基于改进射线法和决策树的压缩机排气温度控制系统

2020-06-10曾华鹏周曦国

天津师范大学学报(自然科学版) 2020年3期

曾华鹏，刘通，周曦国，汤莉，王鹏

（1.天津中德应用技术大学智能制造学院，天津300350；2.天津师范大学计算机与信息工程学院，天津300387；3.天津财经大学理工学院，天津300222）

涡旋压缩机是一种通过容积变化来实现气体压缩的流体机械，相对于往复式和回转式压缩机，这种新型气体压缩机械具有体积小、重量轻、振动小等特点[1]，其压缩部件由动涡旋盘和静涡旋盘组成[2].在压缩机工作过程中，排气管排出高温高压的气液混合物.在某些异常情况下，如排气管温度超过一定的上限值，意味着压缩机内部过热，会导致机械构件变形、润滑油碳化，严重时会造成压缩机烧毁或爆炸等后果[3].目前，压缩机排气温度控制通常采用开关控制和固定PI 参数控制等方法[4-5]，这些方法因控制策略比较单一，不够智能、灵活，使得压缩机效率无法在各种工况下达到最优.

针对上述问题，本文提出了一种基于改进射线法和决策树的压缩机排气温度控制系统.根据压缩机运行范围图，按照工况细分运行区域，采用改进射线法进一步优化运行区域，并结合采集的温度参数信息进行定位，再通过决策树选择相应的控制策略，以提高系统的控制效率和安全性.

1 系统整体设计

系统整体结构如图1 所示，该系统为标准的物联网三层架构，包括感知层、网络层和应用层.

图1 系统整体结构Fig.1 Whole architecture of system

位于感知层的控制器基于STM32 实现，控制器根据存储于参数列表中的运行范围，通过采集蒸发温度和冷凝温度，结合射线法定位当前工况，进而选择相应的控制策略.利用采集的排气温度可对压缩机运行状态进行实时监测，并检验控制效果，同时，感知层将采集到的关键信息通过Modbus 发送至服务器端.

位于网络层的JACE8000 是Tridium 公司开发的一款新型的多协议转换器，它可在相关设备和Internet之间建立双向通信，实时进行设备信息传输并控制智能设备[6]. 本系统中的JACE8000 负责进行TCP/IP 和Modbus 之间的协议转换.

应用层的服务器端程序采用Baja 标准的Niagara平台，它是一种功能丰富的通用系统集成式平台[7].

2 系统硬件

2.1 系统硬件结构

系统硬件结构如图2 所示，芯片采用意法半导体的STM32F103RCT6 单片机，它具有丰富的外设功能和数据处理能力[8-9]. 系统硬件主要包括供电电路模块、温度采样电路模块、步进电机驱动电路模块、继电器控制电路模块和通讯模块.供电电路模块负责将输入的110/220 V 交流电转变为直流电，给单片机、步进电机和继电器供电；温度采样电路模块将温度传感器PT1000 输出的电阻信号转换成单片机可识别的电压信号；步进电机驱动电路模块负责驱动步进电机以一定的步数正转或反转，从而控制喷液阀的开大或关小；继电器控制电路模块用来驱动继电器的吸合或断开；通讯模块负责基于串口的通讯.

图2 系统硬件结构Fig.2 Hardware architecture of system

2.2 温度采样电路设计

温度采样电路原理如图3 所示.为提高温度采样电路的精度，选用FSA4157P6X 模拟开关芯片，当SEL 端为低电平时，B0 和A 连通；当SEL 端为高电平时，B1 和A 连通.

图3 温度采样电路原理Fig.3 Schematic of temperature sampling circuit

B1 端连接一个1 kΩ 的高精度电阻（因PT1000在0 ℃时对应1 kΩ）.利用STM32 控制SEL 端，周期性地对采样电路进行校准.

2.3 继电器驱动电路设计

继电器驱动电路原理如图4 所示.基于STM32 控制的继电器驱动电路可以通过控制继电器的开合而控制供电回路的开关. 当压缩机处于异常工作状态时，需要及时切断系统的供电回路.系统采用单片机的两路I/O 冗余输出对继电器进行控制，仅当两路I/O（Q2_ENA、Q4_ENA）的输出同时为高电平时，继电器吸合，否则断开，冗余设计可以尽可能避免由于单路故障而无法切断系统供电回路的情况发生，进而提高系统的稳定性和可靠性.

2.4 步进电机驱动电路设计

步进电机驱动电路原理如图5 所示.

