基于模糊PID的石油化工企业仪表自动控制系统_张博.pdf

收稿日期:2022-06-02作者简介:张博(1982-),男,陕西渭南人,高级工程师,主要研究方向为化工仪表。基于模糊 PID 的石油化工企业仪表自动控制系统张 博(陕煤集团榆林化学有限责任公司,陕西 榆林 719000)摘 要:为提高石油化工企业仪表输出的稳定性,提出基于模糊 PID(Proportion Integration Differentiation)的石油化工企业仪表自动控制方法。采用单边复合次级直线感应方法建立石油化工企业仪表的电磁耦合模型;结合电磁理论计算和铁磁感应检测方法进行石油化工企业仪表的铁心饱和直线感控制和磁通特性分析;采用有限差分法分析石油化工企业仪表的振荡参数和端电压参数;结合径向气隙磁密谐波振荡抑制,采用模糊 PID 自适应控制的方法,通过频段分组和动态相量重新组合控制,实现石油化工企业仪表自动控制。测试表明,该系统对石油化工企业仪表的自动控制输出稳态性较好,仪表输出电压波形的峰值稳定性较好,提高了石油化工企业仪表自动控制能力。关键词:模糊 PID;石油化工企业;仪表;自动控制 中图分类号:TP273 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.126Automatic control system of instrument in petrochemical enterprises based on fuzzy PIDZHANG Bo(SHCCIG YuLin Chemica Co.Ltd,Yulin Shaanxi 719000,China)Abstract:In order to improve the stability of instrument output in petrochemical enterprises,an automatic control method for petrochemical enterprises instrumentation based on fuzzy PID(Proportion Integration Differentiation)is proposed.The e-lectromagnetic coupling model of the petrochemical enterprise instrument is established by the unilateral composite secondary linear induction method;the iron core saturation linear induction control and the magnetic flux characteristic analysis of the petrochemical enterprise instrument are combined with the electromagnetic theoretical calculation and the ferromagnetic induc-tion detection method;the finite difference method is used to analyze Oscillation parameters and terminal voltage parameters of instruments in petrochemical enterprises;combined with the suppression of harmonic oscillation of radial air gap magnetic density,fuzzy PID adaptive control method is adopted,through frequency band grouping and dynamic phasor recombination control to realize automatic instrumentation in petrochemical enterprises control.The test shows that the system has good sta-bility of the automatic control output of the petrochemical enterprise instrument,and the peak stability of the output voltage waveform of the instrument is better,which improves the automatic control ability of the petrochemical enterprise instrument.Key words:fuzzy PID;petrochemical enterprises;instrument;automation0 引言石油化工企业仪表主要有电磁仪表、计量仪表等,该类仪表多属于电气设备装置。随着智能技术及自动化技术的发展,石油化工企业对系统集成度的要求也越来越高,需要对石油化工企业仪表进行优化控制设计。通过换流装置控制和电磁场控制,采用 MMC(Modular Multilevel Converter)模块化多电平转换器建模和控制器设计方法,设计石油化工企业仪表自动控制算法和系统,实现石油化工企业的仪表的模块化多电平换流器控制设计,提高石油化工企业的集成管理能力。近年来,大量学者开始进行石油化工企业仪表自动控制系统设计方法的研究,其在促进石油化工企业仪表改造升级方面具有重要意义1。对石油化工企业仪表自动控制的研究是建立在对仪表参数分析和输入输出适应度调节的基础上,通过对仪表的控制原理、特性、适用性分析,实现石油化工企业仪表的高次谐波转换和自适应控制设计。