CN113806329B - 基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于涡旋机轴向力平衡控制技术领域，具体涉及基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法。包括以下步骤：S1，构建涡旋机“排气压力‑上升段平均累积误差‑滞后角”数据库；S2，构建涡旋机“跟踪频率‑单提前量”数据库；S3，构建涡旋机“跟踪频率‑双提前量”数据库。本发明在离线提前量数据库构建阶段，能够较大幅度缩减寻优计算量，并在双提前量跟踪方案上效果更加明显。

Description

基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法

技术领域

本发明属于涡旋机轴向力平衡控制技术领域，具体涉及基于快速搜索方法 的提前量离线数据库构建方法。

背景技术

涡旋压缩机作为一种近直驱的旋转形容积式压缩机，具有压力稳定，效率 高，振动小，噪声低，零部件少等优点,但是涡旋压缩机动、静涡盘之间的内 部压缩腔在工作时，受到轴向气体分离力的作用，该气体力会使动、静涡盘具 有分离趋势，且该气体分离力随着转动角度、排气口压力的不同而不同。

涡旋压缩机在吸气排气过程中，各个压缩腔内气体会对动静涡盘产生一个 推力，使动静涡盘分离，这个推力之和，就是气体分离力。气体分离力过大， 会使动静涡盘分离，增加轴向间隙，造成气体径向泄露。

目前，针对改善涡旋压缩机轴向力平衡方法，有采用弹簧背压式、推力轴 承式、气体背压式、背压腔注入润滑油、轴向随变机构,在静涡旋盘的背面设 置密封组件形成背压腔等。但是轴向气体分离力随主轴转角变化呈现大幅度变 化，这些方案动态响应慢，难以满足对改善气体泄漏的高精度高动态性能要求。

而针对动态响应慢，难以满足对改善气体泄漏的高精度高动态性能要求的 问题，目前采用电磁力来平衡涡旋机气体分离力，具有结构简单且动态响应快 的优点。

然而，采用涡旋机轴向力电磁平衡控制方法同样还存在以下问题：

在离线阶段针对不同频率或者转速需要提前建立提前跟踪量的数据库，然 而在采用常规方法建立离线阶段数据库的过程中，存在计算量较大，耗费计算 资源和时间相对较长，快速性较差的问题。

因此，设计一种能够大幅度减少运算量的提前量离线数据库构建方法，就 显得十分必要。

例如，申请号为CN201911241902.3的中国发明专利所述的涡旋机及其轴 向背压动态控制方法、存储介质，所述方法包括如下步骤：在涡旋机稳定运行 状态下，采用迭代法确定使力评价指标总体最优的提前步数；设置转速增量， 获取不同转速对应的最优提前步数，生成“转速-提前步数”曲线；检测当前 时刻的排气压力及转角值，结合“轴向气体分离力-转角-排气压力”曲线，获 取当前时刻的轴向气体分离力；根据当前转角值确定当前转速，结合“转速- 提前步数”曲线，确定提前步数N0；结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N0的PID超前控制。虽然可精确控制动涡盘的外部背压， 从而平衡其内部气体分离力，但是其缺点在于，在建立离线阶段数据库的过程 中，由于计算量较大，导致耗费计算资源和时间相对较长，快速性较差。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，目前的轴向电磁动态密封控制方法在离线 阶段针对不同频率或者转速需要提前建立提前跟踪量的数据库，然而在采用常 规方法建立离线阶段数据库的过程中，存在计算量较大，耗费计算资源和时间 相对较长，快速性较差的问题，提供了一种能够大幅度减少运算量的基于快速 搜索方法的提前量离线数据库构建方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，包括以下步骤：

