唐乃廣，郭忠華，趙明濤，蘇曉龍

（中海油能源發(fā)展珠海石化銷售有限公司葫蘆島分公司，遼寧 葫蘆島）

引言

低溫潛液泵是LNG 加注站的核心動(dòng)力設(shè)備[1]，額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min，額定電源頻率100 Hz，高于工頻50 Hz，需要采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，為保證高效快速充裝，LNG 潛液泵出口壓力一般采用PID 自動(dòng)控制，以滿足整個(gè)充裝過(guò)程中，隨著被充裝氣瓶背壓變化，快速調(diào)節(jié)供液壓力。壓力的穩(wěn)定性直接影響充裝速率和質(zhì)量，因LNG 加液機(jī)依靠質(zhì)量流量作為充裝結(jié)束的判斷依據(jù)，壓力不穩(wěn)或響應(yīng)速度慢，流量下降到停機(jī)閾值，會(huì)造成提前停機(jī)，瓶組加注不滿，同時(shí)，由于泵轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，易抽空，需頻繁放空排氣，造成損耗增加；LNG 潛液泵頻繁驟烈啟停，加速了軸承等機(jī)械部件磨損老化，LNG 潛液泵易過(guò)載，不定時(shí)報(bào)“變頻器過(guò)載”故障，增加了維修頻次。

1 現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題及原因分析

某LNG 加注站兩臺(tái)加液機(jī)均報(bào)“壓力變送器異?！惫收?，無(wú)法加液。一般傳感器異常是指壓力變送器損壞或斷線，造成電流信號(hào)低于4 mA 或高于22 mA，查看兩臺(tái)加液機(jī)的LCM壓力顯示，兩臺(tái)加液機(jī)壓力顯示分別為0.93 和0.95 MPa，與本體的指針壓力表顯示一致，與泵出口壓力表和罐壓顯示也一致，壓力測(cè)量顯示準(zhǔn)確，判斷壓力變送器并無(wú)異常，進(jìn)一步查看室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的泵出口壓力記錄曲線，如圖1 所示，發(fā)現(xiàn)在1：10 分處壓力出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，壓力值高達(dá)1.9 MPa，現(xiàn)場(chǎng)人員反應(yīng)當(dāng)時(shí)泵出口管線上兩個(gè)安全閥均發(fā)生起跳，有結(jié)霜痕跡，安全閥定壓1.76 MPa，可以判定當(dāng)時(shí)出現(xiàn)壓力超高現(xiàn)象，加液機(jī)壓力變送器量程為2.5 MPa，系統(tǒng)出現(xiàn)的最高壓力1.9 MPa并未超出變送器量程，不應(yīng)報(bào)“壓力變送器異?！惫收希鶕?jù)說(shuō)明書(shū)，該加液機(jī)壓力超高就會(huì)報(bào)“變送器異常”，屬于設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)報(bào)“壓力超高保護(hù)停機(jī)”。

圖1 LNG 潛液泵出口壓力曲線記錄

同時(shí)也看到，壓力在0.9 MPa（LNG 儲(chǔ)罐壓力，即潛液泵入口背壓）和1.9 MPa 之間劇烈波動(dòng)，說(shuō)明恒壓PID 控制器在極力的控制壓力回歸正常值，有以下三種原因可能造成壓力波動(dòng)：

（1） 泵出口壓力變送器異常，檢測(cè)壓力不準(zhǔn)，反饋給控制器的壓力信號(hào)不正常。

（2） 控制器程序本身比例積分參數(shù)不合理，導(dǎo)致超調(diào)振蕩嚴(yán)重，控制不穩(wěn)。

（3） 泵出口管線不通暢，憋壓，導(dǎo)致系統(tǒng)傳遞函數(shù)發(fā)生較大變化。

根據(jù)DCS 界面顯示的壓力值與現(xiàn)場(chǎng)壓力表對(duì)比，發(fā)現(xiàn)泵出口壓力變送器測(cè)量值與壓力表一致，顯示準(zhǔn)確，無(wú)異常，結(jié)合壓力曲線記錄，均在正常范圍，可排除第1 種情況。

通過(guò)LNG 加液機(jī)預(yù)冷操作，系統(tǒng)預(yù)冷大循環(huán)流量正常，說(shuō)明管線及閥門(mén)暢通，排除第3 種情況。