图4 继电器驱动电路原理Fig.4 Schematic of relay control circuit

图5 步进电机驱动电路原理Fig.5 Schematic of stepper motor drive circuit

当压缩机温度过高时，可打开喷液阀，将制冷剂喷入压缩机降温. 系统利用DRV8824 芯片控制步进电机按一定的步数正转或反转[10]，从而控制喷液阀的开度.

2.5 RS485 通讯电路设计

RS485 通讯电路基于TD301D485 实现，其电路原理如图6 所示.TD301D485 是集成电源隔离、电气隔离、RS485 接口和总线保护器件于一体的RS485 接口隔离模块.当CON 端为低电平时，处于发送状态；当CON 为高电平时，处于接收状态.

图6 RS485 通讯电路原理Fig.6 Schematic of RS485 communication circuit

3 系统软件

3.1 压缩机运行范围图

压缩机的蒸发温度和冷凝温度通常指忽略了压缩机与蒸发器以及压缩机与冷凝器之间的压损，对吸气饱和温度和排气饱和温度的简称[11].以蒸发温度为横坐标、冷凝温度为纵坐标，压缩机运行范围图如图7所示，根据压缩机的结构特点，运行范围分为正常、报警和危险3个级别共6个区域，其中区域1 为正常区域，区域4 为危险区域，其他区域为报警区域.报警区域中，区域2.1 对应“低吸气压力工况”，区域2.2对应“高压缩比工况”，区域2.3 对应“低压差工况”.利用实时采集的蒸发和冷凝温度，可在坐标系中确定当前工况点，再结合射线法判定该点所属区域，从而根据不同工况精准选择控制策略.

图7 压缩机运行范围图Fig.7 Compressor envelop map

3.2 射线法

射线法是一种图形学算法，用来解决点与多边形的关系.其原理是由点P 引一条水平射线，计算水平射线与多边形边的交点个数，利用交点个数的奇偶性判断点P 与多边形的位置关系[12-13]. 射线与多边形的位置关系分为6 种情况，如图8（a）～（f）所示.图8（a）～（d）为一般情况，利用射线与多边形边的交点个数容易判断点P 与多边形的位置关系；图8（e）和（f）为特殊情况，需要特殊处理，对于图8（e），多边形在边的顶点处和射线相交，如果该顶点是其所属边上纵坐标较大的顶点，则计交点数，否则不计，对于图8（f）射线与多边形的边重合的情况，则不做考虑[14].

压缩机运行范围图（图7）的区域4 为危险区域，当温度点位于该区域时须要立即停机，为提高判断效率，模型确定了覆盖另外5个区域的最小长方形（称为外接长方形），若温度点不在该长方形内，则可以直接判定落在区域4.本文射线法流程如图9 所示.

图8 射线法原理Fig.8 Principle of ray method

图9 射线法流程Fig.9 Flow chart of ray method

3.3 决策树算法

决策树算法具有结构简单、可解释性强等特点，已广泛应用于医学、金融及电力系统决策分析等领域[15].基于决策树构建控制算法模型，要求尽可能快速判断出当前工况点所在区域.当工况点由一个区域向另一个区域迁移时，可实现更加平稳的控制效果，同时当一些危险情况出现并持续一定时间时，可尽快采取保护措施.模型采用ID3 算法，基于信息增益构建决策树模型，信息增益公式为

其中：Gain 为节点的复杂度，是历史数据的信息熵；信息增益Info_Gain 为分裂前的数据复杂度减去子节点的数据复杂度Gaini的和.信息增益越大，分裂后的复杂度减小得越多，分类的效果越明显.以运行范围区域和是否超时为属性，分别计算其信息增益，区域属性的信息增益设定为0.33，超时属性的信息增益设定为0.35.决策树模型的结构如图10 所示.

图10 决策树模型Fig.10 Model of decision tree

4 测试结果与分析

在进行系统测试前，采用MATLAB 进行射线法算法的仿真，以验证射线法程序的有效性，仿真图如图11 所示.仿真结果显示该算法能够准确判断当前点所在区域.

图11 射线法的MATLAB 仿真Fig.11 MATLAB simulation of ray method

排气温度的控制效果测试在试验台进行，试验台实景如图12 所示.

将温度期望值设为121 ℃，通过RS485 实时读取当前的排气温度值和喷液阀的开度值. 控制效果评价包括控制精度、鲁棒性和控制速度.在PC 端程序中绘制的控制曲线如图13 所示.由图13 可见，在系统达到稳定后，排气温度可以控制在设定值±2 ℃内，满足精度要求.同时，在工况切换时（6654 s～6954 s），排气温度开始下降，喷液阀相应快速减小开度至0，之后重新打开，排气温度随之经短暂波动后又维持在设定值121 ℃附近，满足鲁棒性和控制速度方面的要求.