CN111188784B - 一种防喘振自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防喘振自适应控制方法。为了克服现有技术整体克服扰动的响应比较慢，最终防喘阀打开过大且持续时间过长的问题本发明采用包括以下步骤：S1：根据典型设计工况，建立二维坐标模型；S2：实时监测工作数据，计算在二维坐标模型中的实时运行点；S3：根据运行点的变化趋势，自适应计算控制目标；S4：闭环控制达到控制目标。能够实时监测压缩机运行状态变化情况，根据压缩机运行状态的变化速率，自适应改变压缩机防喘振控制的控制目标，使得在压缩机能够提前做出响应，调节过程打开防喘阀时间更短，更加经济。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业自动化控制领域，尤其涉及一种防喘振自适应控制方法。
背景技术
压缩机是工业企业生产过程中的重要设备，特别是离心式压缩机具有高效、稳定运行、输出高压气体无脉动等特点而被广泛应用。但是离心式压缩机又存在喘振现象，会对压缩机输出产生很大的影响，对设备本身造成严重损害，直接影响设备能否继续工作。
当前离心式压缩机主要是以控制安全为主，以压缩机数据手册的多个典型工况的性能数据计算控制安全点，以此作为控制参考值。同时设置一定的安全裕度形成喘振控制线，以此作为压缩机控制目标进行运行控制。该方法的问题在于当工艺的波动或干扰导致压缩机运行状态向喘振方向快速移动时，防喘振控制输出仍不会有较大动作，整体克服扰动的响应比较慢，从而导致最终防喘阀打开过大且持续时间过长。
例如，一种在中国专利文献上公开的“防喘振控制方法和压缩设备”，其公告号“CN109882441A”，包括：采集压缩设备的喘振数据；利用采集到的喘振数据和压缩设备的喘振模型对压缩设备进行防喘振控制；以及利用采集到的喘振数据对压缩设备的喘振模型进行迭代更新。该方法的问题在于当工艺的波动或干扰导致压缩机运行状态向喘振方向快速移动时，防喘振控制输出仍不会有较大动作，整体克服扰动的响应比较慢，从而导致最终防喘阀打开过大且持续时间过长。
发明内容
本发明主要解决现有技术当工艺的波动或干扰导致压缩机运行状态向喘振方向快速移动时，防喘振控制输出仍不会有较大动作，整体克服扰动的响应比较慢，从而导致最终防喘阀打开过大且持续时间过长的问题；提供一种防喘振自适应控制方法，实时监测压缩机运行状态变化情况，自适应改变压缩机防喘振控制的控制目标，使得在压缩机能够提前做出响应，使得调节过程打开防喘阀时间更短，更加经济。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明包括以下步骤：
S1：根据典型设计工况，建立二维坐标模型；
S2：实时监测工作数据，计算在二维坐标模型中的实时运行点；
S3：根据运行点的变化趋势，自适应计算控制目标；
S4：闭环控制达到控制目标。
实时监测压缩机运行状态，根据压缩机运行状态的变化，自适应计算出控制目标，即闭环控制的设定值。建立二维坐标模型，使得喘振模型的计算更加直观，也能够直观地反映出压缩机的运行点是否在喘振区，以及压缩机运行点的变化。根据压缩机运行点的变化速率改变控制目标，当运行点往喘振区加速移动时，控制目标提前，使得压缩机能够提前做出相应，提前控制防喘阀打开，调节过程打开防喘阀时间更短，更加经济。
作为优选，所述的步骤S1包括以下步骤：
S11：以流量的平方为X轴，以出口压力与入口压力的压比为Y轴，建立二维坐标系；
S12：选取各个典型设计工况下最小流量的数据点，获取该数据点相关数据，计算转换到S11所述二维坐标系，将所有转换后的数据点拟合成一条喘振线；
S13：将喘振线沿X轴正方向偏移一个安全裕度值得到喘振控制线。
建立二维坐标模型，二维坐标模型包括二维坐标系、喘振线和喘振控制线。二维坐标系的建立是依据压缩机厂商提供的性能曲线图，利用表述压缩机特性的多变压头和质量流量平方的计算公式进行转换，去掉公共因子，获得压比和流量的平方。在二维坐标中，X轴的正方向为右，喘振线以及喘振线的左侧的位置为压缩机喘振的区域，当压缩机的运行点落在压缩机的喘振区域时，压缩机喘振；当压缩机的运行点落在喘振线的右侧时，压缩机正常运行，不喘振。将喘振线向X轴正方向偏移一个安全裕度值，安全裕度值是在压缩机开车调试过程中确定的，是对设备控制在安全与经济两个维度的平衡，过小则留给安全控制，即调节防喘阀的空间小了，过大则导致防喘阀频繁打开调节，不经济。设置安全裕度值能够使得安全控制且经济。
