天然气压缩机电机拖动推进系统双馈控制仿真

王学军++陈星玮++张毅

摘 要：天然气压缩机电机拖动推进系统是整个压缩机电气控制的核心，通过对电机拖动推进系统的双馈控制实现压缩机的稳定运行。提出一种基于SPIDNN变结构理论和滑模控制律的天然气压缩机电机拖动推进系统双馈控制算法。构建天然气压缩机电机拖动推进系统结构模型，设计电机拖动控制功率放大器。采用滑模干扰控制律，对电机拖动推进系统进行双馈控制。物联网通用平台中进行仿真实验，结果表明，该控制算法和系统能高品质实现天然气压缩机电机拖动推进系统控制，控制精度较高，参数和随机干扰没有严格的要求，在其裕度范围就能保证系统工作，输出的电压平稳平滑，有效保证了天然气压缩机电机拖动推进系统的稳定运行。

关键词：天然气压缩机；电机；双馈控制；PID神经系统

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

天然气压缩机是将低压天然气气体提升为高压气体的一种从动的流体机械，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，提升天然气运输过程中的压力。

压缩机按其原理可分为容积型压缩机与速度型压缩机[1]。研究天然气压缩机的电机拖动推进系统控制理论，具有积极重要的意义，相关的电机控制算法研究也受到广大专家的重视[2]。天然气压缩机工作环境复杂多变，其电力拖动推进系统是一种多变量、非线性、强耦合系统，其在运行过程中，受外电场环境作用下，呈现一种时变非线性特征，传统的控制算法难以实现对电机拖动系统的有效控制。本文提出一种基于SPIDNN滑模控制的天然气压缩机电机拖动推进系统双馈控制算法[3]。论文首先建立电力拖动推进系统的电路结构模型，分析控制性能，进行控制算法改进设计，最后通过仿真实验进行性能验证，展示了本文设计的控制系统和算法的优越性能。

1 压缩机电机拖动推进系统结构与控制性能分析

在分析电力拖动控制模型和控制算法设计之前，首先分析天然气压缩机的电机拖动推进系统结果模型，为分析控制算法提供模型基础。电力拖动系统主要是电动机、中频发电机、拖动电机、超导转子整流器、直流变换器和系统终端设备组成[4]。系统组成示意图如图1所示。

图1所示中，中频发电机的电能驱动电动机旋转，提供给系统中的各种控制器，构建电机拖动控制功率放大器，其节点由处理器、射频芯片、外部FLASH、USB桥接芯片和其他外围设备组成[5]。假设目标电流为i*s，定子旋转电流误差为 |Δi*max|。通过上述系统控制模型，构建电机拖动控制功率放大器，其节点由处理器、射频芯片、外部FLASH、USB桥接芯片和其它外围设备组成。调谐放大部分别包括：加法电路、2个移相电路，分别包括电容器或电感器和第一级电阻构成的串联电路，以及差动输入放大器。推进系统的差分方放大器电路结构构件包括A/D、D/A、信号处理器（DSP）和复位电路和宽频带回波信息感知系统。通过上述系统电路设计，完成了天然气压缩机电力拖动推进系统的组成结构分析，并分析了系统工作原理，用以指导控制算法设计。

图1 天然气压缩机电机拖动推进系统结构模型

2 SPIDNN变结构控制理论与双馈控制算法改进实现

2.1 SPIDNN变结构控制算法设计

通过上述模型分析可见，采用传统的PID神经元自适应控制方案进行电机拖动推进系统控制，建立模糊控制律，当电机拖动控制电压骤升时，输出功率出现差拍谐振，性能不好。针对传统算法的缺陷，本文提出一种基于SPIDNN滑模控制的天然气压缩机电机拖动推进系统双馈控制算法，首先构建SPIDNN变结构控制模型，选取SPIDNN作为学习网络，它是一个三层前向神经元网络，为2×3×1结构，它的输入层有两个神经元，接受外部输入信息；它的隐含层有三个神经元，分别为比例元、积分元和微分元，完成比例、积分和微分运算；它的输出层只有一个神经元，完成控制规律的综合和输出，其结构如图2所示。

图2 SPIDNN的结构形式

系统模型中，PIDNN的输出v（k）就等于输出层神经元的输出，即：

v（k）=x''（k） （1）

这里，固定输入层至隐含层的权值ωij（i=1，2；j=1，2，3），仅调节隐含层至输出层的权值ω'i（j=1，2，3），记，将网络的输入设定为，输出为不确定参数上界的估计值，则有：