传统方法中,对石油化工企业仪表自动控制方法主要有基于频率偏移模型参数分析的石油化工企业仪表控制方法、基于转子磁极结构匹配的仪表控制方法等,通过混合励磁同步绕组控制和抗扰动分析进行仪表控制系统参数设计2。文献3中提出基于并列转子混合励磁同步发电机转子磁极匹配的化工企业仪表控制模型,通过气隙磁场解析模型参数分析,建立磁极结构的匹配模型,实现仪表参数解析和控制,但该方法进行仪表控制的适应度水平不高。文献4中提出基于系统耦合力矩跟踪匹配的仪表自动控制系统,通过对仪表控制输出的动力学耦合力矩和位置跟踪误差分析,采用矢量叠加,实现控制系统设621基于模糊 PID 的石油化工企业仪表自动控制系统 张 博计,但该方法存在计算误差较低,控制耦合为性能不高的问题。针对上述问题,提出基于模糊 PID(比例-积分-微分控制)的石油化工企业仪表自动控制方法。首先采用有限差分法分析石油化工企业仪表的振荡参数和端电压参数,然后通过频段分组和动态相量重新组合控制,实现石油化工企业仪表自动控制。最后进行实验测试分析,展示了本方法在提高石油化工企业仪表自动控制能力方面的优越性能。1石油化工企业仪表控制模型和参数构造1.1 石油化工企业仪表控制参数模型在石油化工企业仪表自动控制控制系统设计中,首先进行系统总体控制结构的参数分析,通过 AD 转换和人机交互设计,建立石油化工企业仪表自动控制系统的信息参数解析模块、总线控制模块、通信模块和嵌入式调度模型,采用谱分析和多通道磁密度解析控制的方法进行石油化工企业仪表自动控制过程中的交叉编译控制和人机交互设计。采用 T 型电路等效分析的方法,分析石油化工企业仪表控制的对象参数模型,以电阻与漏电感作为自变量,通过多频段的分组检测方法5及单相变压器空载合闸检测法,建立石油化工企业仪表控制的零序涌流检测模型。采用并行化的数据特征分析,进行石油化工企业仪表的自适应控制,结合电力综合能源输出管控的方法实现对石油化工企业仪表控制的总线协议控制,得到仪表控制器的空载试验数据拟合分析结果。通过 OPTION 请求方法计算一次侧和二次侧的漏感,并且利用并列转子结构性测试进行总线检测。检测完毕后利用三相绕组并与旋转整流器进行控制器的终端传输设计6,控制系统的总体结构如图 1 所示。图 1 控制系统的总体结构设计根据图 1 系统的总体结构模型,采用单边复合次级直线感应方法建立石油化工企业仪表的电磁耦合模型,结合电磁理论计算和铁磁感应检测方法,基于空载反电动势、定子电流及功率因数参数模拟,建立石油化工企业仪表控制的参数结构模型,如图 2 所示。图 2 石油化工企业仪表控制的参数结构模型1.2 控制约束参数分析构建石油化工企业仪表控制并行化处理的集成数据库模型,采用云信息融合和信息流编码技术仪表控制系统的底层模块化数据库开发和控制约束参数分析,构建控制系统的约束参量模型。建立石油化工企业仪表控制并行化处理过程中的嵌入式信息处理模块,通过参数模型化设计,进行石油化工企业仪表控制的过程并行化处理。以石油化工企业仪表的定子槽数、转子极数为初始约束变量,根据仪表的电气额定转速的外特性输出特征量,通过定子内径参数分析7,结合空载反电动势分析进行电励磁转子轴向控制。设计石油化工企业仪表控制的主要参数分布见表 1 所示。表 1 石油化工企业仪表控制的主要参数项目参数定子槽数 Q56转子极数5额定转速/(r/min)3 990定子内径 Di1/mm140永磁体厚度/mm12仪表永磁体号YXG20H永磁体轴向长度/mm118永磁侧气隙长度/mm188电励磁侧气隙长度/mm3.82电励磁转子轴向长度/mm5.918绕组跨距2.886 7在企业仪表控制中,以永磁转子与电励磁转子作为输入动态参数,得到仪表控制的磁滞特性方程为:i(R1+Rm)+(L1+Lm+Ls)didt=u(t)(1)其中,i 为电流参数,R1为磁链电阻,Rm为单衰减电阻,L1为铁心饱和参数,Lm为励磁涌流8,Ls为励磁电感,u(t)为变压器恒压9。石油化工企业仪表自动控制系统的 T 型等效电路如图 3 所示。图 3 T 型等效电路根据图 3 的等效电路,引入剩磁条件(0-1)=r。在深度饱和阶段,采用直流磁链的衰减调节进行石油化工企业仪表的输出稳态特征分析,采用有限差分法分析石油化工企业仪表的振荡参数和端电压参数10,在 1 个721自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)周波内,得到变压器铁心基本磁化曲线,励磁电流表达式如下i(t)=tan(t)b()h,(t)s(2)其中,(t)为铁心磁化参数,s为励磁涌流,b 为磁链与磁通比例系数,为深度饱和系数,h 为零序电感11。根据上述控制约束参数分析,采用有限差分法分析石油化工企业仪表的振荡参数和端电压参数,通过变压器高压侧绕组输出稳定性调节进行磁通与电流的关系量化分析12。2 自动控制系统优化设计2.1 模糊 PID 自适应控制方法基于模糊 PID 自适应控制,建立流入系统的零序电流检测模型,通过三角侧环流的 PID 输出层结构分析13,得到企业仪表控制系统的零序电流为:i(0)=(iuA+iuB+iuC)Ls0Ls0+Ls(3)式中的参数分布描述见图 4,图 4 描述了石油化工企业仪表合闸零序电路图,通过正序和负序电流的等效调度分析,构建磁链的三相励磁幅值参数检测模型。计算三相励磁电流为:iA=iA-(Ls0+L1)i0L2iB=iB-(Ls0+L1)i0L2iC=iC-(Ls0+L1)i0L2(4)其中,iA,iB,iC分别表示磁链的三相正序和负序电流14。采用模糊 PID 控制方法,进行输出电流参数调节。通过三相铁心饱和特性分析,进行石油化工企业仪表的涌流模拟和动态控制。图 4 石油化工企业仪表合闸零序电路图2.2 控制系统组件开发采用嵌入式为核心处理器,对石油化工企业仪表自动控制系统的开发是建立对 ADSP21160 处理器基础上。根据嵌入式的总线开发协议15,通过单周期指令模块化设计进行石油化工企业仪表自动控制的晶振控制,采用时钟采样