1、分类号：密级：单位代码：学号：厶紊只孥硕士学位论文论文题目：压缩空气之智能控制节能系统的研发者颜伟业软件工程师堕壹勇虽蝗堑攮作导师年月日作专导合删原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：通盟垒荤日期：关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；
2、本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：，眸导师签名：日期：赫：山东大学硕士学位论文目录摘要。第章绪论研究的目的和意义国内外研究现状及文献综述研究目标与内容研究目标研究内容本文的主要工作和组织结构本文的主要工作 本文的组织结 构 第章需求分析与获取系统概述系统目标和拟解决的关键问题系统目标拟解决的关键问题 系统研发的技术路线系统需求描述。系统功能性需求 系统非功能性需求 第章系统架构设计技术架构功能架构“专家控制参数设置系统自检山东大学硕士学位论文手动控制报警
3、处理数据管理系统管理第章系统详细设计压缩空气系统特点与分析 压缩空气系统 的组成 压缩空气系统 特性 基于压力的常规控制方案基于压力的控制方案模糊控制设计模糊控制器的基本结构 模糊控制系统组 成 模糊控制系统 原理 模糊控制设计。常规压力模糊控制器 设计 常规压力模糊控制器的不足与改进自适应模糊控制器设计 系统硬件选择与使用可编程序控制器 本系统中的变频 器的选择与使用 传感器 ：系统软件设计人机界面设计 数据库的建立 。部分详细设计 第章系统实现与测试系统实现山东大学硕士学位论文人机界面实现 控制程序实现 系统测试系统响应情况分析 系统节能效果分析 一 第章结论参考文献致谢山东大学硕士学位论
4、文：； ：眦。砌砌眦譬山东大学硕士学位论文山东人学硕士学位论文：山东大学硕士学位论文摘要压缩空气作为一种重要的动力源，广泛用于工业生产和科学实验中，如各种风动机械、风动 工具、气动夹具、自动检测、自动 控制、喷漆以及风动实验等。它是工业生产不可或缺的二次能源。随着制造业的大力发展，自动化机械大量应用，压缩空气的使用范 围日益扩大。然而，目前压缩空气系统主要采用继电器或可编程序控制器控制，这种控制方式智能化程度不高，输出压力不稳定，能源浪费严重。因此，如何对老系 统进行技术改造，使 压缩空气的压力控制在一定的范围内，以满足工 业现场设各的要求，一直是科技人员努力想要解决的问题。针对上面提到的问题
5、，本文运用变频控制和节能设计理念，研发了具有模糊控制功能的压缩空气智能控制系统，系统包括控制策略设计、硬件设计和软件设计三部分。在控制策略方面，针对压缩机供气系统具有大滞后特性及系统稳定性差的问题，介绍了一种基于模糊控制器的 压缩机恒压供气系统的设计。该系统中的模糊控制器结合了传统 控制与模糊控制技术，可完成整个系统的参数自动调整，最终实现 系统恒压供气的目的。设备出口的压力开关，将实际运行中的压力信号变换成标准电信号输入给调节器，与 设定信号进行比较，经比例、积分、微分计算等处理，得出最佳控制参数来控制变频调速器输出，从而控制空压机运行。在硬件设计方面，本系 统的架构分为三层：设备层、数据采
6、集层、管理层。设计思想是：以计算机为控制核心，配以必要的、模块、组态软件组成的智能控制及实时多参数采集系统，采用对压缩机的启动、停止进行控制。系统选用、开发压缩空气智能控制软件，使用、语言编写开发程序，控制软件实现了对压缩空气系统的专家控制、参数设置、系 统自检、手动控制、 报警处理、数据管理和系统管理功能。山东大学硕士学位论文实际运行结果表明， 该系统能根据供气设备及环境的变化做出最优控制，有效提高了整个系统的可靠性、稳定性、 动态响应速度及节能效果，实现了预期的设计要求。关键词：压缩空气系统；节能；控制； 软；模糊智能控制； 语言山东大学硕士学位论文，山东入学硕士学位论文，：，弱，：；研究