作为优选，所述的步骤S2包括以下步骤：
S21：采集被控对象运行状态下的出口压力、入口压力和入口压力差；
S22：计算采集的数据对应的X轴坐标和Y轴坐标，Y轴坐标
X轴坐标
其中，DPO为入口压力差，PS为入口压力，PD为出口压力；
S23：计算被控对象的实时运行状态，运行点
其中，K为喘振线斜率，f2(N)为第一喘振线修正函数，N为喘振线关联因素的第一修正参数，f3(Z)为第二喘振线修正函数，Z为喘振线关联因素的第二修正参数；喘振修正函数由有限次的喘振实验得到。
实时采集被控对象即压缩机的数据，计算出压缩机的运行点在二维坐标模型中的位置，能够直观地判断压缩机是否喘振，方便之后喘振控制线的自适应计算。f2(N)为防喘振修正函数，N为喘振线关联因素的修正参数，例如转速，分别选择不同的N值下实施喘振试验，获取每个N值下的喘振点的相关数据，依据所定义的喘振线上的运行点数据都为1，结合试验所得的相关数据，能计算出修正值。以此方法，获取更多的N值下的修正值，使用f2(N)表述不同的N值与修正值的关系。f3(Z)为防喘振修正函数，Z为其他维度的喘振线关联因素的修正参数，例如导叶开度。f3(Z)获得的方法与f2(N)相同，分别选择不同的Z值下实施喘振试验，获取每个Z值下的喘振点的相关数据，依据所定义的喘振线上的运行点数据都为1，结合试验所得的相关数据，可计算出修正值。
作为优选，所述的步骤S2还包括以下步骤：
S24：判断运行点是否处于喘振控制线右侧，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S4。
根据压缩机运行点与喘振控制线的位置，判断是否修正喘振控制线，如果运行点在喘振控制线左侧，则停止修正喘振控制线，保持最后修正时使用的微分响应值；如果运行点在喘振控制线右侧，则启用修正喘振控制线的自适应计算。
作为优选，所述的步骤S3包括以下步骤：
S31：对计算得到的WS值进行周期性地计算微分值，通过每n个运算周期计算平均值，每m个平均值计算微分值；微分值
其中，AVG_WS(i)和AVG_WS(i-m)为相邻m个WS的平均值，TC为运算周期；
S32：根据微分值计算微分响应值，微分响应值DER＝T*(DWS-DB)，其中，T为微分时间常数，DB为微分死区；
S33：根据微分响应值修正喘振控制线。
n和m的数值在调试时依据具体情况而定。控制器运算速度较快，也就是数据采集较快，如果气源有小幅波动，则会导致采集后的数据点有波动，影响变化趋势的检测，故使用滤波的理念，采用多倍的采样周期与计算周期，使得变化趋势不会高频率跳动。计算微分值和微分响应值来得到压缩机运行点的变化趋势和变化速率，为之后的自适应计算提供基础。喘振控制线的修正是根据压缩机运行点向喘振线移动的速率而得到的，自适应是指修正按照运行点移动速率适应获得。
作为优选，所述的微分响应值取非负数，且对微分响应值进行最大值限制；修正喘振控制线的方法为将喘振控制线向X轴正方向偏移微分响应值的量。微分响应的最大值限制依据调节效果人为设定，将微分响应值做限制保护。根据微分响应值，将防喘振控制线向X轴正方向偏移，更加靠近了压缩机的运行点，增大了安全裕度值，在实际中当压缩机运行点快速向喘振方向移动时，以修正后的喘振控制线为目标，进行闭环控制，能够对压缩机进行提前的防喘振控制。
作为优选，所述的步骤S33包括以下步骤：
S331：比较当前微分响应值与前次微分响应值的大小，判断是否当前微分响应值小，若是，则进入步骤S332，若否，取当前微分响应值，喘振控制线向X轴正方向偏移微分响应值的量；
S332：取前次微分响应值，按设定的速率进行衰减，喘振控制线向X轴正方向偏移衰减计算后的微分响应值的量。
如果微分响应值当前运算周期比前次运算周期的大，表明运行点趋势越来越快地向喘振线靠近，则需要持续的进行修正调节；如果当前运算周期比前次运算周期的小，表明运行点向喘振线靠近趋势已由快变慢，意味着调节已起到遏制的作用，修正措施可以开始慢慢撤出。衰减的速率依据调节效果人为设置，能够适应性调整；值越小，则修正策略回退到先前的状态会慢慢的退出，相对平稳，时间较长。值越大，则回退速度快，但是给调节过程带来的波动会大些。衰减速率按照喘振控制线所需的退回速率设置，以20ms控制周期为例，一般取3分钟，当需要喘振控制线更快地退回时，增加衰减速率，当需要喘振控制线慢慢退回时，减小退回速率。