S1，构建涡旋机“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库；

S2，构建涡旋机“跟踪频率-单提前量”数据库。

作为优选，基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，还包括如下 步骤：

S3，构建涡旋机“跟踪频率-双提前量”数据库。

作为优选，步骤S1包括如下步骤：

S11，选定第一个排气压力对应的分离力曲线；

S12，设定滞后角＝1°；

S13，计算分离力曲线上升段平均累积误差和滞后角并进行保存；

S14，对滞后角加1°处理；

S15，判断滞后角是否大于359°，若否，则返回步骤S13；若是，则继续 判断所有排气压力曲线是否计算完毕；

S16，若所有排气压力曲线没有计算完毕，则选定下一个排气压力对应的 分离力曲线并返回步骤S12,；若所有排气压力曲线已经计算完毕，则“排气 压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库构建结束。

作为优选，步骤S2包括如下步骤：

S21，初始化跟踪频率，使跟踪频率F＝1Hz，同时设定排气口压力；

S22，计算分离力曲线上升段平均累积误差；

S23，查询“排气口压力-上升段累积误差-滞后角”数据库，得到滞后角；

S24，判断滞后角数量是否大于1，若否，则直接将滞后角保存到“跟踪 频率-单提前量”数据库；若是，则分别提前跟踪各个滞后角并计算误差方差；

S25，对误差方差排序选出最小误差方差的滞后角；

S26，将选出最小误差方差的滞后角保存到“跟踪频率-单提前量”数据库；

S27，将跟踪频率加1Hz；

S28，判断跟踪频率是否大于设定的最高频率，若否，则返回步骤S22； 若是，则数据库构建结束。

作为优选，步骤S21中所述排气口压力指随机选择一条排气口压力下轴向 力曲线，用单提前参数PID跟踪。

作为优选，步骤S3包括如下步骤：

S31，初始化跟踪频率，使跟踪频率＝1Hz；

S32，查询“跟踪频率-单提前量”数据库得到单提前量；

S33，设定上升段提前量＝单提前量+1步，下降段提前量＝单提前量；

S34，判断是否满足上升段平均累积误差＜0且下降段平均累积误差＜0 的条件，若是，则直接将上升段提前量和下降段提前量保存到“跟踪频率-双 提前量”数据库，并使跟踪频率加1Hz；若否，则使上升段提前量＝单提前量， 下降段提前量＝单提前量-1步，再将上升段提前量和下降段提前量保存到“跟 踪频率-双提前量”数据库，并使跟踪频率加1Hz；

S35，判断跟踪频率是否大于设定的最高频率，若否，则返回步骤S32； 若是，则数据库构建结束。

作为优选，所述设定的最高频率均为300Hz。

本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明在研究目标曲线和跟踪曲线 累积误差特征规律基础上，提出了一种改进的较为快速的离线数据库构建方 法，可在离线提前量数据库构建阶段，较大幅度缩减寻优计算量，在双提前量 跟踪方案上效果更加明显。

附图说明

图1为本发明基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法的一种流 程图；

图2为涡旋压缩机“排气口压力-轴向气体分离力-主轴转角”的一种关系 曲线图；

图3为涡旋压缩机在8bara排气口压力下，不同滞后角的一种平衡情况示 意图；

图4为常规PID跟踪采集方法下，上升段累积误差和滞后角的一种关系曲 线图；

图5为本发明中涡旋机“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库 构建的一种流程图；

图6为本发明中根据“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库 内的数据绘制成的一种关系曲线图；

图7为本发明中上升段平均累积误差相同的直线与上升段平均累积误差 关于滞后角曲线的一种交点示意图；

图8为本发明中“跟踪频率-单提前量”数据库构建的一种流程图；

图9为本发明中“跟踪频率-双提前量”数据库构建的一种流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施 方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1所示的基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，包括以下 步骤：

