离心式空压机防喘振广义预测控制方法的研究

金 星,姜长泓,王盛慧

(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春 130012)

离心式空压机防喘振广义预测控制方法的研究

金 星,姜长泓,王盛慧

(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春 130012)

分析了离心式空压机防喘振控制过程中诸多参数之间的相互关系,建立了空压机防喘振受控自回归积分滑动平均系统模型,提出了基于串级控制的广义预测控制方法,并应用于某化工厂深冷空气分离空压机调节系统.结果表明,该控制方法可抑制不确定干扰和非线性因素对系统的不良影响,能有效防止喘振现象的发生.

离心式空压机;防喘振;时变系统;广义预测控制

自1986年Moore和Greitzer首次提出空压机失速、喘振M-G模型以来,喘振的预测与防范就成为空压机研究领域的热点.Fink建立了离心式空压机非定转速喘振模型,Meuleman提出不稳定流速模型,Willem s研究了在有限反馈条件下空压机的稳定性问题.随后,Schmitz和Galindo等人针对涡轮增压机的特性曲线、喘振极限与周期问题也进行了科学研究[1-3].不难看出,预测喘振最根本的问题就是如何建立实用、有效的空压机动态模型.这些研究方法多数集中于线性时不变过程,将现场采集到的管网排气量、压力、流量等数据表示为彼此独立的时间序列,实现线性时不变函数的平稳过程.然而,实际空压机运行过程具有一定程度的时变性和非线性,如采样分析数据本身存在一定的自相关,并不满足彼此统计独立,管网流量扰动改变,压力、流量、温度传感器和电机、导叶阀执行器的非线性等.因此,为真实反映喘振受机组本身因素、管网压力、温度、流量等因素影响的复杂过程,建立时变的数学模型是非常必要的[4-5].

本文以空压机变负荷运行数据为参数,分析参数时变和非线性特性,计算相关矩阵,结合空压机装置特性曲线,建立一种基于受控自回归积分滑动平均CARIMA(Controlled autoregressive integrated moving average)的空压机装置防喘振模型,设计模型目标函数,引入Diophantine方程[6],计算了广义预测控制律,实现空压机变负荷防喘振运行的广义预测控制.

1 装置

离心式空压机恒压控制是以管路输出口压力为恒定,改变同步电机的励磁电流,调节电动机转速实现的.该控制系统采用主、副串级调节结构[7-9],主控制调节回路实现管路气体恒压控制,副控制调节回路实现管路气体流量控制,如图1所示.

这种利用改变励磁电流的调节方式,不可避免地会受到电网谐波扰动的影响,再加之气体在叶轮和扩压器的流道内流动,利用离心升压作用和降速扩压作用,气体压缩、压力提高、所携带的能量在压缩前后发生了变化,即比容、熵、焓均发生变化.依据能量守恒定律和伯努力方程,考虑管路压变阻力、环境温度、漏气等诸多实际因素,管网入口、出口压比与流量之间表现出明显的时变和非线性.如果对空压机变负荷运行简单地采用线性时不变控制方法进行调节,那么空压机易出现工作点从平稳工作区移入临界控制区或危险喘振区,引起空压机性能恶化,压力和效率显著降低,而且也会造成旋转轴承、叶片或转子等部件强烈的振动,甚至损坏.

图1 空压机恒压串级控制系统框图

2 预测控制模型

假定压缩气体状态均匀,各点的压力、温度相同,比热、内能仅与气体温度有关,根据空压机系统现场运行特性,可建立动态方程:

式中:ε为压力比为进气管网压力;Po为排气管网压力;q为管网气体质量流量;q为管网气l体泄露或衰减质量流量;ωl为干扰;μj为相应各级压力比系数;εj为相应各级压力比;S为气体压缩时间.

式(1)两边对t求导,再代入式(2),整理得

式中:η为衰减常数的平均值;ε0为空压机喘振临界压力比;ξ为白噪声干扰.将(3)式离散化得

式中:T为采用周期;k为T的整数倍的时刻.

由(4)式可建立起CARIMA模型[6-8]

3 参数估计

式中:N1为压力比预测时间长度;N2为控制时间长度;λ为控制系数.

管路气体压比逼近离心式空压机喘振临界值时,设定气体质量流速变化量达到最小为该模型的目

针对CARIM A模型,选取目标函数为标函数.

引入Diophantine方程,则广义预测控制律为:

4 实验结果分析

配有3 400 kW同步电机的32 000 Nm3/h型离心式空压机,变负荷运行,管网气体恒压控制范围小于等于0.58 M Pa,波动范围±0.02 M Pa,排汽温度小于等于100℃,不间断运行.不管工艺负荷如何变化,要保证空压机入口流量不小于该工况下的极限流量值,不出现喘振现象.

