基于改進射線法和決策樹的壓縮機排氣溫度控制系統(tǒng)

曾華鵬，劉 通，周曦國，湯 莉，王 鵬

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津300350；2.天津師范大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，天津300387；3.天津財經(jīng)大學(xué)理工學(xué)院，天津300222）

渦旋壓縮機是一種通過容積變化來實現(xiàn)氣體壓縮的流體機械，相對于往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式壓縮機，這種新型氣體壓縮機械具有體積小、重量輕、振動小等特點[1]，其壓縮部件由動渦旋盤和靜渦旋盤組成[2].在壓縮機工作過程中，排氣管排出高溫高壓的氣液混合物.在某些異常情況下，如排氣管溫度超過一定的上限值，意味著壓縮機內(nèi)部過熱，會導(dǎo)致機械構(gòu)件變形、潤滑油碳化，嚴重時會造成壓縮機燒毀或爆炸等后果[3].目前，壓縮機排氣溫度控制通常采用開關(guān)控制和固定PI 參數(shù)控制等方法[4-5]，這些方法因控制策略比較單一，不夠智能、靈活，使得壓縮機效率無法在各種工況下達到最優(yōu).

針對上述問題，本文提出了一種基于改進射線法和決策樹的壓縮機排氣溫度控制系統(tǒng).根據(jù)壓縮機運行范圍圖，按照工況細分運行區(qū)域，采用改進射線法進一步優(yōu)化運行區(qū)域，并結(jié)合采集的溫度參數(shù)信息進行定位，再通過決策樹選擇相應(yīng)的控制策略，以提高系統(tǒng)的控制效率和安全性.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)為標準的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole architecture of system

位于感知層的控制器基于STM32 實現(xiàn)，控制器根據(jù)存儲于參數(shù)列表中的運行范圍，通過采集蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，結(jié)合射線法定位當前工況，進而選擇相應(yīng)的控制策略.利用采集的排氣溫度可對壓縮機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并檢驗控制效果，同時，感知層將采集到的關(guān)鍵信息通過Modbus 發(fā)送至服務(wù)器端.

位于網(wǎng)絡(luò)層的JACE8000 是Tridium 公司開發(fā)的一款新型的多協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它可在相關(guān)設(shè)備和Internet之間建立雙向通信，實時進行設(shè)備信息傳輸并控制智能設(shè)備[6]. 本系統(tǒng)中的JACE8000 負責進行TCP/IP 和Modbus 之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換.

應(yīng)用層的服務(wù)器端程序采用Baja 標準的Niagara平臺，它是一種功能豐富的通用系統(tǒng)集成式平臺[7].

2 系統(tǒng)硬件

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6 單片機，它具有豐富的外設(shè)功能和數(shù)據(jù)處理能力[8-9]. 系統(tǒng)硬件主要包括供電電路模塊、溫度采樣電路模塊、步進電機驅(qū)動電路模塊、繼電器控制電路模塊和通訊模塊.供電電路模塊負責將輸入的110/220 V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡o單片機、步進電機和繼電器供電；溫度采樣電路模塊將溫度傳感器PT1000 輸出的電阻信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的電壓信號；步進電機驅(qū)動電路模塊負責驅(qū)動步進電機以一定的步數(shù)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制噴液閥的開大或關(guān)?。焕^電器控制電路模塊用來驅(qū)動繼電器的吸合或斷開；通訊模塊負責基于串口的通訊.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of system

2.2 溫度采樣電路設(shè)計

溫度采樣電路原理如圖3 所示.為提高溫度采樣電路的精度，選用FSA4157P6X 模擬開關(guān)芯片，當SEL 端為低電平時，B0 和A 連通；當SEL 端為高電平時，B1 和A 連通.

圖3 溫度采樣電路原理Fig.3 Schematic of temperature sampling circuit

B1 端連接一個1 kΩ 的高精度電阻（因PT1000在0 ℃時對應(yīng)1 kΩ）.利用STM32 控制SEL 端，周期性地對采樣電路進行校準.

2.3 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計

繼電器驅(qū)動電路原理如圖4 所示.基于STM32 控制的繼電器驅(qū)動電路可以通過控制繼電器的開合而控制供電回路的開關(guān). 當壓縮機處于異常工作狀態(tài)時，需要及時切斷系統(tǒng)的供電回路.系統(tǒng)采用單片機的兩路I/O 冗余輸出對繼電器進行控制，僅當兩路I/O（Q2_ENA、Q4_ENA）的輸出同時為高電平時，繼電器吸合，否則斷開，冗余設(shè)計可以盡可能避免由于單路故障而無法切斷系統(tǒng)供電回路的情況發(fā)生，進而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

2.4 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計

步進電機驅(qū)動電路原理如圖5 所示.

圖4 繼電器驅(qū)動電路原理Fig.4 Schematic of relay control circuit

圖5 步進電機驅(qū)動電路原理Fig.5 Schematic of stepper motor drive circuit

當壓縮機溫度過高時，可打開噴液閥，將制冷劑噴入壓縮機降溫. 系統(tǒng)利用DRV8824 芯片控制步進電機按一定的步數(shù)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)[10]，從而控制噴液閥的開度.

2.5 RS485 通訊電路設(shè)計

RS485 通訊電路基于TD301D485 實現(xiàn)，其電路原理如圖6 所示.TD301D485 是集成電源隔離、電氣隔離、RS485 接口和總線保護器件于一體的RS485 接口隔離模塊.當CON 端為低電平時，處于發(fā)送狀態(tài)；當CON 為高電平時，處于接收狀態(tài).

