CN113342072B - 一种恒流量控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心风机控制领域，尤其是涉及一种恒流量控制方法及系统，方法包括：获取到离心风机出口实时压力值，其中，离心风机出口实时压力值变化反映背压变化；根据背压变化控制离心风机流量。本发明提供的一种恒流量控制方法及系统，能够使空气悬浮离心鼓风机提供恒定流量输出，有效的避免了离心风机出现的喘振或负载超限现象，并解决了现有技术中，使用恒转速调节方法调节风量，离心风机出口压力变化范围小，无法满足在系统背压变化大的工况下的使用要求的技术问题。

Description

一种恒流量控制方法及系统

技术领域

本发明涉及离心风机控制领域，尤其是涉及一种恒流量控制方法及系统。

背景技术

空气悬浮离心鼓风机采用“高速直联电机”、“空气悬浮轴承”两大核心技术，是一种无冷却系统、无油润滑系统的绿色环保设备，具有效率高、噪声低、磨损低、节能环保等优点，近年来被广泛的应用在多个领域，用来替代效率低、噪声高的罗茨风机，但是由于空气悬浮离心鼓风机其特性具有喘振边界和堵塞边界，不能提供恒流量的输出，易发生喘振或负载超限现象，导致目前用空气悬浮离心鼓风机完全替换罗茨风机的情况下会出现很多问题。

另一方面，在某些领域，例如物料输送等领域，由于系统背压变化大，则要求离心风机出口压力可以随着背压不断调整，但是现有技术中的空气悬浮离心鼓风机采用恒定转速的调节方法，调节的离心风机出口压力变化范围小，无法在系统背压变化大的工况下使用。

因此，如何使空气悬浮离心鼓风机既能避免出现喘振或负载超限现象又能满足其在系统背压变化大的工况下的使用要求，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种恒流量控制方法及系统，可以避免离心风机出现喘振或负载超限现象，用以解决现有技术中，使用恒转速调节方法调节风量，离心风机出口压力变化范围小，无法满足在系统背压变化大的工况下的使用要求的技术问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种恒流量控制方法，方法包括：获取到离心风机入口实时压力值、离心风机入口实时温度、标况温度和离心风机机箱内绝对压力值；

通过公式：

计算得到离心风机的入口风量值，其中，

q_vs为标况容积流量，即离心风机入口风量，q_m为入口空气质量流量，T_s为常温下标况温度，T₁ ^*为入口实时温度，p₁ ^*为入口实时压力；

获取到离心风机出口实时压力值，其中，离心风机出口实时压力值变化反映背压变化；根据入口风量值及背压变化控制离心风机流量。

进一步地，根据入口风量值及背压变化控制离心风机流量包括：根据入口风量值调整离心风机转速控制离心风机流量。

进一步地，根据入口风量值调整离心风机转速包括：根据入口风量值生成第一控制指令，其中，所述第一控制指令至少包括离心风机目标转速；将第一控制指令发送给变频器；通过变频器依据第一控制指令控制离心风机转速。

进一步地，在根据入口风量值及背压变化控制离心风机流量之前包括：判断背压变化是否在预设范围内。

进一步地，判断背压变化是否在预设范围内包括：接收到预设背压范围以及预设时间段；根据获取到的离心风机出口实时压力值计算在预设时间段内背压变化绝对值；判断背压变化绝对值是否在预设背压范围内。

进一步地，判断背压变化绝对值是否在预设背压范围内包括：背压变化绝对值在预设范围内，不控制离心风机流量；背压变化绝对值在预设范围外，控制离心风机流量。

进一步地，所述离心风机的入口风量值通过以下公式得到：

其中，q_m为入口空气质量流量，p₁ ^*为入口实时压力，T₁ ^*为入口实时温度，p₁机箱内绝对压力，A₁为入口通道面积，k为比热比，q_ms为标况质量流量，p_s为标况绝对压力，R为气体常数。

联立得到式：

根据本发明的第二方面，提供了一种恒流量控制方法，该方法包括：接收到预设风量值；根据预设风量值控制离心风机的转速。

进一步地，根据预设风量值控制离心风机的转速包括：根据预设风量值生成第二控制指令，其中，所述第二控制指令至少包括离心风机目标转速；将第二控制指令发送给变频器；通过变频器依据第二控制指令控制离心风机转速。

根据本发明的第三方面，提供了一种恒流量控制系统，使用如上所述的恒流量控制方法，该系统包括：离心风机；传感器，用于采集压力、温度等信息；PID调节控制器，用于接收传感器发送的信息，计算并生成、发送控制指令；变频器，用于接收PID调节控制器发送的控制指令，控制离心风机的转速。

