專利名稱：：空壓機控制系統的預測調壓方法
技術領域：
：本發明涉及一種壓縮機節能與自動控制技術
背景技術：
：在實際運行中，當空壓機低負荷運行時，儲氣罐內壓力上升達到設定壓力時，需要調節管網壓力，現有技術應用最廣泛的主要有三種第一種是空壓機自動卸載技術，它使空壓機主電機與壓縮部分自動脫離，因此此時空壓機不產生壓縮氣體，電動機處于空載運轉，其耗電量大約為電機額定運行的10%左右，這部分的電能實際被無償消耗掉了。第二種是空壓機超壓聯鎖啟停電氣控制技術，這種技術在負荷變化較大且儲氣罐容量較小的情況下，將會引起電動機的頻繁啟停。由于空壓機的空載啟動電流大約是額定電流的57倍，對電網及其它用電設備沖擊較大，電能消耗較大，同時，空壓機的電機使用壽命也會縮短。第三種是采用恒壓變頻控制技術，保證單臺空壓機的出口壓力為恒定值，自動調節電機的輸出功率。在管網中有不同壓力等級的情況下，空壓機的產氣壓力不能隨著用氣負荷的要求變化而自動進行調節，現有方法往往采用提高整條管路的壓力等級，采用減壓裝置供給低壓用氣設備，從而造成能源浪費。
發明內容本發明是要提供一種空壓機控制系統的預測調壓方法，該預測調壓方法是自動檢測各用氣點的用氣時間、用氣壓力和用氣流量通過預測調壓方法獲得空壓機運行狀態與調壓設定值，達到空壓站管網壓力平衡調節，同時有效避免出現空壓機卸載操作和管路放空操作，達到節能的控制目的。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種空壓機控制系統的預測調壓方法，包括以下步驟1.預測空壓機控制系統未來的輸出狀態采用基于脈沖響應的非參數模型作為內部模型，即壓縮空氣供應系統滿足約束條件下使供氣最大化和用電最小化的中長期調度模型的目標函數為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>為供氣s標函數；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>用電目標函數；Qn為第n時段管網總產氣量和；為第n時段管網總用氣量；Pn為第n時段管網的用電量；壓縮空氣管網壓力約束條件P邁in(n)《P(n)《P邁ax(n)Pmin(n)是指管網最低壓力，可作為啟動備機的條件之一；Pmax(n)是指最高壓力，可作為啟動調節空壓機出氣壓力手段的條件之一；管網用電量的約束條件『gmin(")《^(")^^max(")W-n(n)是指對應于平均單耗達標的供電量；W,x(n)是指對應于電網計劃的最大供電量；管網對空壓機產氣量限制的約束條件0^(")sQ^in(n)是指管網最低氣量，由用戶各用氣點用氣最低要求的最小供氣量；Q,x(n)是指管網中正常開機(不含備用空壓機)時的最大供氣量；用過去和未來的壓力輸入輸出信息，根據內部模型，預測系統未來的壓力輸出狀態；2.計算當前時刻應加于系統的控制動作用模型輸出誤差進行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優化，然后再計算當前時刻應加于系統的控制動作，完成整個控制循環。應用二次型性能指標進行滾動優化計算優化算法步驟(4)適應度Ei(Xj)計算；(5)交叉概率Pc和變異概率Pm計算；(6)最優解保存。本發明的益效果是本發明采用預測控制算法基于預測控制理論的模型算法控制(MAC)由4個基本模塊組成主要包括內部模型、反饋校正、滾動優化計算和參考輸入軌跡等幾部分。它采用基于脈沖響應的非參數模型作為內部模型，用過去和未來的壓力輸入輸出信息，根據內部模型，預測系統未來的壓力輸出狀態，經過用模型輸出誤差進行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優化，然后再計算當前時刻應加于系統的控制動作，完成整個控制循環。該預測調壓方法是自動檢測各用氣點的用氣時間、用氣壓力和用氣流量通過預測調壓方法獲得空壓機運行狀態與調壓設定值，達到空壓站管網壓力平衡調節，同時有效避免出現空壓機卸載操作和管路放空操作，達到節能的控制目的。圖1是空壓機預測調壓控制系統組成模塊示意圖；圖2是預測控制器的組成模塊示意圖；圖3是滾動優化計算模塊的算法描述框圖；圖4是預測調壓控制系統實施前后的壓力變化示意圖，其中a是實施前的，b是實施后的。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。本發明的空壓機控制系統的預測調壓方法，包括(1)采用基于脈沖響應的非參數模型作為內部模型，預測空壓機控制系統未來的輸出狀態；(2)用模型輸出誤差進行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優化，然后再計算當前時刻應加于系統的控制動作，完成整個控制循環。