CN114622984A - 一种发动机增压器喘振预测与控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发动机增压器喘振预测与控制方法及系统，涉及发动机控制领域，包括：获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。针对目前喘振被动控制策略限制增压器工作范围和性能且容易发生误判的问题，对喘振进行感知和预测，减少误判，利用节流阀控制管路流量，主动控制脱离喘振区。

Description

一种发动机增压器喘振预测与控制方法及系统

技术领域

本发明涉及发动机控制领域，具体涉及一种发动机增压器喘振预测与控制方法及系统。

背景技术

当发动机在非稳定工况运行时，增压器及管路中会周期性的气体振荡，所引起的喘振是指气流沿增压器轴线方向发生低频率、高振幅的振荡现象，喘振的根源是增压器的气动参数和几何参数不协调，导致旋转脱离。增压器难以稳定工作，空气流量和压力出现较大波动，引发机组的强烈振动。根据喘振原理可对增压器进行喘振预测和控制，抑制喘振的发生。

当前使用喘振被动控制策略，利用增压器喘振线保证增压器控制流量偏离喘振流量，使增压器工况远离喘振线对应的喘振边界，从而保证增压器于稳定工况区域运行，然而该方法大幅限缩了增压器的运行区间，限制了增压器的工作范围和性能，同时也约束了发动机的运行范围和性能；另外，目前喘振状态直接基于增压器前后压比进行判断，在复杂工况时存在误判风险，且在判断出喘振后直接将节流阀切为零，使得发动机停机来解决喘振，而无法实现喘振预测和感知，并未对喘振进行主动控制，破坏了发动机的运行连续性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种发动机增压器喘振预测与控制方法及系统，获取增压器后压力数据进行处理，对喘振进行感知和预测，利用节流阀控制管路流量，主动控制脱离喘振区，实现了喘振的预控制，并能够基于喘振状态下的主动干预，实现脱离喘振状态并自恢复正常工况。

本发明的第一目的是提供一种发动机增压器喘振预测与控制方法，采用以下方案：

包括：

获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；

当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；

当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；

若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。

进一步地，依据发动机转速、管路容积计算基础喘振频率，并确定第一阈值和第二阈值。

进一步地，按照设定频率采集增压器后压力，将采集的样本转变为频域信号，并获取主频信号。

进一步地，将采集的样本进行傅里叶变化转变为频域信号，当主频信号赋值大于等于第一阈值时认为有喘振风险，判定为预喘振状态。

进一步地，基于进气量和增压器前后压比计算主动控制的节流阀开度，以在切换为主动控制的节流阀开度后降低主频信号赋值。

进一步地，调整节流阀开度后，继续获取主频信号并赋值与第一阈值比较，增压器后压力恢复正常后，节流阀开度恢复至正常控制开度。

进一步地，若预喘振状态通过调整节流阀开度控制失效，则主频信号赋值进一步增大，当主频信号赋值超过第二阈值后判定发生喘振。

进一步地，在恢复节流阀开度时，逐渐调节节流阀至正常开度。

进一步地在判定为预喘振状态或喘振状态后，调整节流阀开度小于节流阀正常开度。

本发明的第二目的是提供一种发动机增压器喘振预测与控制系统，包括：

采集模块，被配置为：获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；

预测控制模块，被配置为：当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；

判断控制模块，被配置为：当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；

节流阀调整模块，被配置为；若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前喘振被动控制策略限制增压器工作范围和性能且容易发生误判的问题，获取增压器后压力数据进行处理，对喘振进行感知和预测，减少误判，利用节流阀控制管路流量，主动控制脱离喘振区，实现了喘振的预控制，并能够基于喘振状态下的主动干预，实现脱离喘振状态并自恢复正常工况。

(2)依据喘振原理对增压器进行喘振预测和控制，抑制喘振的发生，现有策略使用被动控制，根据喘振线控制进气流量偏离喘振区，但该方法限制了增压器的工作范围和性能；通过对数据采集进行处理，使用喘振主动控制方法，根据增压器后压力变化提前感知喘振，主动控制管路流量提前脱离喘振区，实现了喘振的预控制，降低了增压器进入喘振状态的概率和风险。

