CN112761998A - 基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，包括以下步骤：S1仿真阶段，确定压缩机最佳工作区和喘振曲线以及对应的功率值，制成数据表格，转化为控制代码，上传至控制器；S2推导出口流量计算公式与进出口导叶开度关系式，制定调节控制策略；S3运行阶段，实际运行工作点和仿真性能曲线比较，自动判断压缩机是否工作在高效工作区；S4如果没有在高效工作区，根据生成的控制策略调整并迭代，自动调节导叶出口开度值并自动匹配导叶进口开度值和变频器设定值；S5若仿真性能数据表和实际高效工作区有差别，控制器自动修改数据表同时修改导叶开度匹配公式系数；S6调节到最高效工作点后，控制器记忆进出口导叶开度、进出口温度，进出压力值。

Description

基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法

技术领域

本发明涉及压缩机自动控制技术领域，特别是涉及基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法。

背景技术

离心式鼓风机是一种叶片式压缩机，与定容式鼓风机相比，具有效率高、噪音低、振动小的特点，离心式鼓风机分为低速多级、高速多级、高速单级等形式。目前离心式压缩机广泛应用于国内各大污水处理及石化制药等行业，使用环境相对恶劣，昼夜温差，甚至早晚温差变化，工艺参数变化，工质中含有的腐蚀物质对于叶片的腐蚀等因素，会导致压缩机的实际工作点在不同的时段产生一些变化，如图1所示，图1表示压缩机进口流量-压比性能曲线图，从图中可以看出在压缩机的稳定工作区，即喘振线和阻塞线之间，还有高效工作区，越靠近高效工作区的高效工作线，压缩机效率越高。如图2所以，在转速一定的情况下，压缩机的输出流量随温度变化而变化。在压缩机实际工作中，压缩机在某一温度下的实际工作点会随着温度的变化而变化，最终会越来越多的偏离高效工作线。

为了更好达到节能减排、降低成本的要求，希望离心式压缩机的实际工作点一直运行在高效工作区，就需要压缩机的控制技术保证即使外界环境变化、叶片形态变化导致实际运行工作点漂移后压缩机依然能够找到并且运行在最佳工作点。本发明很好的解决了这一问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，通过该控制方法，达到通过在不同工况下自动调节进出口开度和压缩机转速，保证压缩机工作在最高效工作点，提高压缩机工作效率，达到降低损耗、节能减排的目的。

本发明的目的是这样实现的：

基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，通过压缩机控制器对变频器和压缩机进行控制，压缩机传感器采集压缩机进出口温度、进出口压力和出口流量值，变频器控制电机输出电流和功率，其特征在于：包括以下步骤：

S1压缩机仿真阶段，选取多个不同的温度点，生成压缩机在这些温度点的流量-温升性能曲线、流量-功率性能曲线，结合进口流量-压比性能曲线图，确定在这些温度点下的压缩机最佳工作区和喘振曲线以及不同流量下对应的功率值，把性能曲线制成数据表格或拟合成公式，转化为控制代码，上传至压缩机控制器；

S2根据空气动力学及压缩机工作原理，推导出压缩机出口流量计算公式与进出口导叶开度匹配关系式，为控制器制定调节控制策略；

S3压缩机运行阶段，压缩机控制器实时将压缩机的实际运行工作点和设计仿真性能曲线图进行比较，控制器通过压缩机电流、功率、出口流量及进出口压力值、进出口温度值参数，自动判断压缩机目前是否工作在仿真时的最佳性能工作点，以及偏离最佳性能工作点多少；

S4如果没有工作在高效工作区，压缩机根据生成的控制策略调整并迭代，根据进出口导叶开度匹配公式自动调节进出口导叶出口开度值并自动匹配导叶进口开度值和变频器设定值，在整个调整过程中，控制器会始终记录相同进出口温度和压比及流量下的压缩机工作的最小功率和最小电流，并且和高效工作点的功率和电流进行比较，判断仿真的高效工作点是否和实际高效工作点相匹配；

S5如果仿真生成的性能数据表和实际工作时的高效工作区有差别，控制器自动修改数据表，使控制器植入的仿真性能曲线贴近实际性能曲线，继续向更优化的方向迭代，同时修改进出口导叶开度匹配公式在当前条件下的系数，使公式能更好的预测实际情况；

S6当压缩机调节到最高效工作点后，压缩机控制器记忆此时的进出口导叶开度、进出口温度，进出压力值，便于下次在相同情况下直接调用。

进一步的，所述步骤S4中，压缩机控制器在当前参数以及调节结果和仿真值之间进行比较判断；让控制器比较后自动判断调节趋势好坏以及压缩机性能参数之间的关系，通过变化趋势和压缩机性能各参数之间的关系在结合进出口导叶开度匹配公式，控制器自动调节控制策略，进行相应的调节，并迭代。

