CN102900564B - 用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器，包括处理器、八路高速模拟信号采集模块，六路模拟信号采集模块，频率信号采集模块，通讯模块，脉冲输出模块，八路高频响比例电磁阀驱动模块、电源模块。首先在机匣壁面对称布置多个传感器，并结合信号分析手段，在轴流压缩系统运行时，用以检测前失速先兆信号。通过控制器给高频响比例电磁阀驱动模块位移信号，合理控制高频响比例电磁阀的开度，实现实时控制喷气量的大小。使得叶顶喷气动量随着运行工况向失速点靠近而逐渐增大，既节能又能有效的实现失稳裕度的提高。本发明的控制器，实时的控制喷气动量的大小，使轴流压缩系统在节能的前提下，具有更宽的流量和压比工作范围。

Description

用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器。

背景技术

由早期Day首次利用喷气尝试对压缩系统流场进行干扰开始，喷气技术已经被各个研究机构所重视，国内外对主动喷气和被动喷气的喷嘴结构，喷气角度，喷气量的大小对流动失稳裕度提高的影响进行了大量的研究，对整个压气机系统而言，叶顶喷气可看作外部激励源，在该激励的作用下，压缩系统本身的一些物理现象可能被放大亦可能被抑制，从喷气能扩稳的结果看，很可能是抑制了某些诱发流动失稳的扰动，进而延缓失稳的发生。因此，在进行叶顶喷气扩稳的同时，需要对诱发流动失稳的扰动进行合理的检测，以便能更及时的抑制扰动的发展。

目前，国际上对失速先兆信号的检测，主要还是依赖两类失速先兆(突尖型和模态波)的捕捉与分析来进行叶顶喷气调控。然而，这两类失速先兆具有时间短，随机性和突发性的特点，实际应用时，控制系统很难实现，这促使人们对失速先兆开始重新认识。后来，一些学者发现在两类失速先兆产生之前，壁面压力信号的周期性就已经开始出现破坏了，这就是所谓的前失速先兆。因此，人们开始更加关注前失速先兆的检测，对于其检测方法，国内外的学者进行了广泛的研究，也实施了相应的控制策略，取得了不错的扩稳效果。

2001年Tahara等人的研究结果颇具代表性，他们发现在接近失速时，相邻叶片通道中壁面压力的锯齿波会有所不同，即出现锯齿波周期性的破坏。因此，他们认为可以通过监测壁面压力锯齿波周期性的破坏程度来分析是否出现先兆现象。为此，他们采用自相关分析法计算壁面压力锯齿波每隔一转的自相关系数，自相关系数的下降对应着壁面压力锯齿波周期性破坏的增强。以此为基础，他们采用现代DSP技术结合自相关分析构建了一套新型的失稳主动控制技术。其控制机构比较简单，只在轮毂上布置6个蝶阀，通过判断自相关系数的阀值来控制蝶阀的开关，当自相关系数降低到某一个阀值时即打开蝶阀。该技术在一台多级轴流压气机中取得8％的扩稳效果。该研究成果的论文曾获得当年AIAA最佳会议论文，引起其他学者的关注。

2006年，Dhingra等同样基于监测壁面压力锯齿波周期性的破坏程度，建立了在线自相关分析的随机模型。考虑到自相关系数的变化具有随机性，为了增强控制机构的鲁棒性，他们增加了对自相关系数的概率统计分析。2006年，Christensen等采用类似方法发展了压气机喘振在线控制技术。

2006年中国科学院工程热物理研究所首次采用光电传感器进行单通道锁相的测量手段，并采用自相关方法分析了叶顶壁面动态静压信号，发现自相关系数在接近失速点时会相应降低。以此研究结果为基础，构建一套以自相关分析、概率统计分析以及现代DSP技术相结合的闭环微喷气在线控制系统，在单级低速轴流压气机试验台上进行实验并获得成功。