本发明提供了一种恒流量控制方法及系统，方法包括：获取到离心风机出口实时压力值，其中，离心风机出口实时压力值变化反映背压变化；根据背压变化控制离心风机流量。采用本发明提供的一种恒流量控制方法及系统，能够使离心风机能够提供恒定流量输出，有效的避免了离心风机出现的喘振或负载超限现象，并解决了现有技术中，使用恒转速调节方法调节风量，离心风机出口压力变化范围小，无法满足在系统背压变化大的工况下的使用要求的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的恒流量控制方法流程图；

图2为本发明实施例二的恒流量控制方法流程图；

图3为本发明实施例三的恒流量控制系统示意图；

图4为一种可选的离心风机恒转速性能曲线示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

31、离心风机，32、传感器，33、PID调节控制器，34、变频器。

具体实施方式

为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员来说将明显的是，不需要采用具体细节来实践本发明。在其他情况下，未详细描述众所周知的步骤或操作，以避免模糊本发明。

实施例一

本发明提供了一种恒流量控制方法，该方法可以用于空气悬浮离心鼓风机，如图1所示，该方法包括：

步骤S11，获取到离心风机入口实时压力值、离心风机入口实时温度、标况温度和离心风机机箱内绝对压力值。

具体的，在本方案中，可以由传感器获取到离心风机入口实时压力值、离心风机入口实时温度和离心风机机箱内绝对压力值，传感器再将获取到的离心风机入口实时压力值、离心风机入口实时温度和离心风机机箱内绝对压力值反馈给PID调节控制器，需要说明的是，前文所述的传感器至少包括：压力传感器、温度传感器以及绝压传感器；其中，压力传感器用来获取离心风机入口的实时压力值；温度传感器用来获取离心风机入口的温度；绝压传感器用来获取离心风机机箱内部的绝对压力。

步骤S13，通过公式：

计算得到离心风机的入口风量值。

具体的，在本方案中，由PID调节控制器计算离心风机入口风量，需要说明的是，PID调节控制器是具有PID调节程序的PLC模块，在离心风机启动之前，将编译好的PID调节程序上载到PLC模块，用于计算数据以及控制离心风机，其中，PID调节程序可根据实际需要进行编译。

其中，计算离心风机入口风量可以使用如下公式：

以上各式中，q_m——入口空气质量流量，kg/s；

K——系数，根据式(2)可以求得，对于空气K＝0.0404；

p₁ ^*——入口实时压力，p₁ ^*＝p_a，Pa；

T₁ ^*——入口实时温度，T₁ ^*＝T_a，K；

A₁——入口通道面积，m²；

q(λ)——无量纲密流，可根据式(3)求得；

k——比热比，对于空气k＝1.4；

R——气体常数，对于空气R＝287.06J/(kg·K)；

λ——速度因数，根据式(4)可以求得；

p₁——机箱内绝对压力，Pa。

联立(1)-(4)式：

入口风量(标况容积流量)计算：

以上各式中，q_ms——标况入口空气质量流量，kg/s；

p_s——标况绝对压力，101325Pa；

T_s——标况温度，288.15K；

q_vs——标况容积流量(即离心风机入口风量)，m³/s。联立(6)和(7)式：

计算得到离心风机入口风量值。

步骤S15，获取到离心风机出口实时压力值，其中，离心风机出口实时压力值变化反映背压变化；

具体的，在本方案中，可以由设置在离心风机出口的压力传感器来获取到离心风机出口的实时压力值，并将此实时压力值反馈给PID调节控制器；此实时压力值在离心风机工作过程中是不断变化的，请参考图4，需要说明的是，离心风机出口实时压力值得变化可以反映系统背压的变化情况，如背压变化大，则会影响离心风机的输出效果，离心风机输出不稳定会导致系统效率降低。

步骤S17，根据入口风量值及背压变化控制离心风机流量。

具体的，在本方案中，PID调节控制器接收到背压变化信息，生成控制指令，将此控制指令发送给变频器，变频器根据控制指令对离心风机转速进行调整，从而控制离心风机出口的流量保持在一个恒定值。

