✅作者简介：热爱科研的Matlab仿真开发者，擅长数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。

🍎 往期回顾关注个人主页：Matlab科研工作室

🍊个人信条：格物致知,完整Matlab代码及仿真咨询内容私信。

🔥 内容介绍

空压机作为工业生产中的关键动力设备，其负荷波动直接影响能源消耗与生产效率。为实现空压机系统的优化运行与节能控制，本文提出一种基于前馈神经网络（Feedforward Neural Network，FFNN）的负荷预测方法。通过分析影响空压机负荷的关键因素（如进气压力、环境温度、生产班次等），构建多输入单输出的 FFNN 预测模型。采用历史运行数据对模型进行训练与验证，引入均方根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（MAPE）作为评价指标。实验结果表明，该模型能有效捕捉空压机负荷的变化规律，预测精度满足工业应用需求，为空压机的智能调度与能源管理提供了可靠依据。

关键词

空压机；负荷预测；前馈神经网络；FFNN；工业节能

一、引言

在现代工业生产中，空压机通过压缩空气为气动设备、自动化生产线等提供动力，其能耗约占工业总用电量的 10%-15%，是典型的高耗能设备。空压机的负荷（即压缩空气需求量）受生产计划、设备运行状态、环境条件等多重因素影响，呈现出非线性、时变特性。准确的负荷预测是实现空压机系统经济运行的前提，可帮助企业制定合理的启停计划、优化管网压力控制，从而降低能源浪费与设备损耗。

传统的负荷预测方法（如时间序列分析法、回归分析法）难以处理复杂的非线性关系，预测精度有限。人工神经网络凭借强大的非线性拟合能力，在负荷预测领域得到广泛应用。前馈神经网络作为最基础的神经网络结构，具有结构简单、训练效率高的特点，适用于工业设备的实时负荷预测场景。本文以空压机为研究对象，探索基于 FFNN 的负荷预测模型构建方法，旨在为工业空压机系统的节能优化提供技术支持。

二、空压机负荷特性与影响因素分析

2.1 空压机负荷特性

空压机的负荷通常以单位时间内的压缩空气产量（m³/min）或电机功率（kW）表征，其变化规律呈现以下特点：

• 周期性：受生产班次影响，负荷在工作日与非工作日、白天与夜间存在显著差异，呈现日周期或周周期特性；

• 非线性：负荷与进气压力、排气压力、环境湿度等参数的关系并非线性，且受设备老化、管道泄漏等因素影响，非线性特征更明显；

• 随机性：突发的生产调整、设备故障等会导致负荷出现随机波动。

2.2 关键影响因素

通过工业现场数据采集与分析，确定影响空压机负荷的主要因素包括：

1. 环境参数：环境温度（℃）、大气压力（kPa）、相对湿度（%），这些参数直接影响空气密度，进而改变压缩机的压缩功；

1. 运行参数：进气压力（MPa）、排气压力（MPa）、冷却水温（℃），反映空压机的实时运行状态；

1. 生产参数：生产班次（如早班、中班、夜班）、生产计划量（件 /h），决定压缩空气的基础需求量；

1. 历史负荷：前 1-3 小时的负荷数据，体现负荷变化的时间关联性。

三、基于 FFNN 的负荷预测模型构建

3.1 FFNN 基本原理

前馈神经网络是由输入层、隐藏层和输出层组成的多层神经网络，各层神经元仅与下一层神经元连接，不存在反馈回路。其核心原理是通过多层非线性映射，将输入特征映射到输出目标，实现对复杂关系的拟合。

• 输入层：接收原始特征数据，神经元数量等于输入特征维度；

• 隐藏层：通过激活函数（如 Sigmoid、ReLU）实现非线性变换，层数和神经元数量需根据问题复杂度调整；

• 输出层：输出预测结果，对于单变量负荷预测，神经元数量为 1。

网络训练过程通过反向传播算法（Backpropagation）最小化预测值与真实值的误差，不断更新各层权重与偏置，直至模型收敛。

四、结论与展望

本文构建的基于 FFNN 的空压机负荷预测模型，通过选取关键影响因素和优化网络结构，实现了对空压机负荷的高精度预测。实验结果表明，模型的 MAPE 控制在 3.8% 以内，能为空压机的节能运行提供有效指导，例如：根据预测负荷调整空压机台数，避免 “大马拉小车” 现象；提前优化排气压力设定，减少管网能耗。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 龚飘怡,罗云峰,方哲梅,等.基于Attention-BiLSTM-LSTM神经网络的短期电力负荷预测方法[J].计算机应用, 2021, 41(S01):6.DOI:10.11772/j.issn.1001-9081.2020091423.

[2] 黄佳骏.电动汽车充电站短期负荷预测[J].佳木斯大学学报：自然科学版, 2019, 37(2):6.DOI:CNKI:SUN:JMDB.0.2019-02-006.

[3] 张扬.基于改进深度神经网络的短期电力负荷预测[J].科技创新与应用, 2022(025):012.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2022.25.003.

📣 部分代码

🎈 部分理论引用网络文献，若有侵权联系博主删除

 👇 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料 

🏆团队擅长辅导定制多种科研领域MATLAB仿真，助力科研梦：

🌈 各类智能优化算法改进及应用

生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化、背包问题、 风电场布局、时隙分配优化、 最佳分布式发电单元分配、多阶段管道维修、 工厂-中心-需求点三级选址问题、 应急生活物质配送中心选址、 基站选址、 道路灯柱布置、 枢纽节点部署、 输电线路台风监测装置、 集装箱调度、 机组优化、 投资优化组合、云服务器组合优化、 天线线性阵列分布优化、CVRP问题、VRPPD问题、多中心VRP问题、多层网络的VRP问题、多中心多车型的VRP问题、 动态VRP问题、双层车辆路径规划（2E-VRP）、充电车辆路径规划（EVRP）、油电混合车辆路径规划、混合流水车间问题、 订单拆分调度问题、 公交车的调度排班优化问题、航班摆渡车辆调度问题、选址路径规划问题、港口调度、港口岸桥调度、停机位分配、机场航班调度、泄漏源定位

🌈 机器学习和深度学习时序、回归、分类、聚类和降维

2.1 bp时序、回归预测和分类

2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类

2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类

2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类

2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类

2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类

2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类

2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类

2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类

2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类

2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测

2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类

2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类

2.14 PNN脉冲神经网络分类

2.15 模糊小波神经网络预测和分类

2.16 时序、回归预测和分类

2.17 时序、回归预测预测和分类

2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类

2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类

方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断

🌈图像处理方面

图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知

🌈 路径规划方面

旅行商问题（TSP）、车辆路径问题（VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等）、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划（EVRP）、 双层车辆路径规划（2E-VRP）、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻

🌈 无人机应用方面

无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化、车辆协同无人机路径规划

🌈 通信方面

传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化、水声通信、通信上传下载分配

🌈 信号处理方面

信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化、心电信号、DOA估计、编码译码、变分模态分解、管道泄漏、滤波器、数字信号处理+传输+分析+去噪、数字信号调制、误码率、信号估计、DTMF、信号检测

🌈电力系统方面

微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置、有序充电、MPPT优化、家庭用电

🌈 元胞自动机方面

交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长 金属腐蚀

🌈 雷达方面

卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合、SOC估计、阵列优化、NLOS识别

🌈 车间调度

零等待流水车间调度问题NWFSP 、 置换流水车间调度问题PFSP、 混合流水车间调度问题HFSP 、零空闲流水车间调度问题NIFSP、分布式置换流水车间调度问题 DPFSP、阻塞流水车间调度问题BFSP

👇