(3)依据喘振的压力表现判断喘振状态，从而更为准确的判断喘振状态，在发生喘振时根据实际喘振情况进行主动干预，若能够主动脱离喘振区可以避免停机，实现喘振的自治愈。

(4)采集增压器后压力利用傅里叶变化将其转化为频域信号，利用周期和频率提前感知喘振，实现喘振的预控制；用相似的方法判断喘振状态，当真实发生喘振时尝试用管路控制脱离喘振，减少因喘振导致的停机风险，合理保障发动机的运行连续性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施例中增压器喘振预测与控制方法的流程示意图。

具体实施方式

术语解释：

喘振：增压系统中出现的周期性低频气路振荡现象称为“喘振”。

喘振线：根据增压器自身压力流量特性曲线确定一条喘振边界线，称为“喘振线”。

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1所示，给出一种发动机增压器喘振预测与控制方法。

如图1所示的发动机增压器喘振预测与控制方法，用于对发动机的增压器进行喘振预测和主动控制，抑制喘振的发生；获取增压器后压力数据进行处理，一方面对喘振进行感知和预测，利用节流阀控制管路流量，主动控制脱离喘振区，实现了喘振的预控制；另一方面能够基于喘振状态下的主动干预，实现脱离喘振状态并自恢复正常工况。

结合图1，上述的发动机增压器喘振预测与控制方法包括以下步骤：

获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；

当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；

当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；

若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。

相较于传统喘振被动控制策略，直接基于增压器前后压比进行判断，在判断出喘振后直接将节流阀切为零；本实施例中对喘振进行感知和预测，并利用节流阀控制管路流量，达到主动脱离喘振区，减少停机风险。

具体的，发动机喘振频率与发动机转速n、管路容积V有关，首先根据转速、管路容积确定可能的基础喘振频率。在本实施例中，确定基础喘振频率后，确定第一阈值和第二阈值。

其中，基础喘振频率通过实验获取，通常发动机转速越高、管路容积越小对应的喘振频率越高。

以此为依据按一定频率采集增压器后压力P，将采集的压力样本进行傅里叶变化转变为频域信号，获取主频信号赋值A。

以第一阈值作为限值A0，以第二阈值作为限制A1，且A1＞A0。

当A＜A0时，判定未进入喘振状态，增压器处于正常工况，且不存在喘振风险，当A≥A0后，判定存在喘振风险或已经进入喘振，并将其分为两个相互关联的控制过程。

对于喘振预测主动控制过程，当主频信号赋值超过限值A0后认为有喘振风险，判定为预喘振状态，此时将对应预喘振状态S0置1。

可以理解的是，采集增压器后压力P时，采集频率由进气流速和管路直径决定，可根据发动机转速和负荷查得，采集频率正比于发动机转速和负荷。

循环采集10s内的压力样本，使用快速傅里叶变换将其转化为频域信号，提取周期出现的频域幅值，以最大频域幅值作为主频信号。其中限定值A0由台架实验根据正常数据和喘振数据对比选定。

根据进气量Q和增压器前后压比ε查得喘振主动控制的节流阀开度R，节流阀在此开度下能够降低主频信号赋值，从而使主频信号赋值形成逐渐降低至限定值A0以下的趋势。

进气量Q和增压器前后压比ε查得喘振主动控制的节流阀开度R，此查取开度R过程是可标定的，一般进气量和压比越大越大对节流阀的开度控制幅度越大，实际使用数据根据实验标定而来。

当预喘振状态S0置1时将原节流阀开度r切换为喘振控制开度R，且R<r；基于进气量和增压器前后压比计算主动控制的节流阀开度，以在切换为主动控制的节流阀开度后降低主频信号赋值。

如图1所示，调整节流阀开度后，继续获取主频信号并赋值与第一阈值比较，增压器后压力恢复正常后，节流阀开度恢复至正常控制开度；具体为，当新的主频信号赋值A恢复正常后，即A＜A0后，预喘振状态S0置0，节流阀开度r恢复到正常控制开度。

通过对数据采集进行处理，使用喘振主动控制方法，根据增压器后压力变化提前感知喘振，主动控制管路流量提前脱离喘振区，实现了喘振的预控制，降低了增压器进入喘振状态的概率和风险。

