天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制仿真

王學(xué)軍++陳星瑋++張毅

摘 要：天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)是整個壓縮機(jī)電氣控制的核心，通過對電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)的雙饋控制實現(xiàn)壓縮機(jī)的穩(wěn)定運行。提出一種基于SPIDNN變結(jié)構(gòu)理論和滑模控制律的天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制算法。構(gòu)建天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計電機(jī)拖動控制功率放大器。采用滑模干擾控制律，對電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行雙饋控制。物聯(lián)網(wǎng)通用平臺中進(jìn)行仿真實驗，結(jié)果表明，該控制算法和系統(tǒng)能高品質(zhì)實現(xiàn)天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)控制，控制精度較高，參數(shù)和隨機(jī)干擾沒有嚴(yán)格的要求，在其裕度范圍就能保證系統(tǒng)工作，輸出的電壓平穩(wěn)平滑，有效保證了天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：天然氣壓縮機(jī)；電機(jī)；雙饋控制；PID神經(jīng)系統(tǒng)

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

0 引 言

天然氣壓縮機(jī)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(jī)械，通過電機(jī)運轉(zhuǎn)帶動活塞對其進(jìn)行壓縮后，提升天然氣運輸過程中的壓力。

壓縮機(jī)按其原理可分為容積型壓縮機(jī)與速度型壓縮機(jī)[1]。研究天然氣壓縮機(jī)的電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)控制理論，具有積極重要的意義，相關(guān)的電機(jī)控制算法研究也受到廣大專家的重視[2]。天然氣壓縮機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，其電力拖動推進(jìn)系統(tǒng)是一種多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)，其在運行過程中，受外電場環(huán)境作用下，呈現(xiàn)一種時變非線性特征，傳統(tǒng)的控制算法難以實現(xiàn)對電機(jī)拖動系統(tǒng)的有效控制。本文提出一種基于SPIDNN滑?？刂频奶烊粴鈮嚎s機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制算法[3]。論文首先建立電力拖動推進(jìn)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)模型，分析控制性能，進(jìn)行控制算法改進(jìn)設(shè)計，最后通過仿真實驗進(jìn)行性能驗證，展示了本文設(shè)計的控制系統(tǒng)和算法的優(yōu)越性能。

1 壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制性能分析

在分析電力拖動控制模型和控制算法設(shè)計之前，首先分析天然氣壓縮機(jī)的電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)果模型，為分析控制算法提供模型基礎(chǔ)。電力拖動系統(tǒng)主要是電動機(jī)、中頻發(fā)電機(jī)、拖動電機(jī)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)子整流器、直流變換器和系統(tǒng)終端設(shè)備組成[4]。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1所示中，中頻發(fā)電機(jī)的電能驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，提供給系統(tǒng)中的各種控制器，構(gòu)建電機(jī)拖動控制功率放大器，其節(jié)點由處理器、射頻芯片、外部FLASH、USB橋接芯片和其他外圍設(shè)備組成[5]。假設(shè)目標(biāo)電流為i*s，定子旋轉(zhuǎn)電流誤差為 |Δi*max|。通過上述系統(tǒng)控制模型，構(gòu)建電機(jī)拖動控制功率放大器，其節(jié)點由處理器、射頻芯片、外部FLASH、USB橋接芯片和其它外圍設(shè)備組成。調(diào)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(gòu)成的串聯(lián)電路，以及差動輸入放大器。推進(jìn)系統(tǒng)的差分方放大器電路結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括A/D、D/A、信號處理器（DSP）和復(fù)位電路和寬頻帶回波信息感知系統(tǒng)。通過上述系統(tǒng)電路設(shè)計，完成了天然氣壓縮機(jī)電力拖動推進(jìn)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)分析，并分析了系統(tǒng)工作原理，用以指導(dǎo)控制算法設(shè)計。

圖1 天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2 SPIDNN變結(jié)構(gòu)控制理論與雙饋控制算法改進(jìn)實現(xiàn)

2.1 SPIDNN變結(jié)構(gòu)控制算法設(shè)計

通過上述模型分析可見，采用傳統(tǒng)的PID神經(jīng)元自適應(yīng)控制方案進(jìn)行電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)控制，建立模糊控制律，當(dāng)電機(jī)拖動控制電壓驟升時，輸出功率出現(xiàn)差拍諧振，性能不好。針對傳統(tǒng)算法的缺陷，本文提出一種基于SPIDNN滑?？刂频奶烊粴鈮嚎s機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制算法，首先構(gòu)建SPIDNN變結(jié)構(gòu)控制模型，選取SPIDNN作為學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，它是一個三層前向神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，為2×3×1結(jié)構(gòu)，它的輸入層有兩個神經(jīng)元，接受外部輸入信息；它的隱含層有三個神經(jīng)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(jīng)元，完成控制規(guī)律的綜合和輸出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SPIDNN的結(jié)構(gòu)形式

