller; response time

譚小路(1989—)，男，湖北武漢人，2011年畢業于中國石油大學(北京)自動化專業，獲學士學位，現就職于中石化川氣東送天然氣管道有限公司，從事天然氣自動化設計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)04-0026-02

稿件收到日期： 2017-03-22，修改稿收到日期： 2017-06-27。