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2009年智能计算技术和自动化的第二次国际会议研究提供恒压空气的空气压缩机的无人看管智能控制系统中国矿业技术大学电气与信息工程专业的何分友,鲍威宁,张冰,唐代杨江苏电气驱动及控制工程技术研究中心地址：中国江苏省徐州市邮编：221008邮箱：bob_wn@摘要——针对空气压缩机的控制系统的问题，我们研究和设计了一个提供恒压空气的空气压缩机的自动智能控制系统。

考虑到空气压缩机控制系统时间上的延迟，就设计了一个基于PLC的模糊PID控制器。

PLC是整个控制系统的关键设备，此外,现场设备与专用逆变空气压缩机、远程监控、故障诊断、实时数据库这些技术设备结合构成了一个完整的网络。

最终，整个系统对恒压气体的无人值守的完全自动化就完成了。

关键词：模糊PID；校正；远程监控；故障诊断1.引言随着世界能源危机的到来，政府为了经济的可持续发展积极推广节能技术。

空气压缩机、压缩气体,以提高气体的压力或者运输的气体,广泛应用于许多领域的国民经济和国防,特别是在石油、化工、制药等行业。

空气压缩机成为必要的设备在许多流程的工业部门。

他们是类高耗能装置消耗中国总发电量的15%以上。

但原有的控制策略和低效率导致高能源浪费。

节能优化和改进的空气压缩机系统在“十一五”期间被国家发展和改革委员会列为节能专项规划的长期的主要项目。

2 传统的空气压缩机的问题目前,加载/卸载时调用的控制方法采用大型工业空气压缩机供应系统,导致一些以下问题：（1）当空气压力还过得去,空气压缩机不停止直到压力达到我们设定的上限,这样的后果就是造成浪费。

（2）气源的检修进入气动元件,通过减压阀减压,造成浪费。

（3）当卸料,自动进气阀关闭,低压阀打开的同时,造成浪费。

（4）电动机启动电流的幅值高, 在同一网络影响电网的稳定性和其它电气设备。

（5）现场嘈杂，工作条件很差。

此外,我们开始用变频控制工业空气压缩机。

由于使用普通的变频器,系统有不良的表现和许多不足之处,导致该控制方法并没有扩散。

存在的问题是概括如下:（1）转换器的设计没有紧密结合的压缩机的性能特点,如工频全压启动的设计和高环境温度。

（2）常规PID算法的闭环控制系统,从而导致频率的大波动以及影响节能效果。

（3）控制器和转炉分离,导致在电气接线操作和维护上有许多问题。

针对上述问题,我们研究和设计了一个提供恒压空气的空气压缩机的无人看管智能控制系统。

黑龙江省的国有大矿的空气压缩机的控制系统可作为一个例子。

3 自动控制系统的设计设计的目的是在恒压条件下采用变频器及PLC技术让空气压力自动运行。

空气压缩机的自动开关和自动旋转的作用就是当系统发生错误或关机时报警，自动开关阀门值的作用就是完成大修及更新的值。

此外,结合系统的远程监测及故障诊断、空气压缩机系统将更安全、更先进、更稳定、更可靠。

最后,系统就可以变得无人看管。

该系统有三种运行模式:手动控制、PLC控制和远程控制。

在远程控制模式, 基于PLC控制的远程我们只需要设定空气压力和控制为主开关。

4 模糊PID控制器的设计一、模糊PID控制器的原理与校正参数PID控制器具有良好的坚固性、稳定性、结构简单,然而当该系统是很大的时滞系统时，它的性能就很差。

模糊控制是一种智能控制方法,控制规则就是适应性和流畅性。

所以我们可以结合模糊控制与PID控制,以PID控制的实时模糊控制规则去调整PID控制器实时在线参数。

从本质上讲，它是系统特征变量和控制变量之间的一种非线性过程的非线性映射关系，因此我们可以利用PID控制和模糊控制的优点，并得到一个具有较好的性能的新的智能控制器。

图1显示了模糊PID 控制器和自我校正参数之间的联系。

图1 具有自我校正参数的模糊PID控制系统该系统采用一种二维控制结构。

电机转速的速度偏差e r和 e偏差是输入。

在模糊化过程和模糊化推理之后，我们就可以得到输入到PID控制器去调整PID 控制器实时参数的k p , ki 和kd的瞬时值。

自从PI调节器普遍应用于实际系统,我们就只需要设定PI参数。

我们的想法就是确定PI频率的偏差Ec两个参数之间的模糊关系，当控制参数变化时根据模糊控制理论在线修改a1, a2, a3 (b1,b2, b3)的值以满足不同的E和Ec，这样就将会使控制系统有一个良好的动态和静态性能[1]。

二、Kp和Ki的自我校正规则在整个控制器中比例增益Kp和积分时间常数Ki扮演着很重要的角色。

当E 和Ec不同时，控制系统需要不同的Kp和Ki来自我校正。

我们能总结出以下规则:（1）当偏差很大时，应该增大Kp的值来缩短系统的响应时间和尽快消除偏差；同时为了限制积分值低于饱和值及防止系统响应重大的超调应该减少Ki 的值。

（2）当偏差小时，为了消除偏差和防止振荡引起重大的超调应该同时降低Kp和Ki的值。

（3）当偏差非常小时，为了消除静态误差和克服更大的超调应该降低Kp的值同时增加Ki的值。

（4）当系统的调节时间比所需的时间长并且差异小时,首先增加Kp然后减少Ki;当调节时间太大时,首先减少Ki,然后增加Kp。

E和偏差率Ec是输入语言变量的偏差,我们给它们定了七个不同的值:负极大(注),负极中(纳米级),负极小(NS)、零(Z),正极大(PB),正极中(点)和正极小(PS)[2]。

