串并联螺杆压缩机组控制系统的研究与实现

摘要

EAST是目前世界上第一台投入运行的全超导托卡马克核聚变实验装置，低温系统负责给超导磁体的运行提供一个稳定、可靠的低温环境。低温系统包括三个子系统：压缩机站、制冷机系统和装置分配系统。螺杆压缩机组是EAST低温系统的重要组成部分，实现螺杆压缩机组的全自动控制对于节约能量、增加制冷机的效益并确保EAST试验的稳定运行具有重要意义。 针对螺杆压缩机组的工艺流程，本文提出了将专家控制与常规的PID控制相结合的思想，设计了串并联螺杆压缩机组压力控制系统，并详细阐述了螺杆压缩机组各级压力控制的实现方法。在系统辨识的基础上对其中部分回路进行了仿真研究，并给出了实际运行效果。本文分析了螺杆压缩机组自动启动流程、自动停机流程和联锁保护。对PID控制器的工程整定方法做了深入研究，重点讨论了基于继电器振荡原则实现的极限环自整定方法在压缩机组控制系统中的应用。 目前整个低温控制系统已经通过三轮降温实验的检验，系统运行状况良好。

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致谢

第一章引言

1.1课题背景

1.2论文的意义及其主要内容

第二章DeltaV集散控制系统及其应用

2.1集散控制系统

2.2 DeltaV集散控制系统

2.2.1 DeltaV系统概述

2.2.2 DeltaV系统的结构

2.2.3 DeltaV系统的技术特点

2.2.4分散过程控制装置

2.2.5集中操作管理装置

2.2.6 DeltaV系统软件

2.2.7先进的控制软件(Advanced Control Software)

2.3 EAST低温控制系统的硬件结构设计

2.3.1控制器(Controller)

2.3.2控制柜

2.3.3 I/O卡

2.3.4控制网络

2.3.5 DeltaV Tune软件

2.4 DeltaV系统组态软件的应用

2.4.1压力/差压/液位等显示和报警用信号模块组态

2.4.2数字量输入模块组态

2.4.3数字量输出模块组态

2.4.4调节阀等执行机构组态

2.5本章小结

第三章压缩机站的构成

3.1螺杆压缩机的工作特点

3.2选用喷油螺杆压缩机

3.3两级压缩制冷循环

3.4多台主机并联运转系统

3.5压缩机的选用

3.6氦气中油的去处机理及流程

3.6.1压缩机机内的油过滤系统

3.6.2高效滤油器的过滤

3.6.3吸附器中的吸附

3.7低温下氦气的纯化系统

3.8压缩机的能量调节

3.8.1滑阀调节

3.8.2低温系统中螺杆压缩机的能量调节

3.9压缩机的缓冲罐

3.10氦气的回收

3.11本章小结

第四章螺杆压缩机启动与停止的控制

4.1顺序控制设计法与顺序功能图

4.1.1顺序功能图的几个概念

4.1.2顺序功能图的基本结构

4.1.3顺序功能图中转换实现的基本规则

4.1.4绘制顺序功能图的注意事项

4.2压缩机组自动控制系统的顺序控制

4.2.1压缩机组自动启动流程

4.2.2单台压缩机的启动和停机流程

4.2.3第二台低压机自动启动与停机流程

4.2.4第二台高压机自动启动与停机流程

4.2.5压缩机的故障停机流程

4.2.6压缩机组停机流程

4.3顺序功能图(SFC)实现低温控制系统各种稳态和过渡态操作

4.4压缩机站的报警及联锁保护

4.4.1报警和联锁保护概述

4.4.2压缩机报警联锁保护

4.5本章小结

第五章数字PID及其参数整定

5.1 PID控制原理

5.2数字PID控制算法

5.2.1位置式PID控制算法

5.2.2增量式PID控制算法

5.3数字PID控制算法的改进

5.3.1积分分离PID控制算法

5.3.2遇限削弱积分PID控制算法

5.3.3不完全微分PID控制算法

5.3.4微分先行PID控制算法

5.3.5带死区的PID控制算法

5.4 PID控制器参数整定

5.4.1稳定边界法(临界比例度法)

5.4.2阻尼振荡法(衰减曲线法)

5.4.3现场经验整定法(凑试法)

5.4.4动态特性参数法

5.4.5极限环自整定法

5.5工程整定法在压缩机系统中的应用

5.6改进PID算法在压缩机控制系统中的应用

5.7本章小结

第六章螺杆压缩机组系统压力控制的设计与实现

6.1 EAST串并联螺杆压缩机组多级压力控制系统

6.1.1螺杆压缩机组简化控制模型图的参数说明

6.1.2螺杆压缩机组简化控制模型图阀门说明

6.1.3螺杆压缩机组的压力调节原则

6.2螺杆压缩机组主要的控制方法

6.2.1分程与选择控制

6.2.2专家控制系统

6.3螺杆压缩机组压力自动控制系统的实现

6.3.1低压级压缩机吸气压力(LP)分程PID控制

6.3.2高压级压缩机吸气压力(MP)单回路控制

6.3.3压缩机总排气压力(HP)选择性PID控制

6.3.4压缩机组压力控制系统的专家规则控制

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

附录