空壓機(jī)壓力控制系統(tǒng)建模與動(dòng)態(tài)特性研究

　　空壓機(jī)是種氣體壓縮、輸送設(shè)備，廣泛(extensive)應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域(field)。為了保證空壓系統(tǒng)(system)安基金項(xiàng)目(xiàng mù)：湖南省科科技計(jì)劃項(xiàng)目011FJ201S；湖南省教育(Education)廳全高效運(yùn)行，對(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行良好控制是十分必要的。目前，空壓機(jī)壓力控制主要有2種方式方法：（3）普通的加、卸載模式是通過控制電機(jī)啟、停的方式調(diào)節(jié)氣壓，當(dāng)壓力低于加載壓力時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)壓力高于卸載壓力時(shí)電機(jī)停止；Q變頻模式是通過變頻調(diào)速控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)氣壓，制技術(shù)當(dāng)儲(chǔ)氣壓力低于需求壓力時(shí)，電機(jī)加速運(yùn)行，而當(dāng)儲(chǔ)氣壓力高于需求壓力時(shí)，電機(jī)減速運(yùn)行。由于空壓機(jī)使用量大，屬能耗大戶；提高(空壓機(jī)控制性能、減少其能耗成為空壓機(jī)研制開發(fā)的熱點(diǎn)問題。通用的節(jié)能方法主要是：通過合理配置輸氣管道，減少管道的壓力損失與空氣泄漏；合理潤(rùn)滑(lubricating)，采用低黏度（viscosity)潤(rùn)滑性能較好的潤(rùn)滑油來降低摩擦功耗；在保證實(shí)際用風(fēng)量的同時(shí)盡可能（maybe)低設(shè)定空壓機(jī)的排氣壓力，因?yàn)榕艢鈮毫υO(shè)定越低所消耗的軸功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）越少；定期對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)揮機(jī)器的最佳性能；另外還可以通過選擇高效的電動(dòng)機(jī)；或者尋求加、卸載運(yùn)行工況下最優(yōu)控制方案來達(dá)到節(jié)能的目的W.然而，這些措施并不能完全挖掘出空壓機(jī)的節(jié)能潛力（指?jìng)€(gè)人能力發(fā)展的可能性)。目前，空壓機(jī)絕大部分采用普通的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)％采用非變頻調(diào)速技術(shù)能源（解釋:向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì))浪費(fèi)嚴(yán)重隨著PWM技術(shù)矢（shǐ）量控制技術(shù)％直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等現(xiàn)代電機(jī)變頻技術(shù)的發(fā)展，采用變頻空壓機(jī)替代定轉(zhuǎn)速空壓機(jī)成為目前和今后主要的節(jié)能措施，該方法不但避免了空壓機(jī)頻繁（frequency)啟停，而且具有顯著的節(jié)能效果。現(xiàn)階段空壓機(jī)變頻節(jié)能主要手段是采用空壓機(jī)配置變頻器，運(yùn)行及保護(hù)多數(shù)采用PLC智能控制的方式。整個(gè)系統(tǒng)以輸出壓力作為控制對(duì)象，由壓力傳感器取出反饋信號(hào)，按壓力的變動(dòng)量決定電動(dòng)機(jī)的工作頻率和轉(zhuǎn)速的大小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。在這方面：何鳳有等將模糊PID控制應(yīng)用于由PLC和變頻器組成的空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)中p；徐志花等采用壓力變送器、人工智能調(diào)節(jié)器、變頻器對(duì)螺桿式空壓機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造；孫立波等采用無模控制技術(shù)對(duì)空壓機(jī)配置的矢量控制變頻器進(jìn)行改造，優(yōu)化了空壓機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，提高了裝置(Apparatus)的適應(yīng)性鐘美鵬等研究了種用直流無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直聯(lián)式空壓機(jī)，借鑒直接轉(zhuǎn)矩控制的思想，根據(jù)直聯(lián)式空壓機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)，提出了一種基于單片機(jī)的脈寬調(diào)制（PWI變占空比控制方法。這些研究工作對(duì)推動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)行控制優(yōu)化起到了積極作用。
　　本文在綜合分析(Analyse)現(xiàn)有基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包括空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐子模型、馬達(dá)子模型、控制子模型在內(nèi)的空壓機(jī)壓力(pressure)控制系統(tǒng)模型，并對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)壓力控制動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，為空壓機(jī)的優(yōu)化控制提供理論依據(jù)。
　　2壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)建模2.1空壓機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介空壓機(jī)系統(tǒng)一般由主機(jī)和電機(jī)系統(tǒng)、潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，其中主機(jī)是空壓機(jī)的核心部件，雙螺桿空壓機(jī)主機(jī)為一對(duì)互相嚙合、相反旋向的螺旋形齒的轉(zhuǎn)子。昆山空壓機(jī)維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動(dòng)清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進(jìn)口導(dǎo)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級(jí)壓縮，經(jīng)一級(jí)壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級(jí)壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒間容積(Capacity)逐漸擴(kuò)大，氣體(gas)經(jīng)吸氣孔口進(jìn)入齒間容積直到容積達(dá)到最大時(shí)，與吸氣孔口斷開，此時(shí)封閉齒間容積，完成吸氣過程。之后轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，容積也逐漸縮小，壓縮過程中油在轉(zhuǎn)子齒槽間形成層油膜，不但可以避免金屬與金屬直接接觸(contact)，還可以密封轉(zhuǎn)子各部的間隙并吸收壓縮熱量(Heat)。容積不斷縮小的結(jié)果(result)是將壓縮后氣體送到排氣管，直到該容積最小時(shí)為止。所示為種螺桿空壓機(jī)（有油）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(5圖。