需要说明的是，根据背压变化调整离心风机的流量保持在一个恒定值，能够避免离心风机出现喘振或者负载超限现象而影响到离心风机的效率。旋转流体机械，例如空气悬浮离心鼓风机，运行边界包括喘振左边界和堵塞右边界，请参考图4，分别对应喘振流量和堵塞流量。喘振左边界是指当流量减小到一定值时，由于叶轮内部流动恶化不能正常对气体做功，导致出口压力小于管网阻力，设备和管网系统之间会引发气流振荡。堵塞右边界是指当流体机械背压或管网阻力不断下降时，设备流量和通道内的气流速度便不断增加，当流道喉部截面气流速度达到声速时，达到最大流量。由于流量很大时效率会大幅降低，运行单位不会允许设备在效率很低的大流量运行。不同旋转机械在不同转速下运行时，通常有不同的喘振流量和堵塞流量。对任何一台在一定转速下运行的离心风机，必须保证实际运行的流量范围在喘振流量和堵塞流量之间，才能使离心风机稳定运行。现有技术中的控制方法是针对特定转速设置离心风机的最大和最小流量范围。但是由于流体机械的性能特点，当进气温度不同时，相同转速下流量和压力性能曲线是不同的。因此，根据转速对设备运行边界进行控制，不能达到精准控制，会导致设备非正常停机或者不能阻止喘振发生。

本方案与现有技术相比，通过监测离心风机出口处的背压变化实时调整离心风机的转速，使离心风机出口输出风量保持恒定，有效避免了离心风机出现喘振或者负载超限现象，进而保证了离心风机稳定工作，提高了离心风机的工作效率，同时还克服了现有技术中，使用恒转速调节方法调节风量，离心风机出口压力变化范围小，无法满足在系统背压变化大的工况下的使用要求的缺陷。

可选的，步骤S17，根据入口风量值及背压变化控制离心风机流量包括：

步骤S171，根据入口风量值调整离心风机转速控制离心风机流量。

具体的，在本方案中，可以根据入口风量值，通过调整离心风机的转速来控制离心风机的流量。为了保证离心风机出口的流量保持在一个恒定值，可根据监测到的背压变化来不断调整离心风机转速，使离心风机输出稳定在一个恒定值，该恒定值也可以是根据实际情况预先设定的。

需要说明的是，可以由传感器获取到离心风机入口实时压力值、离心风机入口实时温度和离心风机机箱内绝对压力值，传感器再将获取到的离心风机入口实时压力值、离心风机入口实时温度和离心风机机箱内绝对压力值反馈给PID调节控制器，其中，前文所述的传感器至少包括：压力传感器、温度传感器以及绝压传感器；其中，压力传感器用来获取离心风机入口的实时压力值；温度传感器用来获取离心风机入口的温度；绝压传感器用来获取离心风机机箱内部的绝对压力。

PID调节控制器计算得到入口风量值之后，根据离心风机恒转速下的性能曲线，匹配到理论出口风压值，再通过PID调节程序生成目标离心风机转速，再将目标离心风机转速发送给变频器，由变频器控制离心风机以目标转速运行；其中，为了保持出口风量不变，通过调整离心风机转速的方法使实际出口风压增大或减小。

需要说明的是，PID调节控制器在不控制离心风机转速的情况下，也就是说，在恒转速的情况下，其入口风量与出口风压的关系可通过该空气悬浮离心鼓离心风机性能曲线体现，不同的离心风机对应不同的性能曲线。根据此性能曲线，在某一时间段内，如果要保持入口风量不变，就需要改变离心风机转速，使出口风压能够满足该恒风量的要求。

可选的，步骤S171，根据入口风量值调整离心风机转速控制离心风机流量包括：

步骤S1711，根据入口风量值生成第一控制指令；

具体的，在本方案中，PID调节控制器可以根据PID调节程序计算得到的入口风量值生成第一控制指令，其中，第一控制指令至少包括目标转速。

步骤S1713，将第一控制指令发送给变频器；

具体的，在本方案中，PID调节控制器将生成的第一控制指令发送给变频器。

步骤S1715，通过变频器依据第一控制指令控制离心风机转速。

具体的，在本方案中，变频器接收到PID调节控制器发送的包括离心风机目标转速的第一控制指令之后，控制离心风机以该目标转速运行。

可选的，在步骤S17，根据入口风量值及背压变化控制离心风机流量之前包括：

步骤S16，判断背压变化是否在预设范围内。

具体的，在本方案中，PID调节控制器在接收到传感器反馈的多个离心风机出口实时压力值后，计算得到离心风机出口压力变化绝对值，该压力变化绝对值反映系统背压变化绝对值，将背压变化绝对值与预设的允许背压范围进行比较，判断背压变化是否在预设范围内。

可选的，步骤S16，判断背压变化是否在预设范围内包括：

步骤S161，接收到预设背压范围以及预设时间段；

具体的，在本方案中，PID调节控制器接收到上载的PID调节程序中预设的背压范围和预设时间段。

步骤S163，根据获取到的离心风机出口实时压力值计算在预设时间段内背压变化绝对值；

具体的，在本方案中，PID调节控制器实时获取由传感器反馈的离心风机出口处的实时压力值，并提取在预设时间段内离心风机出口处的实时最大压力值与最小压力值，用实时最大压力值与最小压力值之差的绝对值作为在预设时间段内背压变化绝对值。