7、的目的和意义第章绪论气动系统包括压缩机、后处理设备、 输送管网以及气动设备。我国气动系统每年耗电量在一亿千瓦时， 约占全国总发电量的， 电力、钢铁、纺织、烟草都是压缩空气系统使用大户。仅以火力发电厂为例，每个万千瓦以上的发电厂，其压缩 机年维护费用在多万，而能源消耗费用则在万元以上，随着能源费用的提高，未来相应费用还会不断升高。而我国在气动节能技术的研究和应用上几乎还是一片空白。我国企业在气动技术使用中存在效率偏低、浪费严重、欲实施节能但缺乏经验、无从下手等问题。据国际节能环保协会年调查显示，我国企业工厂中现有的气动系统存在左右的节能空间，如能实施有效的系统综合改造，每年可节约压缩机用电亿度，
8、折合金额约亿元。这不仅将给中国企业节约大量资金， 还将产生巨大的社会效益。因此在加速开发新能源的同时，研究开发并推进压缩空气节能技术，以求合理使用现有能源，帮助企业节能降耗，将产生巨大的经济效益和社会效益。在能源费用高涨和国家节能减排政策环境下，课题将具体研究针对不同空气压缩机的智能控制系统，通过该系统的控制，能够实时地根据系统的压力、流量等状态和要求有效控制系统中压缩机的运行数量，并应用模糊控制理论对系统中压缩机的运行状态进行控制。国内外研究现状及文献综述针对压缩空气系统的特点和节能潜力，目前国内外都在积极开展节能技术研究。全国气动 系统有约一的节能空间。乜提出了解决系统瓶颈、降低气动系统全
9、生命周期费用并提高系统运作效率的方法；王宗林。”提出用康塞维亚节能装置作为气动系统的中介控制，来降低供气站假性需求的压力差额，达到节能的目的。等提出了用气功功率来评价气动设备的能耗指标，从而可计算出气动系统中各环节的损失，明确节能目标；针对设备和管路气体泄漏造成的能耗问题，黄亮等傍提出了一种基于基准流量的并 联接入式离线气体泄漏测量方法；等分析了气动系统运行效率测试技术，并论述了其节能技术特点；许未晴等口通过将连续气流转化为矩形波等不连续流量的气流来研制新型喷嘴节能装置，实现 大幅降低空气消耗；施浩勋睛提出了采取减低入口空气温度，采用中间冷却，降低出口压力，减少泄漏等措施，来 实现气动系统节能
10、。石征 锦等一采用变频调速器对压缩机进行节能控制，来实现系统节电和高可靠性。上述研究多限于理论分析或局部探索，没有采取系统综合优化措施对气动系统进行全面管理和控制。因此需要从系统角度加以深入研究，开发出关键设备和技术，为气动系统节能提供集成技术和解决方案。秦宏波等们 基于系统测试方面提出了工业压缩空气系统节能技术的一些研究；针对压缩机随机间断工作特性，赵望达等口门选用了工业控制计算机以及相应的仪表和控制装置，实现对压缩机组各参数的远程实时监测和现场自动控制；刘闽生介绍了一种主要由 计算机和型高性能数字式 变频器组成的智能化的空压站控制系统，它可以 对多台压缩机集中控制；王本清通 过对矿山压缩机
11、及供气系统存在的各种缺陷、浪费能源及常见多发性故障分析，提出使用变频技术达到减少设备故障、 节约能源、降低生产成本、提高工作效率的技术改进措施；黄志良叼提出在保证生产需要的前提下，压缩机运行台数最少，一般情况下优先运行排气量大的压缩机，每台 压缩机应该长期处在工作状态，卸载时间不应太长，同质量的低压气用量小时，用高 压气减压后使用，减少 压缩机运行台数的运行管理方案；滕桂荣，张培友开发的压缩机智能监控报警系 统中系统采用压力传感器采集储气灌压力信息，采用电流传感器采集电动机运行电流信息，将两种信息均转变为电流信号输入，根据采集信号 执行 编写程序， 对信号进行逻辑综合判断，发 出相关指令，如启
12、动、停机、 报警等，最终使压缩机在储气罐气压低于设定值时启动电动机，在储气罐气压达到设定值或电动机空转时停机，从而实现节能智能监控运行：鲍军，张和平口在采用上述原理的同时改变频敏电阻器起动方式，改用进口软起动器控制电动机起动，限制电动机的起动电流和电压，并对电动机的缺相、短路及软起动器各种故障给予报警，并执行相关保护动作。进行压缩空气节能的另一个有效措施是有效检测并严格控制气体泄漏。对压缩空气系统进行统计分析的结果表明：系统泄漏量经常占到系统产气量的，；秦宏波等提出可以通过直接测试系统流量（这是评估压缩空气系统泄漏量的最直接和最精确的方法刚）、测试压缩机上下载循环和系统压力变化的办法对系统泄漏