　　對(duì)于所示的空壓機(jī)系統(tǒng)，為了保障其安全有效運(yùn)行，一般通過對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)中關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控實(shí)現(xiàn)。主要包括：排氣壓力、排氣溫度、電機(jī)溫度、風(fēng)扇電機(jī)溫度、全氣過濾器壓差、油氣分離器壓差等多個(gè)參數(shù)。
　　1.油氣分離器2.壓力控制（control)器3.顯示器4.最小壓力閥5.溫控閥6.油過濾(filter)器（作用：過濾雜質(zhì)等）7.冷卻(cooling)器8.空氣過濾器9.控制電磁閥10.螺桿主機(jī)11.電動(dòng)(electric)機(jī)12.油罐13.安全閥（作用：控制壓力不超過規(guī)定值）為了分析方便，對(duì)空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐作如下假設(shè)：0）空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐在進(jìn)、出氣時(shí)，儲(chǔ)氣罐中的溫度基本不變，這里假設(shè)儲(chǔ)氣罐中溫度為300K熱力學(xué)溫度；Q儲(chǔ)氣罐在進(jìn)、出氣時(shí)，氣體(gas)達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間忽略不計(jì)，即瞬間平衡；Q儲(chǔ)氣罐的進(jìn)、出氣口壓力梯度很小，忽略壓力梯度的影響；（4設(shè)儲(chǔ)氣罐在未充氣之前，儲(chǔ)氣罐中壓力與外界壓力平衡，約為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；假定儲(chǔ)氣罐的容積為1m3，儲(chǔ)氣罐形狀對(duì)氣體狀態(tài)無影響。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應(yīng)選用適宜的進(jìn)排氣消聲器。空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個(gè)、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)。空壓機(jī)的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)在空壓機(jī)排氣口使用小孔消聲器昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。
　　2.2.1范德瓦爾方程式由于實(shí)際的氣體(gas)只有在溫度（temperature)較高、壓力較低時(shí)，才能近似的使用(use)理想氣體狀態(tài)方程，因此采空壓機(jī)(compressor)采用三相感應(yīng)電機(jī)，做如下理想化的假設(shè)：
　　①電機(jī)定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱；
　　②定轉(zhuǎn)子（rotor）表面光滑、無齒槽效應(yīng)(effect)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間呈正弦分布；
　　③磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)。
　　三相感應(yīng)馬達(dá)本質(zhì)上是個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)(system)。設(shè)甸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向0=幻重合，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用式~0表示。
　　用實(shí)際氣體(gas)狀態(tài)方程式來描述儲(chǔ)氣罐中氣體p-F-r關(guān)系。范德瓦爾在19世紀(jì)70年代對(duì)理想氣體狀態(tài)方程做了定的修正，最先提出了實(shí)際氣體狀態(tài)方程式，如。
　　2.2.3感應(yīng)馬達(dá)模型Usi，Wa，定子電壓在￠/軸上分量%――轉(zhuǎn)子（rotor）磁鏈R3，Rt――定子、轉(zhuǎn)子電阻4d，4q定子電流在山軸上分量Cs同步角速度叫一轉(zhuǎn)差角速度磁鏈方程少sd=孔德文，林惟鋟，蔡茂林，等。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)在空壓機(jī)的進(jìn)、排氣口安裝消聲器或設(shè)置消聲坑道以后，氣流噪聲可以降到80db(a)以下，但空壓機(jī)的機(jī)械噪聲和電機(jī)噪聲仍然很高，因此還應(yīng)在空壓機(jī)的機(jī)組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體：在佛山凌格風(fēng)空壓機(jī)站，高大空曠的廠房混響很重。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應(yīng)選用適宜的進(jìn)排氣消聲器。空壓機(jī)進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應(yīng)選用抗性結(jié)構(gòu)或以個(gè)、抗性為主的阻抗復(fù)合式結(jié)構(gòu)。空壓機(jī)的排氣氣壓大，氣流速度高，應(yīng)在空壓機(jī)排氣口使用小孔消聲器螺桿空壓機(jī)加、卻載工況下節(jié)能運(yùn)行分析(Analyse)。北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（FuzzyLogic何鳳有，鮑衛(wèi)，湯，等。基于模糊PID控制（control)器的空壓機(jī)恒壓供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工礦自動(dòng)化，2010，（1）徐志花。螺桿式空壓機(jī)的變頻（frequency conversion)節(jié)能改造。能源與環(huán)境，2009，（6）：29-31.孫立波，張宏英。空壓機(jī)無模控制技術(shù)。油氣田地面工鐘美鵬，鄭水英，潘曉弘。直聯(lián)式空壓機(jī)PWM變占空比李永東。交流電機(jī)數(shù)字(Resources)控制系統(tǒng)。北京：機(jī)械工業(yè)(gōng yè)出在線檢測(cè)與監(jiān)控、精密計(jì)量測(cè)試，發(fā)表論文30多篇。