通过微分响应值的正向值叠加将喘振控制线向右移动，已提前迎合运行点的方向做移动，提前产生防喘振控制响应。通过微分响应值的正向值向0进行衰减过程，会将喘振控制线向左移动，慢慢衰减到预设安全裕度位置，喘振控制线作为控制目标的缓慢变化过程，可减少闭环控制中的防喘阀开度突变，从而减小对压缩机工作状态的影响。
作为优选，所述的闭环控制以修正后的喘振控制线为控制目标，被控对象的实时运行点为反馈值，防喘阀为执行器，使用PID算法控制。喘振控制线根据计算得到的微分响应值自适应改变。喘振控制线是闭环控制中设定值，压缩机的运行点为反馈值，反馈值与设定值的误差作为PID控制算法的输入，PID控制算法的输出控制防喘阀的开合，来控制防喘振效果，使得压缩机的运行点向喘振控制线靠近。
本发明的有益效果是：
1.喘振控制线根据运行点的状态变化自适应改变，在运行点快速向喘振方向移动时，控制防喘阀提前相应，调节过程打开防喘阀时间更短，更加经济。
2.设置安全裕度值能够使得控制安全且经济。
3.通过微分响应值的正向值向0进行衰减过程，是喘振控制线逐渐衰减到预设安全裕度位置，能减少在闭环控制中的防喘阀开度突变，从而减小对压缩机工作状态的影响。
附图说明
图1是本发明的一种控制方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种防喘振自适应控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：根据典型设计工况，建立二维坐标模型。
二维坐标模型包括二维坐标系、喘振线和喘振控制线。在二维坐标模型中，X轴的正方向为右方，Y轴正方向为上方。在二维坐标模型中，喘振线以及喘振线左侧区域为喘振区，当压缩机的运行点落在喘振区时，压缩机会进行喘振；当压缩机运行点落在喘振线右侧，即非喘振区时，压缩机正常运行工作，不会进行喘振。
S11：以流量的平方为X轴，以出口压力与入口压力的压比为Y轴，建立二维坐标系。
依据压缩机厂商提供的性能曲线图，利用表述压缩机特性的多变压头和质量流量平方的计算公式进行转换，去掉公共因子，获得简化压头hr与简化流量的平方值qr2，或者简化压头hr进一步转化成压比Rc的关系。以流量的平方qr2作为二维坐标系的X轴，以出口压力与入口压力的压比Rc作为二维坐标系的Y轴，能够将直观地表示压缩机的压比与流量的关系。
S12：选取各个典型设计工况下最小流量的数据点，将数据点拟合成一条喘振线。
根据各个典型设计工况下的坐标数据以及预期性能曲线所对应的进口温度、进口压力、气体密度，计算获得描述运行状态的坐标系中的数据。根据所述计算后得到的数据，选取各个典型设计工况下最左侧最小流量下的数据点，将所有这些数据点绘制成一条多段直线作为喘振线。
S13：将喘振线沿X轴正方向偏移一个安全裕度值得到喘振控制线。
安全裕度值在压缩机开车调试过程中确定，是对设备控制在安全与经济两个维度的平衡，在本实施例中，安全裕度值一般设置在0.2～0.3。安全裕度值过小则留给安全控制，即调节防喘阀的空间小了；安全裕度值过大则导致防喘阀频繁打开调节，不经济。安全裕度值的设置得到了初始的喘振控制线，在闭环控制中以喘振控制线作为控制目标，即设定值，进行控制，保证了在安全裕度值的位置压缩机不进行喘振。
S2：实时监测工作数据，计算在二维坐标模型中的实时运行点。
S21：采集被控对象运行状态下的出口压力、入口压力和入口压力差。
被控对象在本实施例中指压缩机，检测设备采集压缩机的入口压力差DPO、入口压力PS和出口压力PD，用于之后的压缩机的运行点计算。
S22：计算采集的数据对应的X轴坐标和Y轴坐标，Y轴坐标
X轴坐标
其中，DPO为入口压力差，PS为入口压力，PD为出口压力。
根据检测到的压缩机数据计算数据对应二维坐标系中的值，方便之后计算压缩机的运行点。
S23：计算被控对象的实时运行状态，运行点
其中，K为喘振线斜率，f2(N)为第一喘振线修正函数，N为喘振线关联因素的第一修正参数，f3(Z)为第二喘振线修正函数，Z为喘振线关联因素的第二修正参数；第一喘振修正函数和第二喘振修正函数由有限次的喘振实验得到。