13、量进行测定，对于提高压缩空气系统效率具有非常好的实用价值。以上研究表明通过一定的测量手段、运用变频控制的方法、采用工业控制计算机或是或是两者相结合进行压缩机系统 的监控可以实现一定程度的压缩气体节能。然而上述解决方案仍有很大的节能空间。随着现代工业的不断发展，被控对象也变得越来越复杂，而且越来越多的被控过程都不可能建立精确的数学模型，这样就使得基于精确模型的传统控制系统设计理论受到严峻挑战。年，傅京孙（）教授首先提出将人工智能的启发式规则应用于学习控制系统瞳。智能控制涉及的范 围非常广泛，目前主要包括模糊控制、神经元网络、专家控制系统、学习控制、人工生物进化（包括遗传、免疫和种群寻优）算法等瞻
14、妇瞳引。模糊控制已成 为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊控制技术扮演了十分重要的角色，并且仍将成为未来研究与应用的重点技术之一乜朝乜。可编程序控制器（）在气动系统的控制中有着非常重要的作用，将 电流信号输入，可以根据采集信号执行编写程序， 对信号进行逻辑综合判断， 发出相关指令，如启动、停机、报警等。然而传统采用专用软硬件的封闭式系统，使其可维护性、成本等 远远落后于技 术之后。因此基于的开放式软件应运而生。所谓软 件，就是将经过加固的机（或称工业机）的硬件与控制 软件组合、实施通常由 专用的执行的控制功能。或者说，将的控制功能“封装”在软件内、运行于的 环境中。 这样
15、的控制系统在普通计算机上实现了的控制功能矧啪 。根据压缩机群耗电模型和空气管网传动特性，对压缩空气流动过程进行动态分析，结合智能控制算法和模糊控制技术，建立系统控制数学模型，利用软件、电机软启动器等构建压缩机多机连锁控制系统将大大提高节能水平。研究目标与内容研究目标本课题以工业企业压缩空气系统为研究对象，针对典型管网互联的气动系统动态节能优化问题，旨在研究开发一套基于压力和流量综合控制的节能系统。该系统可根据空气管路中的的流量、压力和温度等的变化统一调配系统中压缩机的工作， 简单的说就是当所需压力多时就开启多台压缩机，当需要的压力降低时则适时的关闭一定数量的压缩机；同时利用动态检测方法、变频调
16、速技术提高系统运行的自动化程度和可靠性，以节约能源，降低生产成本。研究内容总体方案 设计设计系统的总体方案。 选择合适的体系结构以及装备。包括控制模式、控制方式、测控指 标、工控机、空气 压缩机，变频 器等的选择以及工作方法设计等可编程逻辑 控制器（）选择与使用根据总体方案选择可编程控制器（），并实现可编程逻辑控制器在整个系统中的控制功能。设计压缩 机状态的监测 与智能控制系统此部分主要完成：（）控制模型和控制算法的选择根据系统的结构特点及控制精度的要求。运用智能控制的有关理论，选择适合系统的控制模型和控制算法。（）模糊控制器的设计根据选择的控制模型与控制算法设计模糊控制器，并对不同结构的模糊
17、控制器进行仿真，选择 控制性能较完善的控制器引入控制系统中人机界面（咖）设计实现界面友好，功能完善的人机界面。本文的主要工作和组织结构本文的主要工作本文针对典型的工业企业压缩空气系统存在的问题，根据压缩机群耗电模型和空气管网传动特性， 对压缩空气流动过程进行动态分析，结合智能控制算法和模糊控制技术，研究开 发了一套基于压力和流量综合控制的智能控制节能系统。系统运行结果表明，达到了很好的节能效果。 论文主要工作如下：设计了基于分散 预测 控制策略的压缩机群智能控制 节能技术。采用有 约束多目标动态优化的协作或协调控制策略实现压缩空气智能控制，从而最大限度降低压缩空气供给压力和流量，达到节能目的。
