基于模糊控制的调压系统设计

谭小路,谭程

(1. 中石化川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430000；2. 北京航天控制仪器研究所，北京 100089)

基于模糊控制的调压系统设计

谭小路1,谭程2

(1. 中石化川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430000；2. 北京航天控制仪器研究所，北京 100089)

针对川气东送输气站场传统调压系统输出压力波动大、响应时间慢和易超调等现象，以某输气站为试点，采用PLC工控编程软件开发出基于模糊控制算法的调压系统，实现对供气压力更快速精准的控制。试验结果表明： 采用模糊控制后，系统在恒定压力、响应时间和超调量等方面取得了较好的控制性能。

输气管道 模糊控制 可编程控制器 响应时间

在川气东送天然气长输管道沿线各分输站场都安装有成套调压撬设备，主要作用是通过三级调压操作[1-4]将干线高压天然气降压至需求值，以满足下游门站的供气需求。传统的调压系统采用PID控制[5]进行调节，由于用气结构受天气和季节的影响，下游天然气管网压力波动频繁，PID控制器适应性差、响应慢和控制惯性大等缺点越来越明显，导致调压设备PV阀门动作频繁，输出压力波动大，甚至可能触发调压系统紧急停车(ESD),影响了输气站场的正常生产运行。因此，设计了基于模糊控制的调压系统，通过加入模糊控制器，确保在实时控制过程中，把复杂的控制过程转换成简单的查找模糊控制规则表的过程，保证压力调节平稳快速，保障了输气站场生产输气任务。

1 系统硬件组成

调压系统主要由站控机、可编程控制器(PLC)、调压撬和压力传感器组成。调压撬出口压力为测量信号，经过A/D模块转换送入PLC。PLC根据设定逻辑对压力信号进行处理，同时将结果经过D/A模块转换成4～20 mA电流信号，调节调压撬PV调压阀的开度，如图1所示。

图1 调压系统硬件结构示意

2 模糊控制设计

2.1 控制方案

为提高控制精度和响应速度，某输气站调压系统新设计的模糊控制采用双输入-单输出[6-8]的方式。2个输入量分别为压力偏差e和偏差率ec，输出u为PV阀阀位变化量，控制系统结构如图2所示。

1) 调压系统压力偏差e：

e(n)=pn-SP

(1)

图2 模糊控制流程示意

(2)

式中：pn——在第n个测量周期调压撬出口实测值；SP——调压出口设定值；e(n)，e(n-1)——偏差e的当前值和前一个采样值。

2) 调压系统输出阀位变化量u： 该系统将阀位的变化量u作为输出，系统根据e和ec进行判断，确定u的大小值，保障压力稳定。

2.2 模糊控制算法

根据该输气站长期运行数据和人为经验，将e的论域设定为[-0.5, 0.5]，采样周期为30 ms，管线压力在此周期内变化不大，因而将ec的论域设定为[-0.05, 0.05]。按照模糊控制设计原理将模糊量E和EC的离散论域设为{-3， -2， -1, 0, 1, 2, 3}，则K1=E/e=(3+3)/(0.5+0.5)=6，K2=EC/ec=(3+3)/(0.05+0.05)=60。

根据已知的比例因子，将连续变量e和ec经过以下计算公式转化成离散量E和EC：

(3)

EC=〈60×(ec-0.05)〉

(4)

式中： 〈〉——取整运算。

控制系统选择对称、均匀分布的三角形隶属函数作为输入、输出量的隶属函数。输入变量E，EC和控制变量U各有7个模糊集： {NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。根据乘积推理的模糊控制规则表，见表1所列。

由于该次控制采用三角形隶属函数，考虑理论计算的精确性与编程实现的简洁性，采用模糊控制系统中应用较为广泛的加权平均法[9]进行解模糊得到精确量u,最终生成该系统模糊控制的查询表，见表2所列。

表1 模糊控制规则表

表2 模糊控制器查询表

3 实验仿真

将设计完成的模糊控制系统进行模拟仿真[10]实验，调压系统出口压力设定为4.2 MPa。PV阀动作轨迹如图3所示。由图3可知，当系统在10 min后，将压力设定值改为4.0 MPa，系统响应快速，PV阀门立刻开始关阀操作，大约经过5 min系统重新达到稳态，而PV阀门开度上下波动幅度在2%左右，调压撬出口压力值PV与设定值SP相符。这说明新控制系统响应迅速、稳定性高且抗干扰性强，因而可以确定该控制系统工作良好，能满足生产要求。

图3 PV阀动作轨迹

4 结 论

该次研究课题中提出的模糊控制方法响应快、调节平稳，能在复杂的输气工况情况下，得到较为满意的控制效果，解决了调压撬恒压控制的问题。通过基于模糊控制的调压系统的作用，保障了输气站场在日后应对复杂的输气环境和下游用气结构波动频繁时能够平稳安全将低压天然气输送至各个用气单位。

[1] 李敏．天然气分输站场调压系统安全设计浅析[J]．化工中间体，2015(04)： 83-84．

[2] 李国志．浅析天然气计量调压站的简便设计[J]．石油天然气学报，2005，27(06)： 943．

[3] 雷鸿．天然气长输管道调压系统控制方案优化[J]．油气储运，2014,13(12)： 1343-1346．

[4] 刘春见．浅析管道站场天然气调压系统[J]．仪器仪表用户，2013(02)： 61-63．

[5] 马建伟，李银伢．满意PID控制设计理论与方法[M].北京： 科学出版社，2007．

[6] 李善军，李军．模糊控制理论及其在过程控制中的应用[M]．北京： 国防工业出版社，1993： 56-72．

[7] 汤兵舅，路林省，王文杰．模糊控制理论与应用技术[M].北京： 清华大学出版社，2002．

[8] 王立新.模糊系统与模糊控制教程[M]．王迎军，译．北京： 清华大学出版社，2003．

[9] 韩俊峰．模糊控制技术[M]．重庆： 重庆大学出版社，2003．

[10] 石辛民，赫整清．模糊控制及MATLAB仿真[M]．北京： 清华大学出版社，2008．

Design of Pressure Regulating System Based on Fuzzy Control

Tan Xiaolu1, Tan Cheng2

(1. Sinopec Sichuan to Eastern China Gas Transmission Pipeline Co.Ltd.,Wuhan, 430000, China; 2. Aerospace Control Instrument Research Laboratory, Beijing, 100089, China)

s： Aiming at the problem of big output pressure fluctuation, slow response, easy to overshoot for traditional pressure regulation system in Sichuan to Eastern China Gas Transportation station, pressure regulation system based on fuzzy control algorithm is developed using programmable logic controller with one transportation gas station as experimental unit. Faster and more accurate control are realized for supplied gas. The test result indicates better control performance is achieved on aspects of stabilizing pressure, response time and overshoot adjustment for the system after adopting fuzzy control.

gas transportation pipeline; fuzzy control; programmable logic controller; response time

谭小路(1989—)，男，湖北武汉人，2011年毕业于中国石油大学(北京)自动化专业，获学士学位，现就职于中石化川气东送天然气管道有限公司，从事天然气自动化设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)04-0026-02

稿件收到日期： 2017-03-22，修改稿收到日期： 2017-06-27。