0 引 言

压缩空气是现代工业生产中的主要“能源”之一。在世界范围内，空气压缩系统广泛应用于石油、钢铁、化工、冶金、动力、航空航天等行业，空气压缩系统的耗电量占总耗电量的10%～15%[1]。现阶段，对国家而言，常规燃料发电造成了全球温度变暖以及一些环境污染问题，因此节能减排具有重大的实践意义。对企业而言，在一个空气压缩系统的生命周期内，电力消耗成本是该系统的主要成本，远大于设备投入成本和维护成本，降低空气压缩系统的能源消耗已经成为企业提高经济效益的一个重要途径。实际上，空气压缩系统电机效率低、供气压力过高、空气泄漏、压力损失等造成能源浪费的问题普遍存在[2]。对于一个具有多类型空压机的空气压缩系统，在耗气端流量变化比较大的情况下，稳定压力能够有效节省其电能，是提高系统工作效率的有效方式。对于一个空气压缩系统而言，产气压力每提高0.1 MPa，能耗将增加7%，并且空气泄漏也会更严重[3-4]。在空气压缩系统的节能上，国内外很多学者进行了研究，并取得了相应的研究新成果。S.V.Krichel等[5]在MATLAB/SIMULINK中建立了空气压缩系统的动态仿真模型，把整个系统分为产气单元、储气罐、冷却器3个主要部分，完成了参数的修正以及仿真效果的评估；R.Saidur等[6]介绍了在节能策略下的空压机能源利用情况，对比使用高效电机、变频代替非变频、防漏、使用高效喷嘴等节能措施，来分析浪涌控制对离心机的节能情况的影响，提出企业可以根据自身的情况选择最适合的节能策略，在经济上是可行的；王盛慧等[7]建立了空压机时变系统模型，提出了基于串级控制的广义预测控制策略，最终提高了系统的控制精度和动态品质；赵前程等[8]分别在变频控制和加卸载控制两种模式下进行数值仿真分析，证明系统具有良好的动态性能；何凤有等[9]结合传统PID控制和模糊控制技术，对气体的恒压进行了控制，降低了变频过程中的超调，提高了系统的稳定性和可靠性，该策略具有显著的节能效果。在以上研究的基础上，本文提出了一种基于多种类型空压机的空气压缩系统的控制策略。结合加卸载和台数控制，对传统PID进行改进，使系统在工况变化下能够保持稳压，进而达到空气压缩系统节能的目的。

1 空气压缩系统模型的建立

为了深入研究空气压缩系统的运行机理，建立了空气压缩系统的数学模型。模型包含压缩机模型、能耗模型、产气量模型和储气罐模型等。空压机运行时，常温气体经过压缩机的压缩变成高温高压气体，高温高压气体经过冷却过滤后进入储气罐，储气罐里的压力逐渐升高至设定压力后，根据需求进行干燥过滤等操作后供用气设备使用。在工业现场的空气压缩系统中，实时检测和记录进出空气的温度和压力，一方面验证模型的准确性，另一方面采用出气压力作为反馈值来控制压缩机的工作状态。

1.1 压缩机模型

压缩机是整个空气压缩系统的核心部分，是整个反馈环节的执行机构。目前压缩机按产气原理主要分为活塞式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机和转子式压缩机，本文系统只包括活塞机和螺杆机。活塞机和螺杆机都是通过压缩体积达到增压的目的。根据热力学方程有：

v=θ n

(1)

式中，v为内压比，θ为恒定体积比，n为压缩过程多变指数。在压缩过程中，如果气体与外界没有热交换，这是一个绝热压缩的理想状态，其绝热压缩指数为1.4；如果气体在压缩的过程中能量瞬间释放，气体温度与外界温度始终保持一致，这是一个等温压缩的理想状态，其等温压缩指数为1。在实际情况下，气体压缩是介于绝热压缩和等温压缩之间的，叫做多变过程。压缩多变指数计算方式如下[10]：

同伴反馈是二语习得领域的一个重要课题，尤其是在二语写作研究领域。 针对同伴反馈相关术语众多并且所指存在差异、相关分类存在重叠现象和识别方法耗时的现象，本文提出，可以从行为、过程和结果三个方面定义同伴反馈； 整合同伴反馈的内容和功能，解决两种分类重合现象较多的问题； 新制定的编码方案不仅更加细化、操作性更强，而且更具中国话语特色； 综合运用文献回顾和人工识别方法来识别反馈类型。 在此基础上形成同伴反馈研究的理论框架，可以为二语写作研究和二语习得研究奠定理论基础。