S1，构建涡旋机“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库；

S2，构建涡旋机“跟踪频率-单提前量”数据库；

S3，构建涡旋机“跟踪频率-双提前量”数据库。

其中，如用于“单提前量PID跟踪控制”，只要前两步骤就可以完成数据 库构建；如用于“双提前量PID跟踪控制”，则需要包括图1所示的三个步骤。

如图2所示，为以某代表型涡旋机的排气压力为示例，其不同排气口压力 下，“排气口压力-轴向气体分离力-主轴转角”的一种关系曲线图，从图2可 知，不同排气口压力下轴向力曲线都是上升段和下降段首位相接的锯齿形曲 线。若采用常规PID跟踪其中某一排气压力下的分离力曲线，对其实现反向动 态平衡，不同转速(或者频率)时，会有不同的滞后，不同滞后角情况如图3 所示。

由图3中的(a-b)可看出，随着滞后角不断增加，上升段平均累积误差 不断增大；由图3中的(b-c-d-e-f-g)可看出，随着滞后角继续不断增加， 在上升段转角范围内，电磁力曲线下降段比例逐渐增大，由于电磁力曲线下降 段大于目标曲线上升段，负值累积误差占比也随之增大，上升段平均累积误差 由正值不断减少到为负值；由图3中的(g-h)可看出，随着滞后角继续不断 增加，在上升段转角范围内，电磁力曲线下降段比例逐渐减小，上升段平均累 积误差由负值开始增大趋向0。上述的“升段平均累积误差-滞后角”的关系，可由图4所示。

上述规律为跟踪上升段和下降段首位相接的锯齿形目标曲线产生的“上升 段平均累积误差-滞后角关系”通用规律，由于图2所有不同排气口压力下， “轴向分离力-主轴转角”关系曲线都是锯齿形曲线，因此图2所有轴向气体 分离力曲线都满足上述规律。

因此，步骤S1，构建涡旋机“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角” 数据库的具体过程如图5所示。

具体的，步骤S1包括如下步骤：

S11，选定第一个排气压力对应的分离力曲线；

S12，设定滞后角＝1°；

S13，计算分离力曲线上升段平均累积误差和滞后角并进行保存；

S14，对滞后角加1°处理；

S15，判断滞后角是否大于359°，若否，则返回步骤S13；若是，则继续 判断所有排气压力曲线是否计算完毕；

S16，若所有排气压力曲线没有计算完毕，则选定下一个排气压力对应的 分离力曲线并返回步骤S12,；若所有排气压力曲线已经计算完毕，则“排气 压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库构建结束。

根据图5所示流程图，计算得到“排气压力-上升段平均累积误差-滞后 角”数据库内的数据并绘制成曲线，具体如图6所示。

进一步的，针对同一跟踪频率时，最优单提前量和最优双提前量是非常接 近的，由于已有“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库，因此可利 用上升段平均累积误差和单提前量关系先建立“跟踪频率-单提前量”数据库， 再在此基础上检索最优双提前量，建立“跟踪频率-双提前量”数据库。

由于铁芯磁滞和嵌入式离散系统运算影响，会产生滞后角。在所有不同排 气口压力下，气体分离力曲线都是360度转角一个周期。根据磁滞后特性，滞 后角主要跟频率相关，与幅度关联不是特别敏感，同一跟踪频率时，跟踪不同 排气口压力下的气体分离力曲线的滞后角是较为接近的。综合来说，同一跟踪 频率时，不同排气口压力下的气体分离力曲线的滞后角是较为接近的。因此以 不同排气口压力曲线建立的“跟踪频率-单提前量”数据库几乎是一样的，只 需选取一条轴向力曲线，建立“跟踪频率-单提前量”数据库即可。

上升段平均累积误差相同的直线与上升段平均累积误差关于滞后角曲线 交点如下图7所示。

从图7可以看出，如果上升段平均累积误差不等于0，直线和曲线的顶部 和底部交点各对应一个滞后角，其余位置同一上升段平均累积误差对应两个滞 后角(由于周期性，误差为零时的第一个点0度和最后第三个点360度是同一 个滞后角，因此上升段平均累积误差等于零时，实际也对应两个滞后角)。

