一种快速压载系统及其空压机组节能控制方法与流程

本发明属于空气压载系统设计技术领域，尤其涉及一种快速压载系统及其空压机组节能控制方法。

背景技术：

最早被用于潜艇紧急上浮的空气快速压载系统，已被国外供应商用于半潜式起重平台的压载系统设计中。空气压载系统利用空气压缩机在压载舱内实现超压，将舱内压载水快速吹除，其排载速度非常快，最高可以达到常规离心泵的数十倍，采用空气压载系统可以极大加速排载过程。

空压机为快速压载过程中的最大能耗用户，且在排载过程中，空压机的运行状态时刻会影响起重拆解平台的浮态。如何在保证系统安全运行的同时控制空压机组的节能运行，对系统的经济运行具有重要意义。分析排载过程的特点，以系统能耗最小为目标，以满足作业时间要求为约束，寻找快速压载系统最优控制方法是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种快速压载系统及其空压机组节能控制方法，通过快速压载系统空压机组变频控制和集群控制，在保证起重平台安全性的同时节约能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种快速压载系统及其空压机组节能控制方法，主要由空压机组、变频器、快速压载舱、压力传感器和压力控制系统组成，压力控制系统分别与空压机组、变频器和快速压载舱连接，压力控制系统采用can总线通讯方式将空压机组启停及加卸载指令、变频器频率指令，采用rs485通讯，传递给控制器，并通过控制器来完成工频空压机的启动、停止、加载、卸载功能及变频空压机的变频器频率变化功能；将快速压载舱的空气压力值传递给压力控制系统，快速压载舱的空气压力值通过压力传感器测试。

按上述技术方案，还包括电机，电网的三相电输出端接口通过电力电缆线连接变频器的三相电输入端接口；变频器的三相电输出端接口通过电力电缆线连接电机的三相电输入端接口；电机的输出端通过联接轴连接空压机。

按上述技术方案，所述空压机组为螺杆式空压机组。

本发明还提供一种快速压载系统空压机组节能控制方法，控制器控制变频器的频率变换，通过模糊pid控制的频率变化方法对空压机组的变频空压机进行控制，通过模糊pid参数自整定控制算法实时对pid控制器的参数进行调节，具体包括，步骤一，通过对压缩空气总管内气体压力设定值与压力测量值的比较，获得系统的压力偏差e以及偏差的变化率ec，然后进行量化；步骤二，将量化后的e和ec进行模糊化及模糊推理；步骤三，通过解模糊实现对pid的比例系数δkp、积分系数δki和微分系数δkd的自整定，保证系统对于不同的e以及ec都具有良好的静态及动态性能，步骤四，模糊pid控制器经过运算得到变频空压机的运行频率，从而实现空压机按照实际用气量和压力需求变频运行。

按上述技术方案，所述步骤二中，模糊pid控制器的模糊规则设计如下：e、ec、δkp、δki和δkd量化后的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，将各输入和输出参数的量化后论域划分为7个等级，即{负大nb，负中nm，负小ns，中等zo，正小ps，正中pm，正大pb}，e、ec的nb为{-6，-5，-4}、δkp、δki和δkd的nb为{-6，-5，-4，-3}、各参数的nm均为{-6，-5，-4，-3，-2}、各参数的ns均为{-4，-3，-2，-1，0}、各参数的zo均为{-2，-1，0，1，2}、各参数的ps均为{0，1，2，3，4}、各参数的pm均为{2，3，4，5，6}，e、ec的pb均为{4，5，6}、δkp、δki和δkd的pb为{3，4，5，6}。当e为负大或负中时，无论ec怎样变化应消除偏差，使供气压力变大，增加供气量，增加空压机转速，增大控制频率，取输出量为正大；当e为负小或中等时，主要对系统的稳定性进行控制，减小超调量，使系统恢复到稳定状态，根据偏差变化率控制空压机频率，当ec为负时，压力差有增大的趋势，压缩机转速需增大，控制频率也需相应增大，当ec为正时，压力差有减少的趋势，需将空气压缩机的控制频率减少。偏差为负时的控制规律同样适用于偏差为正的情况。

按上述技术方案，所述步骤二中，e和ec选用三角形隶属度函数；δkp、δki和δkd这三个输出参数的隶属度函数，两端采用整定效果较好的高斯型隶属度函数，其余使用三角形隶属度函数。三角形隶属度函数的分辨率较高。

按上述技术方案，空压机组中还包括工频空压机组，由工频空压机a、工频空压机b和变频空压机d组成，空压机组采用阶梯式控制策略，各台空压机的加卸载压力呈阶梯状分布，相邻两台压缩机的加卸载压力呈递增趋势，变频空压机d通过模糊pid控制的频率变化方法进行控制。

本发明产生的有益效果是：本发明以半潜式起重平台的快速压载系统为研究对象，把参数自适应模糊pid的变频技术应用于系统中，并提出工-变频联合式空压机组集群控制方案。对于具有波动大、时变性、不确定性、非线性等特点的气体压力变化，本发明所提出的控制策略具有较强的适应性，能够根据工况的变化及时响应，具有好的节能效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中快速压载系统示意图；