图2 空压机输出压力0.52 M pa时对比图

图2-4是采用不同的控制方法针对某化工厂离心式空压机不同工况时空气分离管路输出压力曲线图.PICA 1008曲线为空压机在某一工况时出口压力曲线;PI 901曲线为基于CARIM A模型广义预测控制方法管路输出压力曲线;PI 11曲线为基于PID调节管路输出压力曲线;PI 2曲线为以PI 901输出结果运行后,下塔下部压力曲线.数据记录间隔2 m in.

图2为某日空压机设定输出压力0.52 M Pa,下塔下部压力相应调整至0.50 M Pa过程曲线.依据实验结果分析,与PID控制相比,CARIMA防喘振广义预测控制在调节管网压力平稳性和调节时间方面存在明显优势.PI901曲线管网压力曲线调整至0.51 M Pa附近,调整区间为0.005 M Pa,稳定时间大约为50 min;PI 11曲线输出管网压力波动区间最大可为0.014 M Pa,调整管网压力至稳定大约需要2 h.两者比较,后者调整范围接近前者的3倍,调整时间约为前者的4倍.

图3 空压机输出压力0.505 MPa波动时对比图

图4 空压机输出压力低于0.49 MPa向上调整时对比图

图3和4是空压机输出压力设定为0.505 MPa和空压机输出压力低于0.49 MPa向上调整过程中的对比图.从空压机波动调整和上升两个特殊阶段的跟踪效果分析,空压机完全运行在防喘振安全区域范围内,即便在变负荷调整过程,CARIMA防喘振广义预测控制也能有效防止喘振表现的发生,调节平和.

5 结论

本文分析离心式空压机防喘振控制过程中诸多参数之间的相互关系,建立空压机防喘振受控自回归积分滑动平均系统模型,提出基于串级控制的广义预测控制方法,并应用于某化工厂离心式空压机调节系统.该方法克服空压机变负荷运行所引起的机组气体引入、导出管路压力、流量、温度和各级间系统补偿大幅变化等因素,解决气体压力比与流速之间时变和非线性问题,实现空压机变负荷防喘振稳定运行的优化控制.系统调节过程平和,控制精度、动态品质有所提升,运行稳定可靠,可有效防止空压机喘振现象的发生.

[1] 徐福根,万建余,王立.空分设备变负荷调节主要参数的关系及计算[J].深冷技术,2006,7:38-46.

[2] 王盛慧,金星,田巍.空压机时变模型的建立与预测控制方法的研究[J].长春工业大学学报:自然科学版,2010,31(1):10-14.

[3] 董振宁,空压机防喘振控制的设计和实现[J].深冷技术,2007,7:38-41.

[4] 韩光信,陈虹,马苗苗,等.约束非完整移动机器人轨迹跟踪的非线性预测控制[J].吉林大学学报:工学版,2009,39(1): 177-181.

[5] SH IXIAO-PIANG,ZHU YI.Study on generalized p redictive control for the neutron flux density of the nuclear reactor[J]. A tomic Energy Science and Technology,2003,37(4):340-344.

[6] L IQI AN,CHU JIAN.Multivariable generalized p redictive control for diagonal CARIMA model[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2006,40(4):541-545.

[7] 王利民,李维飞,张海龙.基于广义信息论的贝叶斯分类器动态建模[J].吉林大学学报:工学版,2009,39(3):776-780.

[8] 张文娟,王连明,张宏巍.具有随机延迟的网络控制系统的模糊PID控制方法研究[J].东北师大学报:自然科学版,2009,41 (2):63-68.

[9] 朱训林,李蔚,谢丛波.新的离散时变时延系统的稳定性条件[J].东北师大学报:自然科学版,2008,40(3):31-36.

A research on themethods of generalized predictive control for an ti-surge of cen trifugal air compressor

JIN Xing,JIANG Chang-hong,WANG Sheng-hui
(Institute of Electric and Electronics Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

The coupling correlations among many parameters during the anti-surge controlling p rogress of centrifugal air comp ressor are analyzed,the model of controlled autoregressive integrated moving average(CARIM A)is established,the generalized p redictive contro l strategy based on the cascade control was p roposed and had been app lied successfully to the governing system of air comp ressor for separating copious cooling air in a factory.The result indicated that this op timized control law can efficiently elim inate the negative influence on control system of air comp resso r by the uncertain perturbations and nonlinearity factors,p reventing the surge.

centrifugal air comp resso r;anti-surge;time-varying system;generalized p redictive control

TP274+.2

510·80

A

1000-1832(2010)04-0076-04

2010-09-24

国家科技支撑计划项目(2007BAE17B03).

金星(1976—),男,硕士,讲师,主要从事智能仪器与故障诊断研究;通讯作者:姜长泓(1969—),男,教授,主要从事智能控制、信号检测等研究.

(责任编辑:石绍庆)