从目前的研究进展看，叶顶喷气调控技术在信号检测上由最初的对失速先兆的检测发展为对前失速先兆的检测。在信号分析手段上，由最初基本的对失速信号频率和幅值的检测上发展为对前失速先兆信号的自相关分析，及其与概率统计和锁相技术的结合方法。在调控手动上，一直是采用阀值设定，阀门开关控制。

根据对称布置在机匣壁面的动态数据传感器采集的数据得到的压力谱和小波分析结果可以看出，失速团的传播是先从某一个通道开始产生，采用自相关分析是分析某一个传感器在同一位置测得信号之间的相关性，这样失速团已经开始传播了或者壁面压力波动已经开始产生破坏了。如果能采用多个传感器，测得它们的相关性，即采用互相关分析方法，这样在理论上能够更早检测到壁面压力出现破坏。

发明内容

本发明的目的是公开一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器，实现控制喷嘴喷气流量，有效改变喷气的动量，实现在节能的前提下最大限度拓宽流量和压比工作范围。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器，其包括处理器(CPU)、八路高速模拟信号采集模块，六路模拟信号采集模块，频率信号采集模块，通讯模块，脉冲输出模块，八路高频响比例电磁阀驱动模块、电源模块；

处理器(CPU)包括片内A/D转换模块、控制算法软件模块；

在轴流压缩系统进、出口机匣壁面上均布多个稳态压力传感器，在压气机动叶顶部机匣壁面周圆上均布多个动态压力传感器，稳态压力传感器与六路模拟信号采集模块电连接，动态压力传感器与八路高速模拟信号采集模块电连接；六路模拟信号采集模块输出经片内A/D转换模块与处理器电连接，八路高速模拟信号采集模块输出经外部A/D转换模块与处理器电连接；霍尔传感器输出经频率信号采集模块与处理器电连接；

处理器(CPU)的输出端分别与八路高频响比例电磁阀驱动模块、脉冲输出模块电连接；其中处理器(CPU)控制D/A输出模块，D/A输出模块经过RC滤波之后连接到高频响比例电磁阀驱动模块，八路高频响比例电磁阀驱动模块分别一一对应的与八个高频响比例电磁阀电连接；处理器(CPU)与通讯模块双向通讯，通讯模块经USB/RS232接口与上位PC机双向通讯；上位PC机预装有数据监测软件，并对控制过程和结果进行显示；

脉冲输出模块与外部的蜂鸣器、指示灯电连接；

电源模块输出包括+24V、+5V、+3.3V，输入接外部AC220V电源，向各部件供电。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其所述八个高频响比例电磁阀，均布于压气机前面级的机匣外壁周圆上，然后通过引气管道连接到喷嘴，每一高频响比例电磁阀由一路高频响比例电磁阀驱动模块实时控制其开度。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其所述频率信号采集模块，先对霍尔传感器输出的脉冲信号进行整形滤波，然后经过处理器(CPU)的控制算法软件(ETC)模块对脉冲信号进行计数和跳变沿：上升沿或下降沿捕捉，以测量压气机转速和在每旋转一周的周期中某个叶片的位置。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其所述稳态压力传感器实时在线采集进口机匣壁面静压，出口机匣壁面静压，出口总压，扭矩，喷气压力信号，喷气流量计压力；动态压力传感器实时采集机匣壁面压力锯齿波。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其所述控制算法软件模块，在线进行数据分析，进行互相关分析结合概率统计分析，用以检测前失速先兆信号，即布置在壁面的多个动态压力传感器测得的壁面压力锯齿波的破坏程度。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其信号采集处理流程为：