若预喘振状态通过调整节流阀开度控制失效，则主频信号赋值进一步增大，当主频信号赋值超过第二阈值后判定发生喘振。

对于喘振判断主动控制，如图1所示，具体的，若喘振主动控制失效，根据喘振机理会有周期性大幅压力震荡，在主频信号中表现为存在周期性大幅值，以第二阈值作为限值A1，即A超过限值A1后认为已发生喘振，喘振状态S1置1，此时控制节流阀开度至喘振开度。

若经过一定时间T振幅A低于限值A1则逐渐恢复节流阀正常开度；若经过时间T后A依旧超出限值A1则将节流阀开度切为0，作停机处理。

可以理解的是，限值A1由发动机真实发生喘振时获取的喘振幅值Ac和正常工况幅值An共同决定，可取A1＝0.5(Ac+An)。

设定时间T可标定，一般由增压器自身性能表现决定，若增压器机械性能较好，则可标定时间可适当变长，若增压器易损坏则需将标定时间缩短，以降低增压器损坏。同时，在本实施例中，可以选取振幅作为赋值A。

依据喘振的压力表现判断喘振状态，从而更为准确的判断喘振状态，在发生喘振时根据实际喘振情况进行主动干预，若能够主动脱离喘振区可以避免停机，实现喘振的自治愈。

可以理解的是，对于喘振预测主动控制和喘振判断主动控制均是主动控制的过程，其在进行主动控制时均可以通过调节节流阀开度来实现；需要指出的是，为了避免喘振对增压器、发动机的损伤，在经过主动控制设定时间后若不能脱离喘振状态，则进入停机状态进行处理。

采集增压器后压力利用傅里叶变化将其转化为频域信号，利用周期和频率提前感知喘振，实现喘振的预控制；用相似的方法判断喘振状态，当真实发生喘振时尝试用管路控制脱离喘振，减少因喘振导致的停机风险，合理保障发动机的运行连续性。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1所示，给出一种发动机增压器喘振预测与控制系统。

发动机增压器喘振预测与控制系统包括：

采集模块，被配置为：获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；

预测控制模块，被配置为：当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；

判断控制模块，被配置为：当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；

节流阀调整模块，被配置为；若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。

可以理解的是，上述发动机增压器喘振预测与控制系统的工作方法与实施例1提供的发动机增压器喘振预测与控制方法相同，可以参见上述实施例1中的详细描述，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，包括：

获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；

当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；

当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；

若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。

2.如权利要求1所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，依据发动机转速、管路容积计算基础喘振频率，并确定第一阈值和第二阈值。

3.如权利要求1所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，按照设定频率采集增压器后压力，将采集的样本转变为频域信号，并获取主频信号。

4.如权利要求3所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，将采集的样本进行傅里叶变化转变为频域信号，当主频信号赋值大于等于第一阈值时认为有喘振风险，判定为预喘振状态。

5.如权利要求1所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，基于进气量和增压器前后压比计算主动控制的节流阀开度，以在切换为主动控制的节流阀开度后降低主频信号赋值。

6.如权利要求5所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，调整节流阀开度后，继续获取主频信号并赋值与第一阈值比较，增压器后压力恢复正常后，节流阀开度恢复至正常控制开度。

7.如权利要求1所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，若预喘振状态通过调整节流阀开度控制失效，则主频信号赋值进一步增大，当主频信号赋值超过第二阈值后判定发生喘振。

8.如权利要求1所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，在恢复节流阀开度时，逐渐调节节流阀至正常开度。

9.如权利要求8所述的发动机增压器喘振预测与控制方法，其特征在于，在判定为预喘振状态或喘振状态后，调整节流阀开度小于节流阀正常开度。

10.一种发动机增压器喘振预测与控制系统，其特征在于，包括：

采集模块，被配置为：获取增压器后压力进行处理，得到主频信号并赋值；

预测控制模块，被配置为：当主频信号赋值大于等于第一阈值且小于第二阈值时，判定为预喘振状态，调整节流阀开度；直至主频信号赋值小于第一阈值，恢复节流阀开度；

判断控制模块，被配置为：当主频信号赋值大于等于第二阈值时，判定为喘振状态，调整节流阀开度；

节流阀调整模块，被配置为；若在设定时间内主频信号赋值小于第二阈值，恢复节流阀开度；若经设定时间后主频信号赋值仍大于等于第二阈值，关闭节流阀。

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