第2 種情況因程序已固化，無(wú)法調(diào)整PID 參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，由于LNG 原料供應(yīng)商不同，其密度、溫度不斷變化，儲(chǔ)罐液位、壓力也隨進(jìn)銷存時(shí)間和BOG 濃度不斷變化，脫開(kāi)自動(dòng)控制器，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器，潛液泵可以運(yùn)行，雖然無(wú)法保持恒壓加液，但LNG 加液機(jī)不再超壓報(bào)警停機(jī)，由此判斷，常規(guī)PID控制器無(wú)法適應(yīng)工況的不斷變化，較大的比例系數(shù)和較小的積分時(shí)間會(huì)造成壓力超調(diào)、振蕩等問(wèn)題，反之又會(huì)造成響應(yīng)慢和余差，LNG 潛液泵恒壓控制不穩(wěn)，造成管線超壓安全閥起跳、LNG 加液機(jī)報(bào)“壓力傳感器異?！惫收?，無(wú)法加液。模糊PID 控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，無(wú)需知道控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用語(yǔ)言變量來(lái)描述系統(tǒng)特征，并依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息和模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理以獲得合適的控制量，實(shí)現(xiàn)PID 控制器的參數(shù)在線自調(diào)整，能更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件變化[2]。為此，設(shè)計(jì)一款模糊自適應(yīng)PID 控制器，以解決常規(guī)PID 控制器對(duì)參數(shù)變化敏感和魯棒性差的問(wèn)題。

2 模糊自適應(yīng)PID 控制器設(shè)計(jì)

模糊PID 控制，即利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID 的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID 參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)的缺點(diǎn)。模糊PID 控制由模糊化、確定模糊規(guī)則、解模糊等部分組成。首先控制系統(tǒng)通過(guò)壓力變送器采集LNG 潛液泵出口壓力，并與設(shè)定目標(biāo)壓力比較得到壓力偏差e 以及當(dāng)前偏差和上次偏差的變化ec，根據(jù)給定的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后，對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID 控制參數(shù)。模糊自適應(yīng)PID 框圖，如圖2 所示。

圖2 模糊自適應(yīng)PID 框圖

2.1 輸入變量的模糊化

LNG 潛液泵恒壓控制系統(tǒng)采集測(cè)量變量為低溫潛液泵出口壓力，模糊控制器的輸入變量是LNG 潛液泵出口壓力偏差e 和偏差變化率ec。首先通過(guò)選取合適的隸屬度函數(shù)對(duì)輸入變量進(jìn)行模糊化處理，常用的隸屬度函數(shù)有三角形隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、高斯型隸屬函數(shù)等[3]，如圖3 所示，本設(shè)計(jì)采用三角形隸屬函數(shù)。

圖3 偏差e 的隸屬度曲線

LNG 系統(tǒng)受安全閥及加氣機(jī)超壓保護(hù)停機(jī)限制，LNG 潛液泵出口壓力不高于1.76 MPa，受安全閥起跳誤差和滯后、通流量限制影響，實(shí)際最高可測(cè)得1.9 MPa 的瞬時(shí)壓力，為保證充裝效率和質(zhì)量，LNG 潛液泵出口恒壓目標(biāo)設(shè)定值為1.5 MPa，設(shè)定出口壓力偏差的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡(jiǎn)記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}[2]。當(dāng)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)負(fù)偏差時(shí)，實(shí)際壓力將高于設(shè)定值，出于安全傾向性考慮，負(fù)偏差進(jìn)行模糊劃分時(shí)，采用了非對(duì)稱經(jīng)驗(yàn)性劃分，負(fù)小的范圍較小，負(fù)中、負(fù)大具有更大的范圍，有利于提高超壓調(diào)整的靈敏度；在正偏差方向，考慮低壓快速響應(yīng)，選擇PB 的閾值為1.3 MPa，擴(kuò)大了正大范圍。輸入變量e 的隸屬函數(shù)曲線如圖3 所示，誤差變化率ec的論域?qū)ΨQ地映射為7 個(gè)整數(shù)，量化級(jí)別為（-3，3），誤差變化率ec隸屬函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 偏差ec 的隸屬度曲線

2.2 確立模糊規(guī)則

模糊PID 控制器需要對(duì)Kp、Ki、Kd 三個(gè)參數(shù)根據(jù)模糊推理進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，Kp 值決定系統(tǒng)的響應(yīng)速度，調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)選取較大的Kp 值以提高響應(yīng)速度，而在調(diào)節(jié)中期，Kp 則取較小值，使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度；調(diào)節(jié)后期再將Kp 值調(diào)到較大值來(lái)減小靜差，提高控制精度。

Ki 用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在調(diào)節(jié)過(guò)程初期，為防止積分飽和，其積分作用應(yīng)當(dāng)弱一些，甚至可以取零；在調(diào)節(jié)中期，為避免影響穩(wěn)定性，其積分作用應(yīng)適中；在過(guò)程的后期，則應(yīng)增強(qiáng)積分作用，以減少靜差。

系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)能反映偏差的變化趨勢(shì)，并在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入有效的早期修正信號(hào)，從而加快響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，消除振蕩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)試確定Kp、Ki、Kd 的模糊規(guī)則，如表1 所示。