a)八路高速模拟信号采集模块，将负电压信号、正负电压信号、超过+5V的信号转换成0～+5V之间的电压，然后进入到高速A/D转换模块中；

b)六路模拟信号采集模块，将负电压信号、正负电压信号、超过+5V的信号转换成0～+5V之间的电压，然后进入到处理器(CPU)片内的A/D转换模块中；

c)处理器(CPU)，对外部高速A/D转换模块和片内A/D转换模块采集到的数据经控制算法软件模块进行FFT变换、互相关和自相关分析；

d)在传感器数据经过处理器(CPU)进行计算分析后，当高频响比例电磁阀的开度需要调整时，处理器(CPU)输出0～10V的连续模拟信号，并分别独立对八路高频响比例电磁阀驱动模块进行控制，来控制高频响比例电磁阀的开度；

e)用通讯模块通过串行通讯接口与PC机进行数据交互，接收PC的控制指令或标定数据，同时，将传感器数据和系统工作状态的信息回传PC机。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其所述喷嘴布置在距离第一级动叶前缘2mm处。

所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其所述处理器(CPU)，采用嵌入式操作系统及32位信号处理器，其控制算法软件，流程为：

(1)实时在线采集稳态、动态信号；

(2)CPU对采集的高频响动态压力信号进行数据分析——互相关分析及概率统计分析；

(3)通过实时采集的数据以及实时分析的结果，判断在当前运行工况点时，叶片通道内部流动的变化，及扰动是否产生；

(4)随着检测到互相关系数的减小，通过D/A端口输出位移信号分别给八个高频响比例电磁阀，通过控制高频响比例电磁阀的开度，逐渐增大喷气量，进而提高喷气动量，推迟失速的发生，改善失稳裕度。

本发明控制器的优点在于：

1、控制器集成高频响和低频响采集通道，数据分析模块以及驱动模块，能够同时进行稳态和动态采集，能够实现海量数据存储，

以及能够快速进行数据分析。

2、通过在机匣壁面对称布置传感器，能够更早、更准确的检测到扰动产生的位置。

3、采样互相关分析的方法能够准确及时的判断前失速先兆的产生。

4、高频响比例电磁阀能成功的实现开度控制，而不是开关控制，这样能够根据工况点向失速点靠近的过程实时的改变喷气流量的大小。

附图说明

图1为本发明的一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器的连接关系方框图；

图2为本发明的一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器的结构图；

图3为本发明的一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器的功能图；

图4为轴流压气机叶顶喷气调控示意图。

具体实施方式

本发明的一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性的控制器，包括处理器、八路高速模拟信号采集模块，六路模拟信号采集模块，频率信号采集模块，通讯模块，脉冲输出模块，八路高频响比例电磁阀驱动模块、电源模块；在轴流压缩系统进、出口壁面均布有多个稳态压力传感器，在压缩系统动叶顶部机匣壁面周圆上均布有多个动态压力传感器，稳态压力传感器与六路模拟信号采集模块电连接，动态压力传感器与八路高速模拟信号采集模块电连接，两数据采集模块分别通过片内A/D转换模块和外部A/D转换模块与控制算法软件模块电连接；控制算法软件模块分别与高频响比例电磁阀驱动控制模块、通讯模块和脉冲输出模块电连接；高频响比例电磁阀驱动控制模块经D/A端口连接高频响比例电磁阀；通讯模块与显示器双向通讯；脉冲输出模块与外部的蜂鸣器、指示灯电连接。其中主要模块的连接及功能如下：

1.电源模块

控制系统为AC220V电压输入，提供系统内部需要+3.3V、+5V高频响比例电磁阀的供电电源+24V等

2.频率信号采集

频率信号采集先对霍尔传感器的脉冲信号进行整形滤波，然后经过处理器(CPU)的ETC模块对脉冲信号进行计数和跳变沿捕捉(上升沿或下降沿)，目的是测量压气机转速和在每旋转一周的周期中某个叶片的位置。