对于不同排气口压力曲线，都是符合上述规律的。因此可随机选一条轴向 力曲线，用单提前参数PID跟踪该曲线，检测上升段平均累积误差，查询“排 气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库，得到1个或者2个滞后角，通 过比较误差方差选出最佳滞后角作为当前跟踪频率下最优单提前量。而最优双 提前量和最优单提前量是较为接近的，建立好“跟踪频率-单提前量”数据库 后，可花费较少计算量在最优单提前量附近寻找最优双提前量。

以最高频率为300Hz为上限为例，建立“跟踪频率-单提前量”数据库的 流程图如图8所示。

如图8所示，步骤S2包括如下步骤：

S21，初始化跟踪频率，使跟踪频率F＝1Hz，同时设定排气口压力；

S22，计算分离力曲线上升段平均累积误差；

S23，查询“排气口压力-上升段累积误差-滞后角”数据库，得到滞后角；

S24，判断滞后角数量是否大于1，若否，则直接将滞后角保存到“跟踪 频率-单提前量”数据库；若是，则分别提前跟踪各个滞后角并计算误差方差；

S25，对误差方差排序选出最小误差方差的滞后角；

S26，将选出最小误差方差的滞后角保存到“跟踪频率-单提前量”数据库；

S27，将跟踪频率加1Hz；

S28，判断跟踪频率是否大于设定的最高频率，若否，则返回步骤S22； 若是，则数据库构建结束。

其中，步骤S21中所述排气口压力指随机选择一条排气口压力下轴向力曲 线，用单提前参数PID跟踪，可根据实际编程便利进行选择。

因最优双提前量和最优单提前量是较为接近的，建立好“跟踪频率-单提 前量”数据库后，可花费较少计算量在最优单提前量附近寻找最优双提前量。 步骤S3的任务是在单提前量优选的基础上确定是：上升段提前量＝“单提前量 +1”，下降段提前量不变；还是上升段提前量不变，下降段提前量＝“单提前量 -1”。

“跟踪频率-双提前量”数据库构建流程图，如图9所示：

具体的，步骤S3包括如下步骤：

S31，初始化跟踪频率，使跟踪频率＝1Hz；

S32，查询“跟踪频率-单提前量”数据库得到单提前量；

S33，设定上升段提前量＝单提前量+1步，下降段提前量＝单提前量；

S34，判断是否满足上升段平均累积误差＜0且下降段平均累积误差＜0 的条件，若是，则直接将上升段提前量和下降段提前量保存到“跟踪频率-双 提前量”数据库，并使跟踪频率加1Hz；若否，则使上升段提前量＝单提前量， 下降段提前量＝单提前量-1步，再将上升段提前量和下降段提前量保存到“跟 踪频率-双提前量”数据库，并使跟踪频率加1Hz；

S35，判断跟踪频率是否大于设定的最高频率，若否，则返回步骤S32； 若是，则数据库构建结束。

采用本发明基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法与现有技术 的工作量对比如下：

1.误差方差计算个数为52500，上升段平均累积误差计算个数为2520，改 进后个数占优。

2.误差方差计算的转角范围为[0°,360°]，假设跟踪8bara排气口压力 轴向力曲线，由图2可得，上升段转角范围为[120°，324°]，上升段转角范 围在所有曲线里算适中，取8bara是较为合理的，改进后需要计算的转角范围 占优。

3.误差方差需要对误差求平方，再求和，累积误差直接对误差求和，改进 后指标运算量占优。

4.图5流程图运算量也远远优于300次对误差方差排序得到最优提前量。

综合来说，改进的快速建立数据库方法可以大幅度提升现有技术建立“跟 踪频率-单提前量”数据库的建立速度。

如果建立双提前量离线数据库使用改进的快速建立数据库方法，对于运算 量的分析如下：假设跟踪频率范围为[1Hz，300Hz]，提前量检测范围为[1°， 359°]，一步对应1°，图4上升段平均累积误差检测次数为300×359次， 即107700次。