本發明的核心技術是控制系統根據遺傳算法每代產生大量可行解和隱含的并行性這一特點設計一種決策優化方法，基于排序的表現矩陣測度可行解，對所有目標總體表現好壞的向量進行比較。另外引入個體適應度定標保持種群的多樣性，采用自適應變化的方式確定交叉和變異概率，通過一次計算即可得到問題的非劣解集，簡化多目標問題的優化求解步驟。具體方法描述如下1、壓縮空氣供應系統滿足約束條件下使供氣最大化和用電最小化的中長期調度模型的目標函數為<^1式中Ffe",^J-f]F"fe",^J為供氣目標函數；『(a，？")二i;,fen，戶")為用電目標函數；Qn為第n時段管網總產氣量和；為第n時段管網總用氣量；Pn為第n時段管網的用電量；壓縮空氣管網壓力約束條件描述如下P邁in(n)《P(n)《Pmax(n)Pmin(n)是指管網最低壓力，可作為啟動備機的條件之一；Pmax(n)是指最高壓力，可作為啟動調節空壓機出氣壓力手段的條件之一；管網用電量的約束條件『gffijn(")^『g(")S『gmax(")W-n(n)是指對應于平均單耗達標的供電量；W,x(n)是指對應于電網計劃的最大供電量；管網對空壓機產氣量限制的約束條件amin(")《2鵬(")Q-n(n)是指管網最低氣量，由用戶各用氣點用氣最低要求的最小供氣量；Q,x(n)是指管網中正常開機(不含備用空壓機)時的最大供氣量；上述約束條件為優化算法確定了適度范圍。優化算法以壓縮空氣管網時段平均壓力值序列構造染色體，對某個管網壓力所代表的個體產生變異后，加入染色體序列，同時在適度范圍內采取隨機取值的辦法。在單個空壓機個體的計算中，首先滿足保證用氣點的壓力和流量，在對剩余氣量在避免放空操作的前提下，隨機分配到管網中的其他儲氣罐和供氣支路，并由此調節單體的供氣流量。當出現不能滿足保證用氣點的壓力和流量的個體，引入懲罰和淘汰機制。個體中各基因可以由各時段的壓力值表征，利用上述約束條件，驗證管網壓力序列的合理性，排除不符合最低要求的個體。采用多目標優化算法的初始條件包括個體種群數量，初始交叉概率，變異概率，非劣解集數量以及進化的級數，由此得到非劣解集的結果。調度中心的決策支持來源于優化調度控制策略軟件包，軟件包基于客戶機/服務器模式，其核心是多目標優化計算模塊。管網中的所有空壓機及其附屬可控設備受控于調度中心，優化調度控制策略軟件包的輸入是全管網的運行信息，輸出包括調節壓力給定值、閥門開度和運行時間及狀態等等具有決策性質的控制信息。計算優化算法的主要步驟有適應度Ei(Xj)計算、交叉概率P。和變異概率Pm計算、最優解保存策略。優化算法的最終結果為壓縮空氣管網優化條件下的最小用電量與最大產氣量的非劣解關系，用于指導管網中的空壓機及其輔助設備的運行狀態和出力的自動控制，達到經濟合理運行的節能目的。本發明的空壓機預測調壓控制裝置的組成(圖1)1)"管網工藝數據采集模塊"完成包括各用氣點的用氣時間、用氣壓力、用氣流量等工藝需求信息的在線數據采集和格式處理功能，基于數據融合理論生成的數據矩陣信息群作為"預測控制器"模塊的輸入。2)"PID調節器"是控制系統穩定的基礎。"預測控制器"的輸出是給定調壓系統的"指揮棒"。3)變頻裝置是基于矢量控制算法的交流變頻調速技裝置，根據"PID調節器"的輸出信號，改變空壓機的電機運行頻率，從而改變空壓機的輸出壓力。4)"空壓機"是控制系統的被控對象，可以采用離心式、螺桿式或活塞式空壓機。5)"壓力變送器"是控制系統反饋環節的檢測裝置，用于在線檢測壓縮空氣管網壓力，并轉換成標準的傳輸信號，可以采用電容式或壓電式的檢測變送器。6)"預測控制器"完成基于多目標決策的優化算法，預測控制算法基于預測控制理論的模型算法控制(MAC)由4個基本模塊組成主要包括內部模型、反饋校正、滾動優化計算和參考輸入軌跡等幾部分。"預測控制器"的組成(圖2)它采用基于脈沖響應的非參數模型作為內部模型，用過去和未來的壓力輸入輸出信息，根據內部模型，預測系統未來的壓力輸出狀態，經過用模型輸出誤差進行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優化，然后再計算當前時刻應加于系統的控制動作，完成整個控制循環。由于這種算法的基本思想是首先預測系統未來的輸出狀態，再去確定當前時刻的控制動作，即先預測后控制，所以具有預見性。其中的滾動優化計算模塊采用了適合于空壓機運行的多目標優化算法，核心技術是控制系統根據遺傳算法每代產生大量可行解和隱含的并行性這一特點設計一種決策優化方法，基于排序的表現矩陣測度可行解，對所有目標總體表現好壞的向量進行比較。另外引入個體適應度定標保持種群的多樣性，采用自適應變化的方式確定交叉和變異概率。該算法通過一次計算即可得到問題的非劣解集，簡化了多目標問題的優化求解步驟。優化算法的主要步驟有適應度計算、交叉和變異概率計算和最優解決策輸出。滾動優化計算模塊的算法描述框圖見圖3。1)預測調壓控制系統實施前后的壓力變化示意圖見圖4。圖4a實施前的壓力變化曲線說明壓縮空氣的用戶存在負荷的不規則變化，從而使空壓機產氣壓力發生變化。