3.模拟数据采集和处理

动态数据：

八路高速模拟信号采集模块是将负电压信号、正负电压信号、超过+5V的信号转换成0～+5V之间的电压，然后进入到外部A/D转换模块中。

稳态数据：

六路模拟信号采集模块是将负电压信号、正负电压信号、超过+5V的信号转换成0～+5V之间的电压，然后进入到处理器(CPU)片内的A/D转换模块中。

数据处理

处理器(CPU)对外部高速A/D转换模块和片内A/D转换模块采集到的数据经控制算法软件模块进行FFT变换、互相关和自相关分析。

4.脉冲输出模块

信号由处理器(CPU)发出，经过驱动芯片，可以控制蜂鸣器、指示灯等。起状态指示、故障指示或警示等功能。

5.通讯模块

系统可通过串行通讯接口与PC机进行数据交互，接收PC的控制指令或标定数据，同时可将传感器数据和系统工作状态等信息回传。

6.高频响比例电磁阀驱动模块

传感器数据经过处理器(CPU)进行计算分析后，当高频响比例电磁阀的开度需要调整时，处理器(CPU)可输出0～10V的连续模拟信号来控制比例阀的开度(8路可分别控制)。

8个高频响比例电磁阀，均布于压气机前面级的机匣外壁周圆上，然后通过引气管道连接到喷嘴，由驱动控制模块实时控制其开度。

稳态压力传感器实时在线采集进口静压，出口静压，出口总压，扭矩，喷气压力信号，喷气流量计压力；动态压力传感器实时采集动叶顶部机匣壁面压力锯齿波。

控制算法软件模块，在线进行数据分析，进行互相关分析结合概率统计分析，用以检测前失速先兆信号，即布置在壁面的8个动态传感器测得的壁面压力锯齿波的破坏程度。

处理器(CPU)采用嵌入式操作系统及32位信号处理器，其控制算法软件，流程为：

(1)实时在线采集稳态、动态信号；

(2)CPU对采集的高频响动态压力信号进行数据分析——互相关分析及概率统计分析；

(3)通过实时采集的数据以及实时分析的结果，判断在当前运行工况点时，叶片通道内部流动的变化，及扰动是否产生；

(4)随着检测到互相关系数的减小，通过D/A端口输出位移信号分别给8个高频响比例电磁阀，通过控制高频响比例电磁阀的开度，逐渐增大喷气量，进而提高喷气动量，推迟失速的发生，改善失稳裕度。

本发明的一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性的控制器，在一台三级轴流压气机实验台上进行了实验，控制器的连接关系方框图如图1所示：

实验中，稳态信号通过采集轴流压气机进出口壁面静压，出口总压，扭矩以及喷气压力和喷气流量计进口压力，并通过控制器的片内A/D转换模块输入，稳态信号主要是为了直观的显示当前运行工况点在特性线上的位置，以及喷气流量或者动量的大小，能够更方便比较喷气调控前后失稳裕度改善的大小。动态信号是通过布置在机匣壁面的动态压力传感器测得，高频响动态数据经由高速模拟信号采集模块和外部A/D转换模块输入。控制器采用嵌入式操作系统及32位信号处理器(CPU)，该控制器具有实时处理能力，体积小，运算精度高，内存大，在实际复杂的运行环境中能取代计算机的作用，并具有海量数据存储的功能。然后控制器CPU对采集的高频响动态压力信号进行数据分析-FFT分析、互相关分析及概率统计分析。通过实时采集的数据以及实时分析的结果能判断在当前运行工况点时，叶片通道内部流动的变化，及扰动是否产生。随着检测到互相关系数的减小，控制器通过D/A端口输出位移信号给高频响比例电磁阀驱动模块，从而控制在机匣壁面安装的8个高频响比例电磁阀的开度，通过控制高频响比例电磁阀的开度，来逐渐增大喷气量的大小，进而提高喷气动量，推迟失速的发生，改善失稳裕度。