进一步的，所述步骤S4中的自动调节过程中，压缩机控制器自动记忆前几次的压缩机流量大小、压缩机电流大小、进出口导叶开度值、压缩机进出口压力值，与仿真阶段的性能曲线生成的数据流量、压比、效率、转速进行比较，找到在某一流量压比下的效率最高点，控制器自动记忆当前所有压缩机测量参数值，用于下次在相同参数条件下的调节。

进一步的，步骤S2中进出口导叶开度匹配公式计算过程如下：

步骤S2中进出口导叶开度匹配公式计算过程如下：

STAT15＝ΔP×α+T_in×β+γ；

其中：STAT15为导叶进口开度第一中间变量；ΔP为进出口压差；T_in为进口温度；α、β、γ为函数拟合参数，根据压缩机性能特性确定；

根据导叶进口开度第一中间变量STAT15的值按下式计算导叶进口开度值：

1)STAT15≥A，则STAT20＝10；

其中，STAT20为导叶进口开度第二中间变量；

2)A＞STAT15≥B，则：

STAT20＝(STAT15+D)×E×(出口导叶开度/10+F)+G+0.0；

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

3)B＞STAT15≥C，则：

STAT20＝e^STAT15×H×I+(出口导叶开度/10)×J+K+0.0；

其中e为自然数

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

4)STAT15＜C，则：

STAT20＝(出口导叶开度/10)×L+M+0.0；

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

当计算的STAT20<0，则STAT20＝0；

将STAT20按下式计算出进口导叶的开度百分比：

进口导叶开度＝(STAT20×10)/100；

式中A、B、C、D、E、F、G、J、K、L、M为试验数据拟合后的多项式系数，e为自然数。

出口流量计算公式为：

Q＝{(1000×(I³×R+I²×S+I×T+U))/[1004.5×1.205×(T_in/T_out+273.15)]}

其中：Q-出口流量值；I-电机电流；T_in-空气进口温度；T_out-空气出口温度；R、S、T、U为多项式系数，由实验电流-流量曲线拟合而来。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

压缩机控制器通过将压缩机实际工作点与仿真性能参数表进行比较、判断、归纳、记忆，让压缩机控制器在当前参数以及调节结果和仿真各数据值之间进行比较判断，让控制器比较后自动判断调节趋势好坏以及压缩机性能参数之间的关系，通过变化趋势和压缩机性能各参数之间的关系在结合公式，控制器自动调节控制策略，进行相应的调节，并迭代，通过在不同工况下自动调节进出口开度和压缩机转速，保证压缩机工作在最高效工作点，提高压缩机工作效率，达到降低损耗、节能减排的目的。

附图说明

图1为压缩机进口流量-压比性能曲线示意图；

图2为压缩机出口流量-温升性能曲线图；

图3为压缩机控制器控制结构示意图；

图4为某进口温度下压缩机压比-流量性能曲线图；

图5为压缩机出口流量-功率性能曲线图。

具体实施方式

如图1-图5所示，基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，压缩机包括进出口温度传感器、出口流量传感器(如有需要进口流量以及体积流量和质量流量在控制程序中进行换算)、进出口压力传感器、电机运行电流反馈和功率反馈、压缩机控制器、变频器、压缩机进出口导叶几部分，进出口压力传感器用于检测压缩机实际工作时压比值，出口流量传感器用于检测压缩机实际运行中压缩机出口流量值，通过压比和流量值，结合压缩机工作时的进出口温度值和图4中某进口温度下压缩机压比-流量性能曲线图所示的压缩机性能曲线进行实时比较，可以判断出压缩机目前是否工作在高效工作区，以及偏离高效工作区的多少。

本实施例中，通过压缩机控制器对变频器和压缩机进行控制，变频器控制电机输出电流和功率，包括以下步骤：

S1在压缩机气动设计及仿真阶段，选取多个不同的温度点，生成压缩机在这些温度点的流量-温升性能曲线(图2)、流量-功率性能曲线(图5)，结合进口流量-压比性能曲线图(图1、图4)，确定在这些温度点下的压缩机最佳工作区和喘振曲线以及不同流量下对应的功率值，把这些性能曲线制成数据表格或拟合成公式，转化为控制代码，上传至压缩机控制器；