步骤S165，判断背压变化绝对值是否在预设背压范围内。

具体的，在本方案中，PID调节控制器将计算得到的背压变化绝对值与预设的背压范围相比较，当背压变化绝对值在预设的背压范围以内，则判断结果为：在预设背压范围内；当背压变化绝对值在预设的背压范围以外，则判断结果为：在预设背压范围外。需要说明的是，预设背压范围可以是具有最大值和最小值的区间范围，也可以是一个数值。当预设背压范围是一个数值时，前文所述预设背压范围称为预设值；背压变化绝对值小于或等于此预设值，判断结果为：在预设背压范围内；当背压变化绝对值大于此预设值，判断结果为：在预设背压范围外。

可选的，步骤S165，判断背压变化绝对值是否在预设背压范围内包括：

步骤S1651，背压变化绝对值在预设范围内，不控制离心风机流量；

具体的，在本方案中，当PID调节控制器计算得到的背压变化绝对值在预设的背压范围以内，或小于等于预设值，此时PID调节控制器判断背压变化不大，不需要对离心风机转速进行调整，此时不对变频器发送任何指令。

步骤S1653，背压变化绝对值在预设范围外，控制离心风机流量。

具体的，在本方案中，当PID调节控制器计算得到的背压变化绝对值在预设的背压范围以外，或大于预设值，此时PID调节控制器判断背压变化大，需要对离心风机转速进行调整，此时，PID调节控制器根据PID调节程序生成控制指令，并发送到变频器，通过变频器调整离心风机转速，进而控制离心风机的风量。

可选的，离心风机的入口风量值通过以下公式得到：

其中，q_m为入口空气质量流量；p₁ ^*为入口实时压力；T₁ ^*为入口实时温度；p₁机箱内绝对压力；A₁为入口通道面积；k为比热比；q_ms为标况质量流量；p_s为标况绝对压力；R为气体常数，对于空气R＝287.06；K为系数，对于空气K＝0.0404；q(λ)为无量纲密流；λ为速度因数。

联立得到式：

实施例二

可选的，本发明还提供了一种恒流量控制方法，如图2所示，该方法包括：

步骤S21，接收到预设风量值；

具体的，在本方案中，PID调节控制器根据上载的PID调节程序获取到预设风量值，需要说明的是，该预设风量值可以在PID调节程序中实时设定，也可以在PID调节程序上载到PID调节控制器之前预先编译到PID调节程序中。

步骤S23，根据预设风量值控制离心风机的转速。

预设风量值是用户设定好的离心风机出口风量值，目的是使空气悬浮离心鼓离心风机以某一恒定的风量输出，避免出现喘振和负载超限现象。

具体的，在本方案中，PID调节控制器根据获取到的预设风量值生成控制指令，将此控制指令发送到变频器，由变频器调整离心风机的转速以匹配预设风量值。需要说明的是，预设风量值可根据需要随时进行更改，PID调节控制器会根据更改后的预设风量值生成控制指令控制离心风机的转速。

可选的，步骤S23，根据预设风量值控制离心风机的转速包括：

步骤S231，根据预设风量值生成第二控制指令；

具体的，在本方案中，PID调节控制器根据获取到的预设风量值生成第二控制指令，其中，第二控制指令至少包括目标转速。

步骤S233，将第二控制指令发送给变频器；

具体的，在本方案中，PID调节控制器将生成的第二控制指令发送给变频器

步骤S235，通过变频器依据第二控制指令控制离心风机转速。

具体的，在本方案中，变频器接收到PID调节控制器发送的包括离心风机目标转速的第二控制指令之后，控制离心风机以该目标转速运行。

本方案与现有技术相比，可以直接设定某一个恒定的离心风机出口风量，使离心风机恒流量输出，有效避免了离心风机出现喘振或者负载超限现象，进而保证了离心风机稳定工作，提高了离心风机的工作效率。

实施例三

可选的，本发明还提供了一种恒流量控制系统，使用如上所述的恒流量控制方法，如图3所示，包括：

离心风机31；

传感器32，用于采集压力、温度等信息；

PID调节控制器33，用于接收传感器32发送的信息，计算并生成、发送控制指令；

变频器34，接收PID调节控制器33发送的控制指令，控制离心风机31的转速。

本方案与现有技术相比，PID调节控制器接收由传感器反馈的离心风机压力、温度等信息，计算并生成控制指令，控制离心风机的转速，使离心风机的输出风量稳定在某一恒定值，有效避免了离心风机出现喘振或者负载超限现象，进而保证了离心风机稳定工作，提高了离心风机的工作效率，同时还克服了现有技术中，使用恒转速调节方法调节风量，离心风机出口压力变化范围小，无法满足在系统背压变化大的工况下的使用要求的缺陷。