控制器的结构如图2所示及控制器的功能如图3所示，在A/D数据采集功能上包括低频稳态压力信号和高频动态压力信号处理两部分。控制器除了包括六路模拟信号采集模块和八路高速模拟信号采集模块外，还集成了高频响比例电磁阀的驱动模块和脉冲模块以及分析动态数据的控制算法软件模块，为了能更直观的显示和输出当前采集的(进出口稳态数据)，因此，控制器还集成了通讯模块。最后，经过数据采集和数据分析之后，控制就可以通过D/A输出口，驱动控制8个高频响比例电磁阀的开度，实现叶顶喷气稳定性控制。

控制器的结构如下：

如图4所示，为叶顶喷气调控系统的示意图。图中只显示了动态数据采集的A/D输入，稳态数据的测量点分别布置在压气机进出口壁面机匣，采集稳态数据的主要目的是为了直观的从特性线(流量系数-压升系数)上看到工况点的变化。在第一级动叶的叶顶壁面机匣上对称布置了8个响应频率为300KHz的动态数据传感器，用以检测前失速先兆信号，并通过控制器的高速模拟信号采集模块采集高频响动态数据，其中A/D端口的数据转换精度为12Bits，转换时间为2μs。数据采集的同时，控制算法软件模块会同时对采集的数据进行互相关分析。在互相关分析时，会采用对称的2个传感器的数据进行分析，就会同时得到4个不同的互相关系数，这样能够更加准确及时的判断失速扰动产生的位置和时间。经前期大量的研究，在失速前，失速先兆的出现是从某个叶片通道或者某几个叶片通道产生的，然后再周向传播。按照产生的起因可以判断，前失速先兆的产生也是从某个或某几个通道产生的，能否更早的检测到前失速扰动信号成为控制系统能否正常工作的关键。这也正是互相关分析的优点所在，通过在轴向布置8个传感器，这样能够同时检测周向8个位置扰动的产生，以便控制器有更加充足的时间去控制作动机构。

控制系统中的执行机构为高频响比例电磁阀，这种阀门是通过给定位移信号或者脉冲信号，来改变高频响比例电磁阀的开度，实现改变喷气量大小的目的。实验中，喷嘴布置在距离第一级动叶前缘2mm处，因为此处对于微喷气所产生非定常响应效果是最佳的。由于控制器能够实时的改变喷气阀门的开度，来改变喷气量的大小。而对于喷射的气体而言，喷气动量的改变对扩稳的影响更大，而且从前期的研究结果表明，在微喷气和大喷气之间存在临界喷气动量比，在临界喷气动量比以下时，失速裕度的改善小，当喷气动量比高于临界动量比时，失速裕度的改善会明显上升。因此，本发明就是为了充分利用微喷气和大喷气的效果，在前期检测到互相关系数下降时，扰动比较小，此时采用微喷气就可以抑制扰动的发展，这样可以避免采用大喷气所带来的能源浪费。而随着工况点向失速推进，扰动的幅值会继续上升，此时，微喷气已不足以抑制扰动的发展，这样，控制器会继续控制喷气阀门开启，大喷气动量比就会继续起到抑制扰动发展的作用，直到阀门开度最大时，喷气动量比已不能继续增加。

控制器的优点，前期能充分利用微喷气的扩稳效果，节约能源，后期充分大喷气的扩稳效果，最大限度的实现扩稳。

Claims (8)

1.一种用于轴流压缩系统叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，包括处理器、八路高速模拟信号采集模块，六路模拟信号采集模块，频率信号采集模块，通讯模块，脉冲输出模块，八路高频响比例电磁阀驱动模块、电源模块；

处理器包括片内A/D转换模块、控制算法软件模块；

在轴流压缩系统进出口布置有用于获得压气机的稳态性能的多个稳态数据传感器，包括稳态压力传感器和压气机扭矩传感器；在轴流压缩系统进、出口机匣壁面上均布多个稳态压力传感器，在压气机动叶顶部机匣壁面周圆上均布有用于捕捉动态特性的多个动态数据传感器；其中，稳态数据传感器与六路模拟信号采集模块电连接，动态数据传感器与八路高速模拟信号采集模块电连接；六路模拟信号采集模块输出经片内A/D转换模块与处理器电连接，八路高速模拟信号采集模块输出经外部A/D转换模块与处理器电连接；频率信号采集模块采集该控制器外部的霍尔传感器输出的频率信号，并与处理器电连接；