 

(2)

式中，pout为出气压力，pin为进气压力，压力单位为MPa，Tin为进气温度，Tout为出气温度，温度单位为K。

1.2 能耗模型

把压缩气体看作理想气体，空压机的等熵绝热功率Pa计算方式如下[11]：

本次Meta分析结果显示，给予PGA滴眼液与给予常规治疗药相比，CCT、ACT、TCT、眼压比较差异均无统计学意义。这说明，PGA滴眼液对POAG患者的角膜厚度无显著影响。

 

(3)

式中，Pa为空压机等熵绝热功率，单位为W，Rs表示空压机能耗系数，qv为空压机实际体积流量，单位为m3/min。

空压机实际的轴功率P为等熵压缩的功率与绝热效率的比值，即

P=Pa/η

(4)

式中，η为绝热效率。绝热效率反映压缩机的能量利用率大小。不同型号的压缩机绝热效率不同，一般在60%～80%之间，可以用以下拟合公式计算：

一般情况下，变频空压机作为主要的供气设备，通过控制变频空压机频率变化来调控系统产气压力的变化，使储气罐压力稳定在设定值，当变频空压机单独运行不能满足用户需求时，将配备相对小型的非变频空压机。

η=b1+b2(qv/s)+b3(qv/s)2

(5)

式中，b1，b2，b3均为空压机系数，本文非变频空压机的空压机系数依次为0.64，751.00，-6.14×10-5，变频空压机的空压机系数为0.61，877.00，-7.00×105，s为转子的转速，单位为r/min。

1.3 产气量模型

由于积分项的系数kp/Ti是一个定值，系统整个运行过程中，积分作用保持不变，但是空气压缩系统的耗气量是一个变化的过程，传统的PID控制方式会导致最后压力波形达到积分饱和。

qv=Visηv

(6)

式中，Vi为转动一次的进气量，单位为m3/r，ηv为容积效率，s为转速，单位为r/min。

容积效率表示压缩机实际容积流量与压缩机理论容积流量的比值。理论的容积流量由压缩机的尺寸和转速决定。但是由于容腔内部有余隙容积和泄漏等问题存在，实际的容积流量小于理论容积流量。

（3）矿料级配设计。上面层采用AC—16型沥青混合料，设计时考虑含砂量对混合料性能造成下降，故将设计级配沿规范要求中值适当上移，具体见表3。

ηv=qv/qv1

(7)

式中，kv表示积分项调整程度，数值在0～1之间，kv的计算公式如下：

 

(8)

1.4 储气罐模型

式中，kv在0到1之间，Vl为kv变化的下限，Vh为kv变化的上限。具体变化如图3所示。而本文提出的控制方法能够自动调节积分作用的大小，偏差较大时积分作用减弱，偏差较小时积分作用增强。

pV=mrT

(9)

式中，p为储气罐中气体压力，单位为MPa，V为储气罐的有效容积，单位为m3；m为储气罐中气体的质量，单位为kg；r为与气体有关的常数，对于干空气约为287 J/(kg·K-1)；T为绝对温度，单位为K。

2 控制策略仿真分析

  

图1 空压机群控流程图

本文结合变频控制和阶梯式异步加卸载控制方式，分别实现对变频空压机和非变频空压机的控制，使系统能在用户耗气量变化比较大的情况下保持压力稳定。整个系统有2个检测变量，即储气罐压力(出气压力)、用户耗气流量。空压机群控流程如图1所示，根据出气流量和储气罐压力并联控制非变频空压机，根据储气罐压力控制变频空压机。

  

图2 控制策略流程图

塑料等新型材料在商品包装中的应用对我国环境产生了严重影响，这种不可回收的材料不但会导致相关企业生产成本的消耗，对于我国环境保护工作的开展必然也会产生一定影响，而对于本研究所讨论的陶瓷材质来说，其在我国已经有了上千年的发展历史，其自身具备抗氧化、耐酸、耐久性好、不含毒性、质地自然等多种特点，通过这一材料的应用，酒类产品包装对环境的影响将会被降低到最小。另一方面，由于陶瓷的耐久性与大部分酒类产品所追求的“陈酿”特质是非常符合的，通过这两者之间的结合，陶瓷酒具将能作为永久的文化载体与当代商品结合起来，进而更好的传递出当代商品所表达的内涵，提升商品的整体价值。

