一种空气压缩机喘振预防自抗扰控制方法技术

本发明专利技术属于信息技术领域，提出一种空气压缩机喘振预防自抗扰控制方法。本发明专利技术从无量纲化防喘振控制入手，首先针对实际空气压缩机实际运行数据，计算并绘制空气压缩机的特性曲线，将其换算为简化流量与压头特性，然后根据空压机简化流量与压头特性，计算喘振边界线与防喘振控制线，进一步计算出实时喘振接近度与喘振偏差，最后根据喘振偏差，设计相应的自抗扰控制器，对空气压缩机进行防喘振控制。本发明专利技术不依赖对象精确模型，无需考虑动态耦合，易于实现，精度高且抗扰能力强；有效地防止空压机喘振的产生，保证了控制的快速性与鲁棒性；此方法在不同工业领域中均可有广泛的应用。此方法在不同工业领域中均可有广泛的应用。此方法在不同工业领域中均可有广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种空气压缩机喘振预防自抗扰控制方法


[0001]本专利技术涉及信息
，尤其涉及一种空气压缩机喘振预防自抗扰控制方法。

技术介绍

[0002]喘振是指输出管线中气体压力高于压缩机出口压力，被压缩了的气体就会倒流入压缩机，其出口压力和吸入流量产生低频率、周期性、大幅度波动，能使压缩机遭到严重破坏，需要对其进行预防控制，防止喘振产生。当前对空压机的防喘振控制采用最多的方法为PID控制，利用该方法可以有效地防止喘振的产生，并已取得了显著的经济效益，但是PID控制参数复杂繁琐，且对于控制速度有较高要求的场所很难取得满意效果，因此工业实际现场急需一种控制方法，来弥补PID控制的不足。
[0003]为了保证避免出现喘振现象，通常采取调节回流阀开度的解决方案，以满足压缩机实际运行状态和压缩机运行状况的需要。(Gravdahl J T，Egeland O，Vatland S O.Drive torque actuation in active surge control of centrifugal compressors[J].Pergamon Press，Inc.2002(11).)设计了一种基于空压机质量流量及其轴向转速的PID防喘振控制方法；(陈怀忠，姜磊.自适应遗传PID算法在压缩机防喘振的研究[J].控制工程，17(6):3.)基于遗传算法，设计了一种自适应PID控制算法对压缩机喘振进行控制；(G.Torrisi，S.Grammatico，A.Cortinovis，M.M.Morari and R.S.Smith，"Model Predictive Approaches for Active Surge Control in Centrifugal Compressors，"in IEEE Transactions on Control Systems Technology，vol.25，no.6，pp.1947
‑
1960，Nov.2017，)设计了一种基于模型预测控制的离心式压缩机防喘振控制方法；(X.Ma，S.Zheng and K.Wang，"Active Surge Control for Magnetically Suspended Centrifugal Compressors Using a Variable Equilibrium Point Approach，"in IEEE Transactions on Industrial Electronics，vol.66，no.12，pp.9383
‑
9393，Dec.2019)建立了磁轴承控制系统的鲁棒简化系统，并采用μ合成方法设计了相应的鲁棒控制器。
[0004]空气压缩机的防喘振控制要求快速、稳定。空压机防喘振控制器研究一般都是沿用已发展的控制算法，工厂中最常用的PID控制器，已获得一定的经济效益，但在存在外部干扰的情况下，PID防喘振控制调优十分困难；针对某些对控制速度要求较高的工业场景，PID控制器控制相对吃力。目前亟需一种防喘振控制方法，同时解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的主要问题是空气压缩机运行过程中的喘振预防控制问题。为解决上述这一问题，对某工业实际空压机系统进行分析，根据空压机实时运行数据库，绘制空压机特性曲线，并确定空压机的喘振极限线(Surge Limit Line，简称SLL)与防喘振控制线(Surged Control Line，简称SCL)，进一步利用实时输出流量与压缩比确定空压机的喘振接近度；利用喘振接近度以及喘振裕度计算喘振偏差，利用自抗扰控制器，对喘振偏差进行控制从而实现空压机的防喘振控制。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种空气压缩机喘振预防自抗扰控制方法，具体步骤如下：
[0007]步骤一：从空压机运行数据库中读取流量与输出压力数据，并计算空压机的实时压缩比与流量；