圖6 RS485 通訊電路原理Fig.6 Schematic of RS485 communication circuit

3 系統(tǒng)軟件

3.1 壓縮機運行范圍圖

壓縮機的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度通常指忽略了壓縮機與蒸發(fā)器以及壓縮機與冷凝器之間的壓損，對吸氣飽和溫度和排氣飽和溫度的簡稱[11].以蒸發(fā)溫度為橫坐標、冷凝溫度為縱坐標，壓縮機運行范圍圖如圖7所示，根據(jù)壓縮機的結(jié)構(gòu)特點，運行范圍分為正常、報警和危險3個級別共6個區(qū)域，其中區(qū)域1 為正常區(qū)域，區(qū)域4 為危險區(qū)域，其他區(qū)域為報警區(qū)域.報警區(qū)域中，區(qū)域2.1 對應(yīng)“低吸氣壓力工況”，區(qū)域2.2對應(yīng)“高壓縮比工況”，區(qū)域2.3 對應(yīng)“低壓差工況”.利用實時采集的蒸發(fā)和冷凝溫度，可在坐標系中確定當前工況點，再結(jié)合射線法判定該點所屬區(qū)域，從而根據(jù)不同工況精準選擇控制策略.

圖7 壓縮機運行范圍圖Fig.7 Compressor envelop map

3.2 射線法

射線法是一種圖形學(xué)算法，用來解決點與多邊形的關(guān)系.其原理是由點P 引一條水平射線，計算水平射線與多邊形邊的交點個數(shù)，利用交點個數(shù)的奇偶性判斷點P 與多邊形的位置關(guān)系[12-13]. 射線與多邊形的位置關(guān)系分為6 種情況，如圖8（a）～（f）所示.圖8（a）～（d）為一般情況，利用射線與多邊形邊的交點個數(shù)容易判斷點P 與多邊形的位置關(guān)系；圖8（e）和（f）為特殊情況，需要特殊處理，對于圖8（e），多邊形在邊的頂點處和射線相交，如果該頂點是其所屬邊上縱坐標較大的頂點，則計交點數(shù)，否則不計，對于圖8（f）射線與多邊形的邊重合的情況，則不做考慮[14].

壓縮機運行范圍圖（圖7）的區(qū)域4 為危險區(qū)域，當溫度點位于該區(qū)域時須要立即停機，為提高判斷效率，模型確定了覆蓋另外5個區(qū)域的最小長方形（稱為外接長方形），若溫度點不在該長方形內(nèi)，則可以直接判定落在區(qū)域4.本文射線法流程如圖9 所示.

圖8 射線法原理Fig.8 Principle of ray method

圖9 射線法流程Fig.9 Flow chart of ray method

3.3 決策樹算法

決策樹算法具有結(jié)構(gòu)簡單、可解釋性強等特點，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、金融及電力系統(tǒng)決策分析等領(lǐng)域[15].基于決策樹構(gòu)建控制算法模型，要求盡可能快速判斷出當前工況點所在區(qū)域.當工況點由一個區(qū)域向另一個區(qū)域遷移時，可實現(xiàn)更加平穩(wěn)的控制效果，同時當一些危險情況出現(xiàn)并持續(xù)一定時間時，可盡快采取保護措施.模型采用ID3 算法，基于信息增益構(gòu)建決策樹模型，信息增益公式為

其中：Gain 為節(jié)點的復(fù)雜度，是歷史數(shù)據(jù)的信息熵；信息增益Info_Gain 為分裂前的數(shù)據(jù)復(fù)雜度減去子節(jié)點的數(shù)據(jù)復(fù)雜度Gaini的和.信息增益越大，分裂后的復(fù)雜度減小得越多，分類的效果越明顯.以運行范圍區(qū)域和是否超時為屬性，分別計算其信息增益，區(qū)域?qū)傩缘男畔⒃鲆嬖O(shè)定為0.33，超時屬性的信息增益設(shè)定為0.35.決策樹模型的結(jié)構(gòu)如圖10 所示.

圖10 決策樹模型Fig.10 Model of decision tree

4 測試結(jié)果與分析

在進行系統(tǒng)測試前，采用MATLAB 進行射線法算法的仿真，以驗證射線法程序的有效性，仿真圖如圖11 所示.仿真結(jié)果顯示該算法能夠準確判斷當前點所在區(qū)域.

圖11 射線法的MATLAB 仿真Fig.11 MATLAB simulation of ray method

排氣溫度的控制效果測試在試驗臺進行，試驗臺實景如圖12 所示.

將溫度期望值設(shè)為121 ℃，通過RS485 實時讀取當前的排氣溫度值和噴液閥的開度值. 控制效果評價包括控制精度、魯棒性和控制速度.在PC 端程序中繪制的控制曲線如圖13 所示.由圖13 可見，在系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，排氣溫度可以控制在設(shè)定值±2 ℃內(nèi)，滿足精度要求.同時，在工況切換時（6654 s～6954 s），排氣溫度開始下降，噴液閥相應(yīng)快速減小開度至0，之后重新打開，排氣溫度隨之經(jīng)短暫波動后又維持在設(shè)定值121 ℃附近，滿足魯棒性和控制速度方面的要求.

圖12 測試實景圖Fig.12 Test real map

圖13 控制曲線Fig.13 Control curve

5 結(jié)論

本文提出了一種基于改進射線法和決策樹的壓縮機排氣溫度控制方法.利用壓縮機運行范圍圖的分區(qū)，通過射線法判斷當前點的位置，針對不同區(qū)域采取不同的控制策略，測試結(jié)果表明，當在不同區(qū)域之間進行切換時，該方法依然能夠保證控制的精度和速度.另外，采用決策樹算法，可為以后進行更復(fù)雜的檢測與控制打下基礎(chǔ).