S2根据空气动力学及压缩机工作原理，推导出压缩机出口流量计算公式与进出口导叶开度匹配关系式，为控制器制定调节控制策略，根据不同的参数变化，确定大致调节方向；

进出口导叶开度匹配公式计算过程如下：

STAT15＝ΔP×α+T_in×β+γ；

其中：STAT15为导叶进口开度第一中间变量；ΔP为进出口压差；T_in为进口温度；α、β、γ为函数拟合参数，根据压缩机性能特性确定；

根据导叶进口开度第一中间变量STAT15的值按下式计算导叶进口开度值：

1)STAT15≥A，则STAT20＝10；

其中，STAT20为导叶进口开度第二中间变量

2)A＞STAT15≥B，则：

STAT20＝(STAT15+D)×E×(出口导叶开度/10+F)+G+0.0，0.0用于表明为实数关系；

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

3)B＞STAT15≥C，则：

STAT20＝e^STAT15×H×I+(出口导叶开度/10)×J+K+0.0；

其中e为自然数。

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

4)STAT15＜C，则：

STAT20＝(出口导叶开度/10)×L+M+0.0；

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

当计算的STAT20<0，则STAT20＝0；

将STAT20按下式计算出入口导叶的开度百分比：

进口导叶开度＝(STAT20×10)/100；

式中A、B、C、D、E、F、G、J、K、L、M为试验数据拟合后的多项式系数，e为自然数。

出口流量计算公式为：

Q＝{(1000×(I³×R+I²×S+I×T+U))/[1004.5×1.205×(T_in/T_out+273.15)]}

其中：Q-出口流量值；I-电机电流；T_in-空气进口温度；T_out-空气出口温度；R、S、T、U为多项式系数，由实验电流-流量曲线拟合而来。

从公式可以看出，在压比及出口压力已定的情况下，出口流量主要和电机电流、进出口温度这几个参数相关，其中环境温度、流量及压比等条件不变的情况下，电机电流大小和进出口导叶开度成正比，公式的作用主要是帮助控制器制定调节控制策略，可以根据不同的参数变化，大致确定调节方向。在每个参数前都加入修正系数，用于压缩机在自学习的工程中，压缩机控制器自己学习并进行修正，工作人员仅仅需要在修正后进行监督，验证修正结果是否正确。

S3在压缩机运行阶段，压缩机控制器实时将压缩机的实际运行工作点压比、流量、进出口温度、功率及电流等各个参数和设计仿真时的各参数进行比较，控制器通过比较，自动判断压缩机目前是否工作在仿真时的最佳性能工作点，以及偏离高效工作区的多少；

S4如果没有工作在高效工作区，压缩机根据生成的控制策略调整并迭代，根据进出口导叶开度匹配公式自动调节进出口导叶出口开度值并自动匹配导叶进口开度值和变频器设定值，在整个调整过程中，控制器会始终记录相同进出口温度和压比及流量下的压缩机工作的最小功率和最小电流，并且和高效工作点的功率和电流进行比较，判断仿真的高效工作点是否和实际高效工作点相匹配；

压缩机控制器在当前参数以及调节结果和仿真值之间进行比较判断，让控制器比较后自动判断调节趋势好坏以及压缩机性能参数之间的关系，通过变化趋势和压缩机性能各参数之间的关系再结合进出口导叶开度匹配公式，控制器自动调节控制策略，进行相应的调节，并迭代。

在自动调节过程中，压缩机控制器自动记忆前几次的压缩机流量大小、压缩机电流大小、进出口导叶开度值、压缩机进出口压力值，与仿真阶段的性能曲线生成的数据流量、压比、效率、转速进行比较，找到在某一流量压比下的效率最高点，控制器自动记忆当前所有压缩机测量参数值，用于下次在相同参数条件下的调节。

S5如果仿真生成的性能数据表和实际工作时的高效工作区有差别，控制器自动修改数据表，使控制器植入的仿真性能曲线贴近实际性能曲线，继续向更优化的方向迭代，同时修改进出口导叶开度匹配公式在当前条件下的系数，使公式能更好的预测实际情况。

S6当压缩机调节到最高效工作点后，压缩机控制器记忆此时的进出口导叶开度、进出口温度，进出压力值，便于下次在相同情况下直接调用，提高调节效率；

在压缩机自动调节的过程中，控制系统会根据在满足调节效果的前提下调节时间的多少，自动调整控制策略，不断迭代，从而使调节的效率和效果越来越高。

最终压缩机控制系统通过比较、判断、归纳、记忆的学习方式，达到通过在不同工况下自动调节进出口开度和压缩机转速，保证压缩机工作在最高效工作点，提高压缩机工作效率，达到降低损耗、节能减排的目的。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，通过压缩机控制器对变频器和压缩机进行控制，压缩机传感器采集压缩机进出口温度、进出口压力和出口流量值，变频器控制电机输出电流和功率，其特征在于：包括以下步骤：