计算压缩机的运行点，能够在二维坐标模型中直接表示表示对应的坐标，方便观察压缩机的运行点落在那个区域，是喘振区还是非喘振区，方便之后的控制。
f2(N)为防喘振修正函数，N为喘振线关联因素的修正参数，例如转速，分别选择不同的N值下实施喘振试验，获取每个N值下的喘振点的相关数据，依据所定义的喘振线上的运行点数据都为1，结合试验所得的相关数据，能计算出修正值。以此方法，获取更多的N值下的修正值，使用f2(N)表述不同的N值与修正值的关系。
f3(Z)为防喘振修正函数，Z为其他维度的喘振线关联因素的修正参数，例如导叶开度。f3(Z)获得的方法与f2(N)相同，分别选择不同的Z值下实施喘振试验，获取每个Z值下的喘振点的相关数据，依据所定义的喘振线上的运行点数据都为1，结合试验所得的相关数据，可计算出修正值。
S24：判断运行点是否处于喘振控制线右侧，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S4。
根据压缩机运行点与喘振控制线的位置，判断是否修正喘振控制线，如果运行点在喘振控制线左侧，则停止修正喘振控制线，保持最后修正时使用的微分响应值；如果运行点在喘振控制线右侧，则启用修正喘振控制线的自适应计算。
S3：根据运行点的变化趋势，自适应计算控制目标。
根据运行点往喘振方向的速度计算喘振控制线的位置。
S31：对计算得到的WS值进行周期性地计算微分值，通过每n个运算周期计算平均值，每m个平均值计算微分值；微分值
其中，AVG_WS(i)和AVG_WS(i-m)为相邻m个WS的平均值，TC为运算周期。
n和m的数值在调试时依据具体的采样频率而定。控制器运算速度较快，即数据采集较快，如果气源有小幅波动，则会导致采集后的数据点有波动，影响变化趋势的检测，故使用滤波的理念，采用多倍的采样周期与计算周期，使得变化趋势不会高频率跳动。在本实施例中，以控制器采样频率20ms为例，设置n和m的范围1到3，当控制器的采样频率上升时，n和m的值也适当上升。
S32：根据微分值计算微分响应值，微分响应值DER＝T*(DWS-DB)，其中，T为微分时间常数，DB为微分死区。
计算微分值和微分响应值来得到压缩机运行点的变化趋势和变化速率，为之后的自适应计算提供基础。喘振控制线的修正是根据压缩机运行点向喘振线移动的速率而得到的，自适应是指修正按照运行点移动速率适应获得。
S33：根据微分响应值修正喘振控制线。
微分响应值取非负数，且对微分响应值进行最大值限制。微分响应的最大值依据调节效果人为设定，将微分响应值做限制保护；在本实施例中，以20ms控制周期为例，其设置范围是0～(1-安全裕度值)，一般建议0.3。减少超调量。避免过度整定。修正喘振控制线的方法为将喘振控制线向X轴正方向偏移微分响应值的量。根据微分响应值，将防喘振控制线向X轴正方向偏移，，更加靠近了压缩机的运行点，增大了安全裕度值，在实际中当压缩机运行点快速向喘振方向移动时，以修正后的喘振控制线为目标，进行闭环控制，能够对压缩机进行提前的防喘振控制。
S331：比较当前微分响应值与前次微分响应值的大小，判断是否当前微分响应值小，若是，则进入步骤S332，若否，取当前微分响应值，喘振控制线向X轴正方向偏移微分响应值的量。
如果微分响应值当前运算周期比前次运算周期的大，表明运行点趋势越来越快地向喘振线靠近，则需要持续的进行修正调节；如果当前运算周期比前次运算周期的小，表明运行点向喘振线靠近趋势已由快变慢，意味着调节已起到遏制的作用，修正措施可以开始慢慢撤出。通过微分响应值的正向值叠加将喘振控制线向右移动，已提前迎合运行点的方向做移动，提前产生防喘振控制响应。
S332：取前次微分响应值，按设定的速率进行衰减，喘振控制线向X轴正方向偏移衰减计算后的微分响应值的量。
衰减的速率依据调节效果人为设置，能够适应性调整。值越小，则修正策略回退到先前的状态会慢慢的退出，相对平稳，时间较长；值越大，则回退速度快，但是给调节过程带来的波动会大些。衰减速率按照喘振控制线所需的退回速率设置，在本实施例中，以20ms控制周期为例，一般取3分钟，当需要喘振控制线更快地退回时，增加衰减速率，当需要喘振控制线慢慢退回时，减小退回速率。通过微分响应值的正向值向0进行衰减过程，会将喘振控制线向左移动，慢慢衰减到预设安全裕度位置，喘振控制线作为控制目标的缓慢变化过程，可减少闭环控制中的防喘阀的开度突变，从而减小对压缩机工作状态的影响。
S4：闭环控制达到控制目标。