表1 Kp、Ki、Kd 的模糊規(guī)則

2.3 輸出參數(shù)模糊化

采用常規(guī)PID 控制進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)不同LNG 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)Kp 參數(shù)變化范圍為5～35，Ki 調(diào)節(jié)范圍為1～13，Kd 調(diào)節(jié)范圍為0～6，輸出變量的量化區(qū)域以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)定輸出量Kp、Ki 和Kd 的模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，選取三角形隸屬度函數(shù)后，輸出變量Kp、Ki 和Kd 的隸屬度曲線，如圖5- 圖7 所示。

圖5 Kp 隸屬度曲線

圖6 Ki 隸屬度曲線

圖7 Kd 隸屬度曲線

2.4 輸出參數(shù)反模糊化處理

本設(shè)計(jì)采用重心法[4]進(jìn)行反模糊計(jì)算，采集LNG潛液泵出口壓力偏差e 和誤差變化率ec，計(jì)算出偏差e 和誤差變化率ec隸屬度μe和μc，根據(jù)μe和μc所在隸屬度區(qū)間，查詢模糊規(guī)則表，以μe和μc各自所占的隸屬度為權(quán)重，通過(guò)加權(quán)求和，獲得輸出參數(shù)在各模糊區(qū)間的隸屬度μk，由于采用的隸屬度函數(shù)特性，在任何方向的計(jì)算隸屬度的和均為1，則輸出清晰化值為：U=∑μkyk；其中μk為輸出參數(shù)在各模糊區(qū)間的隸屬度μk，yk為該輸出參數(shù)模糊區(qū)間閾值。

3 模糊PID 控制器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，系統(tǒng)采用S7-200smart SR30 PLC 作為主控器[5]，擴(kuò)展EM-AM03 模塊作為L(zhǎng)NG 潛液泵出口壓力檢測(cè)和PID 變頻調(diào)速信號(hào)輸出，選用TPC1031Ni 觸摸屏作為人機(jī)界面，系統(tǒng)主回路如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件接線

SR30 CPU 具有足夠的非易失性存儲(chǔ)空間用于存儲(chǔ)模糊規(guī)則表，S7-200smart CPU 具有4 個(gè)32 位累加器AC0～AC3，使用CPU 內(nèi)部累加器可以減少使用外部存儲(chǔ)V 區(qū)的數(shù)據(jù)交換時(shí)間，提高隸屬度計(jì)算和反模糊處理時(shí)的加權(quán)平均值計(jì)算中的乘累加運(yùn)算效率，PLC 在接收到LNG 加液機(jī)發(fā)出的加液開(kāi)關(guān)量信號(hào)后，通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊EM-AM03 模擬量輸入端口0 讀取LNG 潛液泵的出口壓力值并進(jìn)行偏差和誤差變化率計(jì)算，然后根據(jù)圖3 和圖4 所示輸入隸屬度曲線計(jì)算各自所占的隸屬度，查找模糊規(guī)則表，求解出輸出論域中各元素的隸屬度和，并采用重心法計(jì)算出輸出變量清晰化值，控制軟件流程如圖9 所示。

圖9 控制系統(tǒng)軟件流程

4 模糊自適應(yīng)PID 控制器的應(yīng)用效果

LNG 系統(tǒng)工況存在各種隨機(jī)變化和干擾因素，其中密度變化和BOG 壓力變化對(duì)傳統(tǒng)PID 控制器的影響最大，除圖1 所示的超調(diào)振蕩問(wèn)題外，隨著工況變化，在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)壓力跟蹤調(diào)整響應(yīng)緩慢、精度差等問(wèn)題。

模糊PID 控制器能夠根據(jù)運(yùn)行工況變化，實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)，達(dá)到較好的控制效果，采用模糊自適應(yīng)PID 控制替代傳統(tǒng)PID 控制后，LNG 出口壓力曲線如圖10 所示，其控制響應(yīng)迅速穩(wěn)定，無(wú)超調(diào)振蕩等問(wèn)題，能適應(yīng)LNG 加注站較大的工況變化范圍，具有較強(qiáng)的魯棒性。

圖10 模糊自適應(yīng)PID 控制效果

結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的PID 控制器由于參數(shù)固定，無(wú)法實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，不能適應(yīng)LNG 加注系統(tǒng)介質(zhì)密度、溫度、儲(chǔ)罐壓力、液位、裝卸車(chē)操作、單雙機(jī)運(yùn)行等較大范圍的工藝流程變化和工況改變，導(dǎo)致壓力超調(diào)振蕩、LNG 加液系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)等問(wèn)題，采用具有在線模糊推理功能的模糊PID 控制算法，能夠?qū)崟r(shí)感知工況變化，不斷優(yōu)化調(diào)整PID 參量，使用模糊PID 控制系統(tǒng)替代原有常規(guī)PID 控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，LNG 加液系統(tǒng)未再次出現(xiàn)超壓保護(hù)停機(jī)問(wèn)題，取得了滿意的控制效果。