处理器的输出端分别与八路高频响比例电磁阀驱动模块、脉冲输出模块电连接；其中处理器控制D/A输出模块，D/A输出模块经过RC滤波之后连接到高频响比例电磁阀驱动模块，八路高频响比例电磁阀驱动模块分别一一对应的与八个高频响比例电磁阀电连接；处理器与通讯模块双向通讯，通讯模块经USB/RS232接口与上位PC机双向通讯；上位PC机预装有数据监测软件，并对控制过程和结果进行显示；

脉冲输出模块与外部的蜂鸣器、指示灯电连接；

电源模块输出包括+24V、+5V、+3.3V，输入接外部AC220V电源，向各部件供电。

2.如权利要求1所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，所述八个高频响比例电磁阀，均布于压气机前面级的机匣外壁周圆上，然后通过引气管道连接到喷嘴，每一高频响比例电磁阀由一路高频响比例电磁阀驱动模块实时控制其开度。

3.如权利要求1所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，所述频率信号采集模块，先对霍尔传感器输出的脉冲信号进行整形滤波，然后经过处理器的控制算法软件模块对脉冲信号进行计数和跳变沿：上升沿或下降沿捕捉，以测量压气机转速和在每旋转一周的周期中某个叶片的位置。

4.如权利要求1所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，所述稳态数据传感器实时在线采集进口机匣壁面静压，出口机匣壁面静压，出口总压，扭矩，喷气压力信号，喷气流量计压力；动态数据传感器实时采集机匣壁面压力锯齿波。

5.如权利要求1所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，所述控制算法软件模块，在线进行数据分析，进行互相关分析结合概率统计分析，用以检测前失速先兆信号，即布置在壁面的多个动态数据传感器测得的壁面压力锯齿波的破坏程度。

6.如权利要求1所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，信号采集处理流程为：

a)八路高速模拟信号采集模块，将负电压信号、超过+5V的正电压信号转换成0～+5V之间的电压，然后进入到高速A/D转换模块中；

b)六路模拟信号采集模块，将负电压信号、超过+5V的正电压信号转换成0～+5V之间的电压，然后进入到处理器片内的A/D转换模块中；

c)处理器，对外部高速A/D转换模块和片内A/D转换模块采集到的数据经控制算法软件模块进行FFT变换、互相关和白相关分析；

d)在传感器数据经过处理器进行计算分析后，当高频响比例电磁阀的开度需要调整时，处理器输出0～10V的连续模拟信号，并分别独立对八路高频响比例电磁阀驱动模块进行控制，来控制高频响比例电磁阀的开度；

e)用通讯模块通过串行通讯接口与PC机进行数据交互，接收PC的控制指令或标定数据，同时，将传感器数据和系统工作状态的信息回传PC机。

7.如权利要求2所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，所述喷嘴布置在距离第一级动叶前缘2mm处。

8.如权利要求1所述的叶顶喷气稳定性控制的控制器，其特征在于，所述处理器，采用嵌入式操作系统及32位信号处理器，其控制算法软件，流程为：

a)实时在线采集稳态、动态信号；

b)CPU对采集的高频响动态压力信号进行数据分析——互相关分析及概率统计分析；

c)通过实时采集的数据以及实时分析的结果，判断在当前运行工况点时，叶片通道内部流动的变化，及扰动是否产生；

d)随着检测到互相关系数的减小，通过D/A输出模块端口输出位移信号分别给八个高频响比例电磁阀，通过控制高频响比例电磁阀的开度，逐渐增大喷气量，进而提高喷气动量，推迟失速的发生，改善失稳裕度。