以修正后的喘振控制线为控制目标，被控对象的实时运行点为反馈值，防喘阀为执行器，使用PID算法控制。喘振控制线根据计算得到的微分响应值自适应改变。喘振控制线是闭环控制中设定值，压缩机的运行点为反馈值，反馈值与设定值的误差作为PID控制算法的输入，PID控制算法的输出控制防喘阀的开合，来控制防喘振效果，使得压缩机的运行点向喘振控制线靠近。
本发明的喘振控制线根据运行点的状态变化自适应改变，在运行点快速向喘振方向移动时，控制防喘阀提前相应，调节过程打开防喘阀时间更短，更加经济。设置安全裕度值能够使得控制安全且经济。通过微分响应值的正向值向0进行衰减过程，是喘振控制线逐渐衰减到预设安全裕度位置，能减少在闭环控制中的防喘阀开度突变，从而减小对压缩机工作状态的影响。
Claims (7)
1.一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据典型设计工况，建立二维坐标模型；
S2：实时监测工作数据，计算在二维坐标模型中的实时运行点；
S21：采集被控对象运行状态下的出口压力、入口压力和入口压力差；
S22：计算采集的数据对应的X轴坐标和Y轴坐标，Y轴坐标
，X轴坐标
，其中，DPO为入口压力差，PS为入口压力，PD为出口压力；
S23：计算被控对象的实时运行状态，运行点
；其中，K为喘振线斜率，
为第一喘振线修正函数，N为喘振线关联因素的第一修正参数，
为第二喘振线修正函数，Z为喘振线关联因素的第二修正参数；喘振修正函数由有限次的喘振实验得到；
S3：根据运行点的变化趋势，自适应计算控制目标；
S4：闭环控制达到控制目标。
2.根据权利要求1所述的一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤S1包括以下步骤：
S11：以流量的平方为X轴，以出口压力与入口压力的压比为 Y轴，建立二维坐标系；
S12：选取各个典型设计工况下最小流量的数据点，获取该数据点相关数据，计算转换到S11所述二维坐标系，将所有转换后的数据点拟合成一条喘振线；
S13：将喘振线沿X轴正方向偏移一个安全裕度值得到喘振控制线。
3.根据权利要求1所述的一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤S2还包括以下步骤：
S24：判断运行点是否处于喘振控制线右侧，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S4。
4.根据权利要求1所述的一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤S3包括以下步骤：
S31：对计算得到的WS值进行周期性地计算微分值，通过每n个运算周期计算平均值，每m个平均值计算微分值；微分值
,其中，AVG_WS（i）和AVG_WS（i-m）为相邻m个WS的平均值，TC为运算周期；
S32：根据微分值计算微分响应值，微分响应值
，其中，T为微分时间常数，DB为微分死区；
S33：根据微分响应值修正喘振控制线。
5.根据权利要求4所述的一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，所述的微分响应值取非负数，且对微分响应值进行最大值限制；修正喘振控制线的方法为将喘振控制线向X轴正方向偏移微分响应值的量。
6.根据权利要求5所述的一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，所述的步骤S33包括以下步骤：
S331：比较当前微分响应值与前次微分响应值的大小，判断是否当前微分响应值小，若是，则进入步骤S332，若否，取当前微分响应值，喘振控制线向X轴正方向偏移微分响应值的量；
S332：取前次微分响应值，按设定的速率进行衰减，喘振控制线向X轴正方向偏移衰减计算后的微分响应值的量。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种防喘振自适应控制方法，其特征在于，所述的闭环控制以修正后的喘振控制线为控制目标，被控对象的实时运行点为反馈值，防喘阀为执行器，使用PID算法控制。
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