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离心压缩机综合控制方法研究

王传鑫  
【摘要】: 离心压缩机是石油化工和化工生产过程中应用最广泛的压缩机。以节能降耗、提高产品质量为目标,应用先进的控制理论和方法对离心压缩机进行综合控制是控制理论研究及其与实际应用相结合的新挑战。 本文在深入研究了离心压缩机的工作原理和特性的基础上,针对当前离心压缩机控制中存在的一系列问题,提出了系统的解决方案: (1)针对离心压缩机建模中存在的精度低、建模过程复杂、参数无法直接测量的问题,提出了离心压缩机的最小二乘支持向量回归机(LS-SVR)建模方法。模型形式选为NNARMAX回归模型;为了降低建模难度,将离心压缩机的二入二出模型根据控制需要转换为质量流量和出口压力的二入单出模型。仿真结果表明,离心压缩机的LS-SVR模型不但具有很好的动态特性,而且与机理建模以及Greitzer建模方法相比,具有模型结构简单、建模方便、精度高、易修正等优点。 (2)针对离心压缩机防喘振控制中控制线距离喘振线过远导致离心压缩机运行效率低的问题,提出了离心压缩机防喘振非线性模型预测控制策略。基于预测模型的预测作用,提前判断工作点是否越过控制线,减小了执行器调节时间对防喘振控制动作的影响,因此可以有效缩短控制线和喘振线之间的距离,提高离心压缩机的运行效率;将防喘振条件分别加入到期望轨迹和滚动优化算法的限制条件中,达到防喘振的目的。仿真结果表明,离心压缩机防喘振非线性模型预测控制策略可以在减小喘振线和控制线之间距离的同时有效避免喘振。 (3)针对离心压缩机质量流量控制和出口压力控制中,由于没有考虑离心压缩机固有的特性,两个控制器在调节过程中相互影响,从而导致离心压缩机工作点不稳定的问题,提出了离心压缩机流量、压力协调控制策略。通过增加轨迹调整模块令偏差信号不直接输入控制器,而是经由轨迹调整模块根据工作点变化情况计算质量流量和出口压力的期望轨迹,再将其作为设定值分别输入控制器,从而使质量流量和出口压力按期望轨迹平稳变化;根据驱动器和出口节流阀的调节时间选择合适的参考时间,确保两个执行器同步消除误差。实验结果表明,离心压缩机流量、压力协调控制策略能够在离心压缩机的工作点调节过程中保证其平稳变化,从而有效减小了工作点调节过程以及干扰对化工生产过程的影响,尤其当工作点距离喘振线过近时,能够有效避免喘振的发生。 (4)针对离心压缩机振动故障诊断中由于检测信号中含有噪声导致诊断结果不准确的问题,提出了基于蚁群算法的小波降噪双阈值优选方法。根据噪声的小波系数的分布特点确定了合理的寻优区间;根据信号和噪声的小波系数的自相关系数的不同特点确定了优化目标函数;利用蚁群算法在寻优区间内搜索最优上下阈值。结合小波降噪技术,以幅值谱中关键频率处的幅值为特征向量,基于BP(Back Propagation)神经网络设计了离心压缩机振动故障诊断系统,实现了离心压缩机故障的在线诊断。仿真和实际应用结果表明,基于蚁群算法的小波降噪双阈值优选方法能够选择最优降噪阈值,有效去除噪声;结合小波降噪技术的离心压缩机振动故障诊断系统能够快速、准确地提取、辨识故障特征。 (5)在分析离心压缩机工作原理和特性的基础上,提出了离心压缩机综合控制系统的整体设计方案。采用工控机(IPC)+可编程逻辑控制器(PLC)+现场总线I/O模块的结构,利用以太网、工业以太网、现场总线等网络技术,组成五层分布式控制系统,实现了离心压缩机工作过程的综合控制,保证了生产过程稳定、安全进行,并有效提高了离心压缩机的运行效率,工业现场的实际应用结果验证了该设计方案的有效性。


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