模糊控制在天然气压缩机控制系统智能化的应用

杨灵飞，王伟，李志刚，李墨林

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

天然气压缩机对石油中的伴生气和天然气进行回收和再利用起到了关键的作用，为海洋油气田的节能减排和降本增效提供保障。随着工业技术的进步，设备的功能越来越复杂，保护越来越完善，对天然气压缩机的控制系统提出了更高的要求。智能化成为发展的趋势，一种非线性的模糊控制算法使控制系统有了像人一样分析和判断的能力。

天然气压缩机在整个运行周期有吹扫、预润滑、起动主机、等待滑油温度、手动加载、自动加载等流程，在这些流程中除了自动加载流程以外其他流程是需要人员参与的，自动加载是依靠PID 调节自动实现。压缩机的各个流程环环相扣，依次执行，在每个流程内部又有许多逻辑条件，都满足后才能进入下一步。这样对操作人员的经验和判断力有严格的要求。虽然在操作页面有开机向导，减小了操作难度，但操作人员还是希望能有一个更简便的傻瓜式的操作方案，一键起动和智能化等。一键起动即点击一次起动按钮，触发机器进入流程，剩下工作的交给压缩机的控制系统来自己完成全部流程顺序操作的过程，智能化要求机器像人一样可以自己思考和判断，能够完成一些更为复杂的工作。

天然气压缩机要实现一键起动和智能化，需要压缩机控制系统自己去判断每个流程执行的进度，以及每个流程内部的执行的任务是否完成，逻辑条件是否满足，没有完成时如何处置或协助完成，条件满足后自己去触发进入下一个流程，如此顺序执行。

在主电机起动流程中为减小起动阻力，回流阀的开度开到100%。主电机起动流程结束后，面临的一个最主要的困难是手动加载流程。手动加载流程为逐步减小回流阀的开度，来逐步提升压缩机出口的压力。在等速度的关闭回流阀的过程中，因存在着许多不同程度的不确定因素，包括模型误差和外部干扰。每次起动压缩机，上游来的天然气压力、流量、温度都有差异，天气、外界环境等因素也有差异，需要依靠人的经验和判断做出千差万别的操作。压缩机的出口压力上涨的速度并不匀称，上涨过快给控制系统的稳定带来冲击，也给切换到自动加载时PID 调节初期带来较大的波动，操作错误就会出现关停，所有流程需要从头再来，操作难度有点大。

此时被控对象的数学模型不准确，而且误差比较大，需要采用一种非线性，减小对数学模型准确度的依赖，将控制系统设计成能像人一样思考、判断、综合推理，并对这个过程做出微调，使结果达到令人满意的效果。

采用压缩机出口压力上涨速度为自变量，对调节阀开度调节速度干预程度为输出量建立关系。采用一种非线性算法，模糊控制算法。

模糊数学模型能够不过度依赖数学模型，设压缩机出口压力上涨速度为自变量，对调节阀开度调节速度的干预程度为输出量。

将自变量模糊化处理，负偏大说明压力上涨速度过快，正偏大说明压力上涨太慢，其他类推，的矢量值如表1所示。

表1 e 的矢量值

将输出量模糊化处理，负大说明促使调节阀关闭速度加快，0 偏差对调节速度不干预，正大说明促使调节阀的调节速度减慢，的矢量值如表2所示。

表2 u 的矢量值

模糊规则：

（1）若负大，则正大。

（2）若负小，则正小。

（3）若为0，则为0。

（4）若正小，则为0。

（5）若正大，则为0。

因为压力上涨速度慢，不会造成危险，可以不对调节阀的调节速度干预，任其按照固定的速度往小调节，模糊规则表如表3所示。

表3 模糊规则表

模糊关系：

模糊关系矩阵：

根据模糊关系，规则内取交集，规则间取并集。得：

模糊决策：

控制量反模糊化：

当为负大时，

当为负小时，

当为0 时，

当为正小时，

当为正大时，

按照隶属度最大关系，为负大、负小、0、正小、正大时。对应的值是4、2、0、0、0 即在压力上涨速度大于目标设定速度时对回流阀的关闭速度按照等级进行干预，上涨越快干预越强，低于时不对调节阀关闭速度干预，即按照设定速度逐步关闭。

现场实际使用过程中，会有特殊情况。为此按照有经验的调试工程师编制了一个专家经验数据库，在参数出现特殊情况时，控制系统按照专家经验数据库的规则可以提出更高优先级的干预，让系统动作暂停并保持，留出足够的时间让上游设备做出反应和让压缩机本体内的压力充分上涨，避免过快迭代。

在手动加载的过程中，可能出现如下状况：

出现上游天然气补充不及时造成一级入口压力暂时偏低，继续减小回流阀的开度会对上游工艺系统造成影响，需要回流阀短暂等待上游压力恢复；

出现上游天然气补充波动造成一级入口压力暂时偏高，即使出口满足设计要求也要使回流阀的开度继续下降，直到入口压力满足要求将回流阀切入到PID 控制。

两台回流调节阀配合不当造成级间压力高，或级间压力低。

根据以上几条，应对压力特殊情况的经验列表如表4所示。

表4 经验列表一

其中P1 表示一级入口压力，L1 表示入口压力低报警值，H1 表示入口压力高报警值，P2 表示一级出口压力，L2 表示出口压力低报警值，H2 表示出口压力高报警值；P3 表示二级入口压力，L3 表示二级入口压力低报警值，H3 表示二级入口压力高报警值，P4 表示二级出口压力，L4 表示二级出口压力低报警值，H4 表示二级出口压力高报警值；PV1 表示一级回流阀开度值，PV2 表示二级回流阀开度值。

对于有两级压缩机的机型需要考虑一级加载与二级加载不均衡出现偏载，造成排气温度差异较大，排气温度大的一侧容易温度高高关停，也对机械本身不利。

根据上面，应对温度不平衡的经验列表如表5所示。

表5 经验列表二

T1 表示一级排气温度，T2 表示二级排气温度，温度允许有上下10 ℃的偏差；PV1 表示一级回流阀开度值，PV2表示二级回流阀开度值。

以上这些表格存储于数据库中，当现场的压力或阀门的开度与预先设定有较大偏差时，机器可以从数据库查表，并作出类似于人类判断，并对机器进行干预。

在工控软件中制作成带背景数据的功能块如图1所示。

图1 功能块

在实际使用时，回流调节阀回关动作速度与压力上涨速度协调，很好地控制了压力过快上涨造成的冲击、和载荷的不平衡，减轻了天然气压缩机对上游设备的冲击，降低了操作人员的工作量，降低了操作错误带来的风险。实现了控制系统拥有丰富的经验和像人一样能够思考的能力。提高了控制系统的智能化水平。