整个控制策略如图2所示。控制器根据检测到的储气罐里的压力信号和储气罐出口的流量信号，协调控制空压机群的动作。首先，在储气罐初始压力比较小时，为了尽快使其压力达到供气需要的压力，可以同时启动变频空压机和非变频空压机。为了避免非变频空压机的同时加卸载，实行阶梯式异步加卸载控制策略。设置非变频空压机的加卸载压力，每一台非变频空压机的加卸载压力都不同。这样设置的目的主要是使压力变化更加平稳，同时也可以减少电机启动瞬间过激电流对电网的冲击。其次，当用户耗气量高于变频空压机以最高频率运行下的产气量时，第一台非变频空压机启动加载；在用户耗气量高于变频空压机和第一台非变频空压机同时运行的产气量时，第二台非变频空压机启动加载；以此类推。以上是流量信号控制空压机的运行流程，除了流量信号，压力信号也控制非变频空压机的运行。以其中一台非变频空压机为例，达到加载压力，空压机加载，达到卸载压力，空压机卸载，其余情况空压机保持原来的运行状态。

关于非变频空压机的控制有两个重点。一是压力信号和流量信号有1个为加载信号，空压机即加载，2个都为卸载信号，空压机才卸载，其余情况空压机保持原有的运行方式；二是必须设置卸载时间，为了避免空压机长时间处于卸载状态导致空压机发热和能源浪费，当到达卸载时间，空压机关机，下次加载重新启动。本文使用变积分PID控制算法对变频空压机进行控制。传统的PID控制算法如下：

M, s1, s2 |= φ ∧ ψ ，当且仅当， 存在s3且M, s1, s3 |= φ ，M, s3, s2 |= ψ

宝宝看到新奇事物，总想知道这是什么、为什么这样？所以就会去动动摸摸、敲敲打打。让他按照自己的意愿去进行，才能满足他的学习需要，因此，不堵塞宝宝进行自主学习的路是原则。

 

(10)

(1) F1断层：位于区内近东西向山梁的东侧、西侧山沟的西部边缘，走向北北东10°～20°，倾向南东，倾角50°～70°。正断层，断层带两侧地层明显错动，岩层破碎，地形上多呈陡坎或冲沟，富水性好。

在空压机的运行过程中，空压机在实际情况下的产气量如下[12]：

改进后的变频空压机的控制方法描述如下：

式中，u(t)为t时刻的控制量，kp为比例环节的系数，Ti为积分时间，Td为微分时间，e(t)为输入偏差，u0为控制常量。

 

(11)

式中，ηv为容积效率，qv1为理论容积流量。容积效率与空压机转速和压力比有关。转速越高，压力比越小，容积效率越大，反之则越小。在实际情况下，通常使用以下经验公式计算容积效率，该经验公式能满足工程上的基本计算，应用面非常广[13]。

 

(12)

  

图3 积分调整系数变化曲线

在一个空气压缩系统中，储气罐是必不可少的，储气罐可以存储高压气体，提供稳定的供气压力。用户耗气量变化时，根据储气罐中的气体压力来调控压缩机的动作，避免压缩机过度频繁地加卸载，同时也能起到一定的抗干扰作用。除此之外，储气罐能够消除管路中的气流冲击，还能够冷却空气，因此储气罐也要进行定期的排水[14]。

  