三、基于可编程序控制器(PLC)的模糊PI程序设计在这种情况下,西门子S7 - 300系列PLC被作为控制器采用。

简单介绍下西门子公司主要用于各种过程控制的专用智能模块,如模糊推理模块。

然而,这些模块程序相当昂贵,而且需要非常专业的设备,这也导致了更少的普遍性和高成本。

因此我们利用模糊自我校正PID控制程序模块的可编程序控制器(PLC), 利用PLC逻辑与计算功能预测了空气压缩机PI控制器中Kp和Ki的参数。

它取得了良好的控制性能和较好的稳定性[3]。

（1）选择基本话语领域的E和Ec,并采取模糊化。

（2）确定基本话语领域的⊗Kp和⊗K i,并采取模糊化。

（3）估计E和Ec的范围。

（4）计算E和Ec的隶属函数。

（5）计算比例增益Kp和积分时间常数Ki。

（6）输入Kp和Ki到PLC的PID模块中。

基于PLC的程序流程图如图2所示,话语领域的E = {-a3,-a2,-a1,0,- a1、a2、a3}、Ec= { -b3,-b2,-b1,0,- bl、b2、b3 }。

设置Kp和Ki相应的比例增益和积分时间。

图2基于PLC的程序流程图为了解决空气压缩机变频系统的一般问题，我们的研究中心开发了空气压缩机的专用变频器系统。

新系统的数据交换的速度是通用系统的5到10倍。

给定频率可以精确到0.01赫兹，控制系统的开环速度矢量精度可以精确到± 0 .2%。

该系统通过精确的反映每一圈的实际压力变化甚至可以控制电机。

利用无传感矢量控制，在低速条件下可以提供了一个更大的转矩。

由于气体流量是随着电机转速多样的变化,电机的输出功率就与电机的额定功率成正比。

在低负荷情况下，为了减少电机的磁场损失供电电压会自动降低。

主要的变频压缩机可提供两个逆变器和旁路管线。

如果主变流器在故障状态下,空气压缩机可以直接激活旁路开关。

如图3,当K3闭合， K1,K2断开,该系统操作的频率为50赫兹;当K1和K2闭合,K3是断开,系统处于变频模式。

利用开关柜系统,双液动力转换器能够控制两台空气压缩机。

图3 频率控制系统原理通信网络系统时完全自动化系统的关键。

因为不同的公司所生产的不同的PLC、单片机、转换器和计算机之间的通信，使系统的设计变得非常复杂。

利用不同的通信协议,如图4所面临的可编程序控制器(PLC)之间的沟通以及其他部分的沟通问题就解决了。

所以一种安全可靠的网络已经设立。

在本图中,A、B、C 和D控制柜分别代表当地的PLC、三菱公司的PLC控制柜、集中控制的PLC和高压内阁。

图4 通信网络的现场装置7 远程监测及故障诊断系统的款式设计一、远程监控我们的监测系统是基于Windows XP / NT系统，用于大型空气压缩机。

根据系统的要求,我们提出一种多层次分布式架构用于监测系统。

该系统采用IPC + PLC的结构。

可编程序控制器(PLC)的控制系统,它负责收集模拟信号并发送模拟控制信号。

IPC是系统的经营体系,负责数据处理、控制计算,制定与以太网网络的集成并管理整个系统。

该系统具有操作简单、容易配置和维护、高安全性、高稳定性等优点。

二、故障诊断系统目前状态监测和故障诊断系统的发展趋势是建立与智能系统集成于一体的，为了克服传统的分布式、单一功能的当地监控和诊断系统所带来的缺陷的真正的硬件和软件。

在系统中，空气压缩机的在线监测和诊断系统被设计成一种灵活的、可重构、模块化的可扩展的、多传感器多参数系统,这是一个包括硬件和软件的集中式控制和处理系统。

空气压缩机监测和故障诊断系统有许多功能,如数据采集、信号处理、综合识别、自动报警、自动保护突然的失败,以及设备和工艺的故障推理诊断。

空气压缩机整体的结构监测和故障诊断系统如图5所示。

根据不同的物理连接和不同部分的功能,大致可以分为四个层次:现场试验层、数据传输层、状态监测层、决策管理层。

图5 系统的故障诊断结构框图8 现场运行和节能分析系统在提供恒压气体的自动无人看守的系统的空气压缩机应用于实际后, 我们对压缩机控制方法及风的性能进行了改进,从而使系统的安全性、稳定性和运行效率得到了改善。

同时, 深深地降低了用电和系统损失的气流。

更重要的是,电机的启动的冲击和工人的劳动强度也明显降低,并且由于手动方式造成的错误也得到有效控制。

没有脆弱的电气装置,日常维修及维修成本降低。

因为大大提高了生产效率，在长期的条件下节能是明显的,因此具有较高的使用和推广价值。

加速矿山建设现代化的步伐,是本课题的研究与开发的目的。

参考文献[1] R.M.Tong.模糊系统控制工程的评论[J].vo1.13 Automa第6期,1977. 559 –579页.[2] 张琪,胡宇文.研究自我修改隶属函数的应用技术和PID控制器的参数[J].南京航空航天大学航天杂志 vo1.31第4期,1999年, 452 – 456页.[3] 廖超楚.s7-300/400 PLC的应用技术[M].机械工业出版社，389—398页.[4] 李鸿盛,陶云峰朱照云.远程在线监测与故障诊断系的设计与实现[N].武汉理工大学学报,vol.23,2001年7月, 35-37页.[5] 江东翔，倪卫窦.火力发电厂的网络系统的远程在线监测和诊断[M].清华大学出版社，2000年4月, 7 – 80页.[6] 王卫.设置和访问结构的动态数据对象[Z].软件世界,1998.5.。