往复式压缩机无级气量调节系统智能控制方法及其应用研究
往复式压缩机是石油、冶金和化工等行业广泛应用的能耗设备。出于峰值流量考虑，往复式压缩机的设计排气量往往大于生产过程中的实际所需排气量，因此需要对压缩机进行节能改造，以避免不必要的电能浪费。基于部分行程主动顶开进气阀的无级气量调节方法是一种有效的压缩机节能调控的技术，然而这种技术一直被国外的企业所垄断。在无级气量调节系统的国产化开发过程中，还有一些关键问题有待解决。现有的调节方法主要适用于中低转速，当转速过高时系统可能会面临键相信号丢失、执行机构响应不及时、压力出现波动等问题。此外，往复式压缩机气量调节系统为多输入多输出的非线性耦合系统，且含有时滞过程，因此常规的PID控制难以满足精确性、快速性等调控指标，亟需开发出一种更加智能、适用性更强的调控方法。另一个值得关注的问题是往复式压缩机气量调节系统自愈调控方法的研究，系统在长期运转后可能会存在性能下降甚至故障的问题，导致调控失效，特别是作为系统核心部件的电液执行机构的影响最为突出，所以针对执行机构故障问题开展自愈调控方法的研究是十分有必要的。 本文从基于部分行程主动顶开进气阀的往复式压缩机排气量调节原理出发，建立了无级气量调节系统的负荷与流量控制机理模型，在此基础上针对调控过程中存在的转速信号波动等问题开展了研究。接下来针对非线性、强耦合、时滞等问题，利用神经网络、反馈线性化、Pade近似以及逆向解耦等工具提出了相应的调控方案，有效提高了系统调控精度和快稳定性。然后，本文针对系统执行机构故障的问题展开了自愈调控方法研究，为系统长期稳定运行提供保障。最后，在以上无级气量调节方法和自愈调控方法的基础上，设计了一套压缩机气量调节和在线状态监测一体化系统方案，并在实验台验证了方案的可行性和有效性，为系统在工业现场实际应用奠定基础。 本文的主要研究内容如下： 首先，为了提高无级气量调节系统在不同机组的适用范围，对部分行程主动顶开进气阀的气量调节原理进行理论分析，并针对不同工况建立了气调工况下的压缩机气缸热力学特性模型、工作腔动态控制容积模型、缓冲罐动态排气压力模型；考虑到转速波动对调控效果的影响，基于滑动平均滤波算法提出了不稳定转速下的自适应调控方案；提出了变工况下的工作负荷与执行器动作角度关系计算模型。 然后，为了降低各级排气压力之间的耦合影响，通过计算系统的相对增益矩阵对排气压力与各级负荷配对回路的关联程度进行了分析，得到最优的配对方式，据此确定各级排气量的控制变量与被控变量。研究了高维系统的逆向解耦控制方案，与传统的对角解耦方案相比逆向解耦的结构更为简单，适用于更高阶的复杂过程对象。在此基础上，为了简化各级控制器参数的整定过程、降低时滞环节对调控效果的影响，提出了一种基于Pade近似的时滞系统内模PID控制方法。 其次，针对无级气量调节系统在各个负荷段的非线性、进气压力和泄漏系数等部分参数不确定等难点问题，以动态响应能力和鲁棒性为评价指标提出了两种智能控制方案。第一种方案基于BP神经网络提出一种改进的IMC-PID控制方法，利用神经网络的非线性逼近能力，自适应地调节控制器中的唯一参数，补偿气调系统的非线性。第二种方案基于自适应模糊滑模算法，有效解决了一类MIMO非线性系统的部分参数不确定问题。 再者，为了预防电液执行机构性能下降对调控效果的影响，对往复式压缩机气量调节系统自愈技术方法开展研究。首先对系统关键参数进行分析，包括执行机构顶出与撤回位移的影响、电磁阀性能退化的影响；然后进一步对执行机构失效或者性能退化时的自愈调控方案进行探讨，针对不同的故障类型建立对应的自愈方案，保证气量调节系统的高效稳定运行。 最后，基于高转速往复式压缩机无级气量调节基本调控原理，设计了一套无级气量调节和在线状态监测一体化系统，并在此基础上搭建了试验台样机，对系统的硬件和软件部分开展实验研究。通过一套系统在工业现场的实际应用案例说明了本文所提出的压缩机气量调节方法的有效性。
往复式压缩机;气量调节;智能控制;无级气量调节
北京化工大学
博士
控制科学与工程
高金吉;江志农
2022
中文
TH457
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）