图2是本发明实施例中参数自整定模糊pid控制原理图；

图3是本发明实施例中e和ec的隶属度函数图；

图4是本发明实施例中δkp、δki和δkd的隶属度函数图；

图5是本发明实施例中原空压机集群控制图；

图6是本发明实施例中改造后空压机集群控制图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种节能运行的快速压载系统，本发明设计的快速压载系统由压力控制系统、空压机系统、管路及压载舱系统三部分组成。如图1所示，压力控制系统主要设备是运行状态控制系统装置1；空压机系统主要设备有工频空压机组2、变频器3、电机4和变频空压机5；管路及压载舱系统主要设备有管路、阀门、快速压载舱6和压力传感器。

压力控制系统装置分别与空压机组、变频器和快速压载舱连接。压力控制系统通过采用can总线通讯方式，将空压机组启停及加卸载指令和变频器频率指令，采用rs485通讯，传递给plc控制器，并通过plc控制器来完成工频空压机的启动、停止、加载、卸载功能及变频空压机的变频器频率变化功能；同时采用can总线通讯方式，用rs485通讯将快速压载舱的空气压力值传递给压力控制系统装置；电网的三相电输出端接口通过电力电缆线连接变频器的三相电输入端接口；变频器的三相电输出端接口通过电力电缆线连接电机的三相电输入端接口；电机的输出端通过联接轴连接空压机。

对压力控制系统装置的输入信号通过内部plc程序进行处理，根据处理后的信号通过plc控制器来控制工频空压机和变频空压机，实现两种节能运行方案，方案一：plc控制器控制变频器的频率变换，空压机变频节能运行；方案二：plc控制器控制工频空压机组的启动和加卸载工作，联合变频空压机以实现整个空压机组的节能运行。

方案一：本发明首先提供一种变频空压机的模糊pid控制的频率变化策略，适用于具有波动大、时变性、不确定性、非线性等气体压力变化特点的系统，模糊pid参数自整定控制算法实时对pid控制器的参数进行调节以满足其控制需求。

参数自整定模糊pid控制器的原理如图2所示，通过对压缩空气总管内气体压力设定值与压力测量值的比较，获得系统的压力偏差e以及偏差的变化率ec，然后进行量化，将量化后的e和ec进行模糊化及模糊推理，最后通过解模糊实现对pid的比例系数δkp、积分系数δki和微分系数δkd的自整定，保证系统对于不同的e以及ec都具有良好的静态及动态性能，模糊pid控制器经过运算得到空压机的优化运行频率，从而实现空压机按照实际用气量和压力需求变频运行。

模糊pid控制器的模糊规则设计如下：e、ec、δkp、δki和δkd量化后的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，将各输入和输出参数的量化后论域划分为7个等级，即{负大nb，负中nm，负小ns，中等zo，正小ps，正中pm，正大pb}，如如图3和图4所示。当e为负大或负中时，无论ec怎样变化应尽快消除偏差，需使得供气压力变大，增加供气量，增加空压机转速，增大控制频率，取输出量为正大；当e为负小或中等时，主要对系统的稳定性进行控制，为减小超调量，使系统尽快恢复到稳定状态，根据偏差变化率控制空压机频率，当ec为负时，压力差有增大的趋势，压缩机转速需增大，控制频率也需相应增大，当ec为正时，压力差有减少的趋势，需将空气压缩机的控制频率适当减少。偏差为负时的控制规律同样适用于偏差为正的情况。

三角形隶属度函数的分辨率较高，所以e和ec选用三角形隶属度函数，如图3所示；δkp、δki和δkd这三个输出参数的隶属度函数，两端采用整定效果较好的高斯型隶属度函数，其余使用三角形隶属度函数，如图4所示

方案二：设计了一空压机集群控制策略，该策略如下：

在快速压载系统中，为系统供气的空压机有四台，其中一台备用。起重作业时，三台空压机陆续投入使用，一旦空压机启动，它们将始终处于装载或卸载状态，直到起重完成。如图5所示，在原快速压载系统中，工频空压机组采用阶梯式控制策略，所谓阶梯式控制就是各台空压机的加卸载压力呈阶梯状分布，相邻两台压缩机的加卸载压力呈递增趋势。a、b、c工频空压机的加/卸载压力分别为0.14/0.17mpa、0.17/0.20mpa、0.20/0.26mpa。

对上述提出工频空压机组阶梯式集群控制策略进行模拟改造，提出工-变频联合式空压机组集群控制策略，其中所用的变频策略采用前文中提出的参数自适应模糊pid变频控制策略。本发明方案如图6所示，其中c工频空压机改为d变频空压机，a、b工频空压机保持不变，d变频空压机的额定功率、额定排气量、额定排气压力与c空压机相同。

本发明设计了基于半潜式起重平台作业典型工况的快速压载系统节能控制方案，半潜式起重平台的快速压载系统是一个集成空压机、管路、压载舱等组件的复杂系统，以压缩空气进行排载来调节平台的浮态。空压机组为快速压排载过程中的最大能耗用户，从空压机变频控制和多台空压机集群控制两个角度综合考虑，设计能满足起重作业典型工况的节能控制方案。把参数自适应模糊pid的变频技术应用于系统中，并根据实际工况提出工-变频联合式空压机组集群控制方案，在保证平台安全性的同时达到节能运行的目的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。