S1压缩机仿真阶段，选取多个不同的温度点，生成压缩机在这些温度点的流量-温升性能曲线、流量-功率性能曲线，结合进口流量-压比性能曲线图，确定在这些温度点下的压缩机最佳工作区和喘振曲线以及不同流量下对应的功率值，把性能曲线制成数据表格或拟合成公式，转化为控制代码，上传至压缩机控制器；

S2根据空气动力学及压缩机工作原理，推导出压缩机出口流量计算公式与进出口导叶开度匹配关系式，为控制器制定调节控制策略；

S3压缩机运行阶段，压缩机控制器实时将压缩机的实际运行工作点和设计仿真性能曲线图进行比较，控制器通过压缩机电流、功率、出口流量及进出口压力值、进出口温度值参数，自动判断压缩机目前是否工作在仿真时的最佳性能工作点，以及偏离最佳性能工作点多少；

S4如果没有工作在高效工作区，压缩机根据生成的控制策略调整并迭代，根据进出口导叶开度匹配公式自动调节进出口导叶出口开度值并自动匹配导叶进口开度值和变频器设定值，在整个调整过程中，控制器会始终记录相同进出口温度和压比及流量下的压缩机工作的最小功率和最小电流，并且和高效工作点的功率和电流进行比较，判断仿真的高效工作点是否和实际高效工作点相匹配；

S5如果仿真生成的性能数据表和实际工作时的高效工作区有差别，控制器自动修改数据表，使控制器植入的仿真性能曲线贴近实际性能曲线，继续向更优化的方向迭代，同时修改进出口导叶开度匹配公式在当前条件下的系数，使公式能更好的预测实际情况；

S6当压缩机调节到最高效工作点后，压缩机控制器记忆此时的进出口导叶开度、进出口温度，进出压力值，便于下次在相同情况下直接调用。

2.根据权利要求1所述的基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，压缩机控制器在当前参数以及调节结果和仿真值之间进行比较判断；让控制器比较后自动判断调节趋势好坏以及压缩机性能参数之间的关系，通过变化趋势和压缩机性能各参数之间的关系在结合进出口导叶开度匹配公式，控制器自动调节控制策略，进行相应的调节，并迭代。

3.根据权利要求1所述的基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，其特征在于：所述步骤S4中的自动调节过程中，压缩机控制器自动记忆前几次的压缩机流量大小、压缩机电流大小、进出口导叶开度值、压缩机进出口压力值，与仿真阶段的性能曲线生成的数据流量、压比、效率、转速进行比较，找到在某一流量压比下的效率最高点，控制器自动记忆当前所有压缩机测量参数值，用于下次在相同参数条件下的调节。

4.根据权利要求1所述的基于机器自学习使压缩机运行在最佳工作点的控制方法，其特征在于，步骤S2中进出口导叶开度匹配公式计算过程如下：

STAT15＝ΔP×α+T_in×β+γ；

其中：STAT15为导叶进口开度第一中间变量；ΔP为进出口压差；T_in为进口温度；α、β、γ为函数拟合参数，根据压缩机性能特性确定；

根据导叶进口开度第一中间变量STAT15的值按下式计算导叶进口开度值：

1)STAT15≥A，则STAT20＝10；

其中，STAT20为导叶进口开度第二中间变量；

2)A＞STAT15≥B，则：

STAT20＝(STAT15+D)×E×(出口导叶开度/10+F)+G+0.0；

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

3)B＞STAT15≥C，则：

STAT20＝e^STAT15×H×I+(出口导叶开度/10)×J+K+0.0；

其中e为自然数

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

4)STAT15＜C，则：

STAT20＝(出口导叶开度/10)×L+M+0.0；

当计算的STAT20＞G，则STAT20＝10；

当计算的STAT20<0，则STAT20＝0；

将STAT20按下式计算出进口导叶的开度百分比：

进口导叶开度＝(STAT20×10)/100；

式中A、B、C、D、E、F、G、J、K、L、M为试验数据拟合后的多项式系数，e为自然数。

出口流量计算公式为：

Q＝{(1000×(I³×R+I²×S+I×T+U))/[1004.5×1.205×(T_in/T_out+273.15)]}

其中：Q-出口流量值；I-电机电流；T_in-空气进口温度；T_out-空气出口温度；R、S、T、U为多项式系数，由实验电流-流量曲线拟合而来。

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