图4 用户耗气流量曲线

对于传统多种类型空压机混合使用的空气压缩系统，其控制策略大多都是对非变频空压机采用同步加卸载策略，对变频空压机采用传统的PID控制策略，根据压力信号分别控制这两种类型的空压机，使系统压力稳定在设定值。为了比较本文提出的控制策略与传统控制策略的优劣，更好地描述空气压缩系统的结构和过程行为，优化系统控制策略，本文对空气压缩系统进行了仿真分析，比较分析两种控制策略下空压机的运行情况、能耗情况。仿真条件如下：控制压力目标为0.65 MPa，储气罐初始压力0.4 MPa，吸气压力为标准大气压0.1 MPa，环境温度为293 K。整个系统包含2台额定功率为2.2 kW，额定排气量为0.35 m3/min的非变频活塞机和一台额定功率为7.5 kW，额定排气量为1.35 m3/min的变频螺杆机，储气罐体积1 m3。仿真时间为200 min，耗气量最低值为0.5 m3/min，最高值为1.7 m3/min，其运行参数如表1所示，空气压缩系统的用户耗气量的变化情况如图4所示。表1中，ki，kd分别为积分系数和微分系数，ki=kp/Ti，kd=kpTd，Vl表示调节范围的下限，Vh表示调节范围的上限。

 

表1 PID的运行参数

  

控制策略kpkikdVlVh先进系统70.010.40.020.08传统系统70.010.4--

两种控制策略下的变频空压机和非变频空压机的运行情况如图6—10所示。传统控制策略和优化控制策略下的非变频活塞机的运行曲线如图5、图6所示，优化前和优化后的变频螺杆机的频率变化如图7所示，优化前和优化后的储气罐中压力变化如图8所示。

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图5 传统控制下活塞机运行曲线

  

图6 优化后活塞机运行曲线

图5、图6中，纵坐标0表示卸载，1表示加载。传统的控制策略下的2台活塞机同时加卸载，曲线完全重合；而优化后的控制策略下的2台活塞机在避免同时加卸载时还能预先匹配用户耗气量的变化。

  

图7 螺杆机运行曲线

  

图8 储气罐中压力变化曲线

从图7可以看出，优化控制策略下的螺杆机对用户耗气量变化更加敏感。因此，优化控制策略能更加精细地调节变频螺杆机的运行。从图8可以看出，优化后的控制策略具有更强的稳压效果。优化控制策略下的系统产气压力波动和超调都更小，产气压力在达到用气标准后的波动在0.04 MPa以内，可以满足高精度设备的用气需求。相比之下，传统控制策略下的空气压缩系统压力波动在0.1 MPa以上，系统超调量将会变高。优化控制策略的缺点主要有两点：(1)变频空压机频率变化更频繁，影响空压机的使用寿命；(2)相比传统控制策略储气罐里面的压缩气体达到用气标准的速度慢，在本文仿真例中大约相差5 min。尽管优化后的控制策略也有缺点，但是优化后的控制策略能够给系统带来稳定的产气压力，这意味着优化系统在设定目标压力的时候可以比传统系统设置的更低，从而带来了显著的节能效果。

两种控制策略下的能耗情况如表2所示，能耗曲线如图9所示。

 

表2 两种控制策略下的能耗情况

  

能耗/(kW·h)时间/min20406080100120140160180200传统系统3.835.818.7810.6913.9317.9021.6325.5628.7030.55 优化系统3.145.047.449.7612.7016.7019.8423.2726.2527.85

  

图9 系统能耗曲线图

观察表2和图9可以看出，在优化控制策略下的空气压缩系统具有更好的节能性，根据表2中，运行时间为200 min时，优化控制策略下的系统比传统系统少消耗电能2.70 kW·h，节能率为8.84%，充分体现了稳压带来的节能效果，由此可见优化控制策略的优越性。

3 结束语

本文提出了一种基于多种类型空压机组成的空气压缩系统的控制策略。首先，从空压机的运行原理出发，建立了精确的空压机系统数学模型。其次，本文提出的控制策略分别优化了对非变频空压机和变频空压机的控制，并且改变了传统系统中依据压力反馈的单一控制，实现了结合压力和流量的综合控制，具有实践意义。最后，从实际出发，对本文控制策略在空气压缩系统变工况运行下的节能效果进行了验证，取得显著的节能效果。但是，本文方法对参数要求比较高，参数决定了性能，亟待一个优良的参数整定方法以提高其控制性能。

通过对北京二号与高分二号的实验结果进行对比分析，北京二号影像的属性识别精度达到100%，60%以上的图斑面积差异在5%以内，其中面积差异较大的几个图斑主要分布在丘陵地区，受时相与侧视角的影响较大，平原地区图斑面积差异微小，整体面积误差约为1%（见表3、表4、表5）。

参考文献

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