而改进算法在构建“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库中检 测上升段平均累积误差次数为7×359次，即2513次。在图6构建“跟踪频率 -单提前量”数据库需计算300次上升段平均累积误差，在图7构建“跟踪频 率-双提前量”数据库也需计算300次上升段平均累积误差。

改进后上升段平均累积误差的运算量减少了97.11％。

计算上升段平均累积误差部分是最主要运算量，其余部分运算量与之对比 可以忽略不计。

本发明分析了涡旋机“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”的特性规 律，基于此提出了“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库构建方法。

本发明根据“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库，基于累积 误差和方差协同判断，提出了新的涡旋机轴向力曲线“跟踪频率-单提前量” 数据库构建方法。

本发明针对双提前量跟踪控制，提出在“跟踪频率-单提前量”数据库基 础上，通过正负1步差寻优比较，以较少运算量，构建“跟踪频率-双提前量” 数据库的方法。

本发明在研究目标曲线和跟踪曲线累积误差特征规律基础上，提出了一种 改进的较为快速的离线数据库构建方法，可在离线提前量数据库构建阶段，较 大幅度缩减寻优计算量，在双提前量跟踪方案上效果更加明显。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的 普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处， 而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，构建涡旋机“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库；

S2，构建涡旋机“跟踪频率-单提前量”数据库；

步骤S1包括如下步骤：

S11，选定第一个排气压力对应的分离力曲线；

S12，设定滞后角=1°；

S13，计算分离力曲线上升段平均累积误差和滞后角并进行保存；

S14，对滞后角加1°处理；

S15，判断滞后角是否大于359°，若否，则返回步骤S13；若是，则继续判断所有排气压力曲线是否计算完毕；

S16，若所有排气压力曲线没有计算完毕，则选定下一个排气压力对应的分离力曲线并返回步骤S12,；若所有排气压力曲线已经计算完毕，则“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库构建结束；

步骤S2包括如下步骤：

S21，初始化跟踪频率，使跟踪频率F=1Hz，同时设定排气口压力；

S22，计算分离力曲线上升段平均累积误差；

S23，查询“排气压力-上升段平均累积误差-滞后角”数据库，得到滞后角；

S24，判断滞后角数量是否大于1，若否，则直接将滞后角保存到“跟踪频率-单提前量”数据库；若是，则分别提前跟踪各个滞后角并计算误差方差；

S25，对误差方差排序选出最小误差方差的滞后角；

S26，将选出最小误差方差的滞后角保存到“跟踪频率-单提前量”数据库；

S27，将跟踪频率加1Hz；

S28，判断跟踪频率是否大于设定的最高频率，若否，则返回步骤S22；若是，则数据库构建结束。

2.根据权利要求1所述的基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S3，构建涡旋机“跟踪频率-双提前量”数据库。

3.根据权利要求1所述的基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，其特征在于，步骤S21中所述排气口压力指随机选择一条排气口压力下轴向力曲线，用单提前参数PID跟踪。

4.根据权利要求2所述的基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：

S31，初始化跟踪频率，使跟踪频率=1Hz；

S32，查询“跟踪频率-单提前量”数据库得到单提前量；

S33，设定上升段提前量=单提前量+1步，下降段提前量=单提前量；

S34，判断是否满足上升段平均累积误差＜0且下降段平均累积误差＜0的条件，若是，则直接将上升段提前量和下降段提前量保存到“跟踪频率-双提前量”数据库，并使跟踪频率加1Hz；若否，则使上升段提前量=单提前量，下降段提前量=单提前量-1步，再将上升段提前量和下降段提前量保存到“跟踪频率-双提前量”数据库，并使跟踪频率加1Hz；

S35，判断跟踪频率是否大于设定的最高频率，若否，则返回步骤S32；若是，则数据库构建结束。

5.根据权利要求1或4所述的基于快速搜索方法的提前量离线数据库构建方法，其特征在于，所述设定的最高频率均为300Hz。