18、提出了压缩 机群模糊控制 优化算法。均衡每台压缩机的运行时间，使每台压缩机的总运行时间大致相等。完善了压缩 空气系统 在线检测方法。研究压缩空气系统的动态检测模型及其分散闭环辨识算法，建立信号处理数学模型和噪声分析处理模型，实现动态数据分析，并根据系统不同测试参数之间的动态变化关系的分析来发现系统潜在的优化机会。本文的组织结构全文共分为六章，各章的内容如下：第章主要介绍和描述了研究的目的和意义、国内外研究现状及文献、研究目标与内容。第章主要介绍和描述了系统的需求分析及获取。第章详细描述了系统的技术架构和功能架构设计，设计了包括设备层、数据采集监控层、管理 层的三层体系结构。 课题将压缩空气智能
19、控制系统划分为七个主要的功能模块，包括 专家控制、参数 设置、系 统自检、手 动控制、报警处理、数据管理和系统管理等。第章详细介绍了系统方案、硬件、软件的选择与设计，特别是、 变频器、压力和流量开关的选择，控制算法的选择以及软件的设计。第章实现了系统界面及控制算法，并通过详细 的实验数据说明了系统在响应效率及节能效果上的优势。第章对本文所作的工作做了简要的总结。系统概述第章需求分析与获取压缩空气系统使用非常广泛。而压缩机在生产能源和压缩空气的同时，本身也在大量的消耗能源，目前的工业界动辄使用数千马力甚至数万马力压缩机的工厂己为数众多。 压缩空气系统成本包括设备成本、维修成本、保养成本及电力消耗
20、成本等。以台千瓦运行年的压缩机为例，设备成本约占总成本的；维修成本约占总成本的；保养成本约占总成本的：而电力消耗成本约占总成本的 ，平均占企业总电能消耗的一，每年电力消耗费用为天元元。因此 压缩空气节能控制有着非常可观的经济意义。课题以工业企业压缩空气系统为研究对象，针对典型管网互联的气动系统动态节能优化问题，采用基于协调的分散预测控制策略，研究压缩机群智能控制节能技术、系统动态检测 方法、变频调速节能技术。系统由三层组成，最底 层的信号采集层和执行机构，中间的逻辑控制层和最上面的管理层。中间层与底层之间通过动态采集压缩空气管路的信号，包括压力、流量、温度等信息。按照模糊控制算法制定控制策略，
21、由可编程逻辑控制器（）将采集的压力、流量等信号进行逻辑运算，通 过模糊控制器将控制信号输送给变频器，由变频器 实现空气压缩机的变频调速与节能控制功能。管理层主要有两个功能： 人机界面，实现系统 管理、参数 设定以及与控制层数据交换，实现实时显示。数据库管理，实现系统数据与数据库数据的交换，便于系统的进一步扩展。系统目标和拟解决的关键问题系统 目标系统目标是探索针对压缩空气系统中的多目标动态优化算法，研究动态不确定性环境下系统整体性能控制模式，实现系统全局动态节能优化，创新开发节能系统。具体而言，就是综 合运用变频技术、模糊控制技 术以及模糊控制器，结合软件技术，可 编程序控制器技术实现对压缩空
22、气管路的压力及流量智能控制，既能在管路中实现恒压或恒流控制也能实现压缩机变频控制，既满足系统中供气系统压力或流量的动态控制又能兼顾空气压缩机的节能控制。拟解决的关 键问题针对系统的设计目标，课题尝试多种方案， 经过比较分析确定了最终方案并设计实现系统模型。 该系统拟解决以下关键问题：实现压缩 空气供气压 力与流量在规定范围内 变化，通 过采用模糊控制算法，制定模糊规则表。针对压缩 空气系统控制 对象的动态不确定性，采用具有参数自整定能力的模糊控制器，实现对动态、不确定变化的压缩空气系统的自适应控制。将模糊控制器输出引入变频器控制空气压缩机，既实现压缩机的软启动以减少对电网的冲击，又实现压缩机的智能控制，达到变频供气的目的。在单机控制基 础上，研究压缩机连锁控制条件下，压缩机多参数变频调速控制策略及优化算法。 实现系统压缩机运行时间的均衡实用。系统研发的技术路线课题作为应用基础型研究，以典型工业生产压缩空气运行过程实例为背景，采用理论与应用技术集成的研究思路来实现压缩空气系统的节能、全局优化及产品研究开发，并通 过理论与应用反复交互使之不断完善的研究方法。所采取的技术路线如下：在查阅国内外 该领域理 论研究和技术