產氣壓力的波動可能會造成空壓機頻繁地執行加卸載和放空操作，造成了能源浪費，因此客觀上要求空壓機控制系統能夠有效地適應這種負荷的變化，在以滿足用戶的用氣需求和進行預測的前提下，保持產氣壓力的相對恒定。從圖4a中可知，空壓機出氣壓力由于受負荷變化出現的折線變化，容易造成出現卸載或放空的耗能操作。圖4b為預測調壓后的壓力曲線明顯趨緩，消除了卸載或放空操作出現的可能條件，與原有的系統相比，具有明顯的節能效果。實施例(1)首先，采用可編程控制器作為預測控制器，目的是依靠可編程控制器硬件平臺，按照預測曲線，采用工控編程語言國際標準IEC61131-3進行編程，生成預測控制程序模塊；(2)預測控制程序模塊的輸入是根據實際工況的狀態數據，輸出是管網中空壓機及其輔助設備的預給定值；(3)將給定值進行電壓/電流信號單元轉換后，輸出到原有PID控制器的遠程給定信號端；(4)在PID控制器設置中，將給定方式設置為"遠程給定"方式；(5)對于PID控制器的參數整定可采用傳統工程整定的方法，為提高控制系統精度，控制作用應選擇無靜差的比例積分調節作用。權利要求一種空壓機控制系統的預測調壓方法，其特征在于包括以下步驟(1)預測空壓機控制系統未來的輸出狀態采用基于脈沖響應的非參數模型作為內部模型，即壓縮空氣供應系統滿足約束條件下使供氣最大化和用電最小化的中長期調度模型的目標函數為<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>max</mi><mo>{</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>Q</mi><mi>n</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>Q</mi><mi>gn</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>min</mi><mo>{</mo><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>Q</mi><mi>n</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>}</mo></mtd></mtr></mtable></mfenced>式中為供氣目標函數；為用電目標函數；Qn為第n時段管網總產氣量和；Qgn為第n時段管網總用氣量；Pn為第n時段管網的用電量；壓縮空氣管網壓力約束條件Pmin(n)≤P(n)≤Pmax(n)Pmin(n)是指管網最低壓力，作為啟動備機的條件之一；Pmax(n)是指最高壓力，作為啟動調節空壓機出氣壓力手段的條件之一；管網用電量的約束條件Wgmin(n)是指對應于平均單耗達標的供電量；Wgmax(n)是指對應于電網計劃的最大供電量；管網對空壓機產氣量限制的約束條件Qnmin(n)≤Qn(n)≤Qmax(n)Qgmin(n)是指管網最低氣量，由用戶各用氣點用氣最低要求的最小供氣量；Qgmax(n)是指管網中正常開機(不含備用空壓機)時的最大供氣量；用過去和未來的壓力輸入輸出信息，根據內部模型，預測系統未來的壓力輸出狀態；(2)計算當前時刻應加于系統的控制動作用模型輸出誤差進行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優化，然后再計算當前時刻應加于系統的控制動作，完成整個控制循環。F2009101991797C0000012.tif,F2009101991797C0000013.tif,F2009101991797C0000021.tif2.根據權利要求1所述的空壓機控制系統的預測調壓方法，其特征在于所述應用二次型性能指標進行滾動優化計算優化算法步驟是(1)適應度Ei(Xj)計算；(2)交叉概率P。和變異概率Pm計算；(3)最優解保存。全文摘要本發明涉及一種空壓機控制系統的預測調壓方法，包括采用基于脈沖響應的非參數模型作為內部模型，預測空壓機控制系統未來的輸出狀態；用模型輸出誤差進行反饋校正以后，再與參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優化，然后再計算當前時刻應加于系統的控制動作，完成整個控制循環。該預測調壓方法是自動檢測各用氣點的用氣時間、用氣壓力和用氣流量通過預測調壓方法獲得空壓機運行狀態與調壓設定值，達到空壓站管網壓力平衡調節，同時有效避免出現空壓機卸載操作和管路放空操作，達到節能的控制目的。文檔編號F04B49/06GK101718270SQ200910199179公開日2010年6月2日申請日期2009年11月20日優先權日2009年11月20日發明者徐兵,沙泉,蔣鴻飛,袁正明,錢平,龔得利申請人:上海應用技術學院