应理解，在本发明的实施例中，提供了一种计算机设备，其包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可由处理器执行的计算机指令，所述计算机指令在由所述处理器执行时指示所述处理器执行本发明的方法的各步骤。该计算机设备可以广义地为服务器、终端，或任何其他具有必要的计算和/或处理能力的电子设备。在一个实施例中，该计算机设备可包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、通信接口等。该计算机设备的处理器可用于提供必要的计算、处理和/或控制能力。该计算机设备的存储器可包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质中或上可存储有操作系统、计算机程序等。该内存储器可为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口和通信接口可用于与外部的设备通过网络连接和通信。该计算机程序被处理器执行时执行本发明的用于电池充电的方法的步骤。

本发明可以实现为一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时导致本发明的方法的步骤被执行。在一个实施例中，所述计算机程序被分布在网络耦合的多个计算机设备或处理器上，以使得所述计算机程序由一个或多个计算机设备或处理器以分布式方式存储、访问和执行。单个方法步骤/操作，或者两个或更多个方法步骤/操作，可以由单个计算机设备或处理器或由两个或更多个计算机设备或处理器执行。一个或多个方法步骤/操作可以由一个或多个计算机设备或处理器执行，并且一个或多个其他方法步骤/操作可以由一个或多个其他计算机设备或处理器执行。一个或多个计算机设备或处理器可以执行单个方法步骤/操作，或执行两个或更多个方法步骤/操作。

本领域普通技术人员可以理解，本发明的方法步骤可以通过计算机程序来指示相关的硬件如计算机设备或处理器完成，所述的计算机程序可存储于非暂时性计算机可读存储介质中，该计算机程序被执行时导致本发明的步骤被执行。根据情况，本文中对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器的示例包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘等。易失性存储器的示例包括随机存取存储器(RAM)、外部高速缓冲存储器等。

以上描述的各技术特征可以任意地组合。尽管未对这些技术特征的所有可能组合进行描述，但这些技术特征的任何组合都应当被认为由本说明书涵盖，只要这样的组合不存在矛盾。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种恒流量控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取到离心风机入口实时压力、离心风机入口实时温度、标况温度和离心风机机箱内绝对压力值；

通过公式：

计算得到所述离心风机的入口风量值，其中，

q_vs为标况容积流量，即离心机风机的入口风量，q_m为入口空气质量流量，T_s为常温下标况温度，T₁ ^*为入口实时温度，p₁ ^*为入口实时压力；

获取到离心风机出口实时压力值，其中，所述离心风机出口实时压力值变化反映背压变化；

判断所述背压变化是否在预设范围内；其中，所述判断所述背压变化是否在预设范围内包括：接收到预设背压范围以及预设时间段；根据获取到的所述离心风机出口实时压力值计算在预设时间段内背压变化绝对值；判断背压变化绝对值是否在预设背压范围内；

根据所述入口风量值及所述背压变化控制所述离心风机流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述入口风量值及所述背压变化控制所述离心风机流量包括：

根据所述入口风量值调整所述离心风机转速控制所述离心风机流量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述入口风量值调整所述离心风机转速包括：

根据所述入口风量值生成第一控制指令，其中，所述第一控制指令至少包括离心风机目标转速；

将所述第一控制指令发送给变频器；

通过所述变频器依据所述第一控制指令控制所述离心风机转速。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断背压变化绝对值是否在预设背压范围内包括：

所述背压变化绝对值在预设范围内，不控制所述离心风机流量；

所述背压变化绝对值在预设范围外，控制所述离心风机流量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离心风机的入口风量值通过以下公式得到：

其中，q_m为入口空气质量流量，p₁ ^*为入口实时压力，T₁ ^*为入口实时温度，p₁机箱内绝对压力，A₁为入口通道面积，k为比热比，q_ms为标况质量流量，p_s为标况绝对压力，R为气体常数；

联立得到式：

6.一种恒流量控制系统，使用如权利要求1-5中任一项所述的恒流量控制方法，其特征在于，包括：

离心风机；

传感器，用于采集压力、温度信息；

PID调节控制器，用于接收传感器发送的信息，计算并生成、发送控制指令；

变频器，接收PID调节控制器发送的控制指令，控制所述离心风机的转速。

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