[0008]步骤二：计算空压机特性曲线；
[0009]根据多变压头公式以及入口流量平方公式：
[0010][0011][0012][0013]其中，Q
s
为流量，H
p
为多变压头，ε为压缩比，Z
avg
＝(Z
s
+Z
d
)/2，Z
s
为压缩机入口压缩因子，Z
d
为压缩机出口压缩因子，T
s
为压缩机入口温度，R为压缩机出口压缩因子，T
s
为压缩机入口温度，T
d
为压缩机出口温度。根据经验Z
avg
与Z
s
的比率变化可忽略不计，假设为在压缩机操作范围内是相等的，则可以得到简化压头与简化流量平方公式：
[0014][0015][0016]其中，q
r
表示简化流量，h
r
为简化压头；dP
os
为压缩机入口流量孔板差压，P
s
为压缩机入口压力；利用上述公式绘制横轴为简化流量的平方q
r2
，纵轴为简化压头h
r
的空压机特性曲线；
[0017]步骤三：计算喘振极限线SLL和防喘振控制线SCL；
[0018]根据步骤二的空压机特性曲线，计算喘振极限线SLL，即为空压机在不同转速下的特性曲线顶点构成的线，近似等于喘振边界线；为预防喘振产生，须在操作点到达喘振极限线SLL之前施加控制，因此在喘振极限线SLL外侧设置喘振控制裕度SCM；在喘振极限线SLL右边设置一条初始防喘振控制线SCL，初始防喘振控制线SCL与喘振极限线SLL之间的裕度为SCM；
[0019]SCM＝
‑
(b+nb0)f4(Z)
ꢀꢀ
(6)
[0020]式中，b为安全裕度初始大小，参数n为发生喘振次数，b0为每次发生喘振需增大的裕度，f4(Z)为线性特性函数，根据空压机特性以及实际空压机运行特性选取，可取为1；
[0021]步骤四：计算喘振接近度S
s
；
[0022]根据简化流量与压缩比计算喘振接近度：
[0023][0024]式中，K为常数，根据空压机实际特性选取；
[0025]当S
s
＝1时，操作点恰好位于喘振线上，空压机发生喘振；
[0026]当S
s
＞1时，实际流量小于喘振流量，空压机会发生喘振；
[0027]当S
s
＜1时，实际流量大于喘振流量，空压机不会发生喘振；
[0028]步骤五：计算喘振次数；
[0029]根据步骤二的空压机特性曲线以及步骤三的喘振极限线SLL，计算当前时刻值在空压机特性曲线中距离空压机特性曲线SLL的距离d，并计算此时等效速度v：
[0030][0031]式中，q
r0
为当前时刻简化流量，h
r0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空气压缩机喘振预防自抗扰控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：从空压机运行数据库中读取流量与输出压力数据，并计算空压机的实时压缩比与流量；步骤二：计算空压机特性曲线；根据多变压头公式以及入口流量平方公式：根据多变压头公式以及入口流量平方公式：根据多变压头公式以及入口流量平方公式：其中，Q
s
为流量，H
p
为多变压头，ε为压缩比，Z
avg
＝(Z
s
+Z
d
)/2，Z
s
为压缩机入口压缩因子，Z
d
为压缩机出口压缩因子，T
s
为压缩机入口温度，R为压缩机出口压缩因子，T
s
为压缩机入口温度，T
d
为压缩机出口温度；Z
avg
与Z
s
的比率在压缩机操作范围内是相等的，得到简化压头与简化流量平方公式：简化流量平方公式：其中，q
r
表示简化流量，h
r
为简化压头；dP
os
为压缩机入口流量孔板差压，P
s
为压缩机入口压力；利用上述公式绘制横轴为简化流量的平方q
r2
，纵轴为简化压头h
r
的空压机特性曲线；步骤三：计算喘振极限线SLL和防喘振控制线SCL；根据步骤二的空压机特性曲线，计算喘振极限线SLL，即为空压机在不同转速下的特性曲线顶点构成的线；为预防喘振产生，须在操作点到达喘振极限线SLL之前施加控制，因此在喘振极限线SLL外侧设置喘振控制裕度SCM；在喘振极限线SLL右边设置一条初始防喘振控制线SCL，初始防喘振控制线SCL与喘振极限线SLL之间的裕度为SCM；SCM＝
‑
(b+nb0)f4(Z)(6)式中，b为安全裕度初始大小，参数n为发生喘振次数，b0为每次发生喘振需增大的裕度，f4(Z)为线性特性函数，根据空压机特性以及实际空压机运行特性选取；步骤四：计算喘振接近度S
s
；根据简化流量与压缩比计算喘振接近度：式中，K为常数，根据空压机实际特性选取；
当S
s
＝1时，操作点恰好位于喘振线上，空压机发生喘振；当S
s
＞1时，实际流量小于喘振流量，空压机会发生喘振；当S
s
＜1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，张晗，赵珺，王伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：