（2）

其中，为隐含层的输出。在上述SPIDNN控制模型中，采用滑模干扰控制律，对电机拖动推进系统进行双馈控制，结合使用转速控制逆变器对电力拖动控制模型进行输出功率自适应调整，利用离散傅里叶变换计算控制模型中两相换流平均值为：

（3）

其中，Ep为输出电压平均值，rp（k）为电力拖控制模型的有功损耗，yp（k）为两相换流双馈的频率，得到天然气压缩机的双馈控制方程为：

（4）

进一步，在时域上进行平移处理后得到电机模型电势感应特征信息，使用零阶保持器设计控制传递函数，为：

（5）

上式中，w'（n0）为n0时刻采样电流，η'为系统滞后拍SPIDNN模糊控制系数。通过上述控制算法设计，得到了天然气压缩机的电机拖动推进系统SPIDNN变结构双馈控制算法的改进设计。

2.2 电机拖动推进系统双馈控制系统实现

系统实现中，通用平台的应用层可以和PC端，手机端进行通讯，可以连接各种控制设备，实现对电机组的在线控制，整个控制系统采用PHP和MySQL实现，数据处理模块主要用来对无线传感系统传回的数据进行处理加工，通过修改配置表即可使用传感器进行各种应用开发。其中tid代表传感器节点的编号，date表示数据采集时间。在线控制关键代码为：

LOCAL_PATH：=$（call my-dir）

Include $（CLEAR_VARS）

LOCAL_SRC_FILES：=$（call all-java-files-under， src）

LOCAL_JAVA_LIBRARIES ：= hello_jar

LOCAL_PACKAGE_NAME ：=hello_apk

Include $（BUILD_PACKAGE）

通过电机拖动推进控制系统的设计，以及在线控制平台实现，提高了天然气压缩机电机组的运行性能。

3 仿真实验与结果分析

为测试本文设计的控制算法和系统的运行性能，进行仿真实验。基于C++开发平台，完成电机组控制各子系统与用户交互，模块采用USB接口和IEEE 802.15.4通信标准。在物联网通用平台中，主机上使用串口网络调试工具软件，在远程IP里面输入网关的IP，默认为192.168.1.115，组件通过关键字Provides和Uses申明对接口使用的方式：Provides表明组件可向外提供接口，仿真测试过程中的其它主要参数设计见表1。

上述实验环境和参数设定基础上，进行实验。采用本文控制算法和传统PID控制算法进行性能对比，得到不同的算法下对电机组推动推进系统的输出电压控制曲线仿真结果，如图3所示。分析图3结果可见，采用传统控制算法，输出控制曲线具有毛刺和颤抖，由于参数摄动范围过大（通常情况下要求摄动范围在±25%以内），将导致系统不稳定。特别是在电机拖动控制电压骤升时，输出功率出现差拍谐振，性能不好。本文方案能有效避免传统方法的缺陷，对参数和随机干扰没有严格的要求，在其裕度范围就能保证系统的问题，输出的电压平稳平滑，有效保证了天然气压缩机电机拖动推进系统的稳定运行。

（a） 传统PID方法

（b） 本文SPIDNN变结构滑模控制

图3 控制性能对比

4 结 语

本文提出一种基于SPIDNN滑模控制的天然气压缩机电机拖动推进系统双馈控制算法，构建SPIDNN变结构控制模型，实现对天然气压缩机电机拖动推进系统双馈控制，并仿真实现。研究结果表明，本文设计的控制模型和能有效避免传统方法的缺陷，控制参数摄动范围较小，其裕度范围就能保证系统的问题，输出的电压平稳平滑，有效保证了天然气压缩机电机拖动推进系统的稳定运行。本文方法在电机控制等领域同样具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]张毅，盛会平，胡光波.基于相空间重构和K-L变换的压缩机故障诊断[J].压缩机技术， 2011（4）： 19-21.

[2]郭晓艳. 油田管道不定衰减水声信号的仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（3）：118-121.

[3]温阳东， 宋阳， 王颖鑫， 等. 基于模糊神经网络的电力变压器故障诊断[J]. 计算机测量与控制， 2013， 21（1）： 39-41.

[4]克智. 基于智能变频的无线通信基站节能研究[J]. 科技通报， 2012， 28（8）： 62-65.

[5]雷邦军，费树岷， 翟军勇， 等. 静止无功补偿器（SVC）的一种新型非线鲁棒自适应控制设计方法[J]. 中国电机工程学报，2013， 33（30）： 65-70.