系統(tǒng)模型中，PIDNN的輸出v（k）就等于輸出層神經(jīng)元的輸出，即：

v（k）=x''（k） （1）

這里，固定輸入層至隱含層的權(quán)值ωij（i=1，2；j=1，2，3），僅調(diào)節(jié)隱含層至輸出層的權(quán)值ω'i（j=1，2，3），記，將網(wǎng)絡(luò)的輸入設(shè)定為，輸出為不確定參數(shù)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(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行雙饋控制，結(jié)合使用轉(zhuǎn)速控制逆變器對電力拖動控制模型進(jìn)行輸出功率自適應(yīng)調(diào)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(jī)的雙饋控制方程為：

（4）

進(jìn)一步，在時域上進(jìn)行平移處理后得到電機(jī)模型電勢感應(yīng)特征信息，使用零階保持器設(shè)計控制傳遞函數(shù)，為：

（5）

上式中，w'（n0）為n0時刻采樣電流，η'為系統(tǒng)滯后拍SPIDNN模糊控制系數(shù)。通過上述控制算法設(shè)計，得到了天然氣壓縮機(jī)的電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)SPIDNN變結(jié)構(gòu)雙饋控制算法的改進(jìn)設(shè)計。

2.2 電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)中，通用平臺的應(yīng)用層可以和PC端，手機(jī)端進(jìn)行通訊，可以連接各種控制設(shè)備，實現(xiàn)對電機(jī)組的在線控制，整個控制系統(tǒng)采用PHP和MySQL實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理模塊主要用來對無線傳感系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工，通過修改配置表即可使用傳感器進(jìn)行各種應(yīng)用開發(fā)。其中tid代表傳感器節(jié)點的編號，date表示數(shù)據(jù)采集時間。在線控制關(guān)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(jī)拖動推進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計，以及在線控制平臺實現(xiàn)，提高了天然氣壓縮機(jī)電機(jī)組的運行性能。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為測試本文設(shè)計的控制算法和系統(tǒng)的運行性能，進(jìn)行仿真實驗?；贑++開發(fā)平臺，完成電機(jī)組控制各子系統(tǒng)與用戶交互，模塊采用USB接口和IEEE 802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)。在物聯(lián)網(wǎng)通用平臺中，主機(jī)上使用串口網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具軟件，在遠(yuǎn)程IP里面輸入網(wǎng)關(guān)的IP，默認(rèn)為192.168.1.115，組件通過關(guān)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(shù)設(shè)計見表1。

上述實驗環(huán)境和參數(shù)設(shè)定基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗。采用本文控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行性能對比，得到不同的算法下對電機(jī)組推動推進(jìn)系統(tǒng)的輸出電壓控制曲線仿真結(jié)果，如圖3所示。分析圖3結(jié)果可見，采用傳統(tǒng)控制算法，輸出控制曲線具有毛刺和顫抖，由于參數(shù)攝動范圍過大（通常情況下要求攝動范圍在±25%以內(nèi)），將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。特別是在電機(jī)拖動控制電壓驟升時，輸出功率出現(xiàn)差拍諧振，性能不好。本文方案能有效避免傳統(tǒng)方法的缺陷，對參數(shù)和隨機(jī)干擾沒有嚴(yán)格的要求，在其裕度范圍就能保證系統(tǒng)的問題，輸出的電壓平穩(wěn)平滑，有效保證了天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（a） 傳統(tǒng)PID方法

（b） 本文SPIDNN變結(jié)構(gòu)滑?？刂?/p>

圖3 控制性能對比

4 結(jié) 語

本文提出一種基于SPIDNN滑?？刂频奶烊粴鈮嚎s機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制算法，構(gòu)建SPIDNN變結(jié)構(gòu)控制模型，實現(xiàn)對天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)雙饋控制，并仿真實現(xiàn)。研究結(jié)果表明，本文設(shè)計的控制模型和能有效避免傳統(tǒng)方法的缺陷，控制參數(shù)攝動范圍較小，其裕度范圍就能保證系統(tǒng)的問題，輸出的電壓平穩(wěn)平滑，有效保證了天然氣壓縮機(jī)電機(jī)拖動推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文方法在電機(jī)控制等領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。

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