專利名稱：動態(tài)壓縮機(jī)的防沖擊控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到用來控制壓縮機(jī)操作的控制系統(tǒng)，特別是涉及到在動態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊的控制系統(tǒng)和方法。
動態(tài)壓縮機(jī)在生產(chǎn)過程中被廣泛地用于提供壓縮氣體源。為了避免接收這種壓縮氣體的下游工序的操作出現(xiàn)間斷，必須要有效地控制動態(tài)壓縮機(jī)的操作，以便根據(jù)下游工序的需要而提供穩(wěn)定的輸出壓力或是流率。然而，眾所周知，當(dāng)動態(tài)壓縮機(jī)的流率由于下游工序的狀態(tài)發(fā)生變化等等原因而下降到一定的門限值以下時，在壓縮機(jī)中就可能出現(xiàn)沖擊和完全斷流的現(xiàn)象。除了會造成下游工序間斷的必然影響之外，沖擊還會給動態(tài)壓縮機(jī)帶來災(zāi)難性的后果，在壓縮機(jī)內(nèi)產(chǎn)生聽覺噪聲和劇烈的振動，在嚴(yán)重的情況下會給動態(tài)壓縮機(jī)帶來嚴(yán)重的損害。
在低于門限流率時，動態(tài)壓縮機(jī)就會出現(xiàn)沖擊，這種門限是動態(tài)壓縮機(jī)兩端的壓力差的函數(shù)。沖擊狀態(tài)通常是用一種壓縮機(jī)特性線圖來表示的，這種圖采用實(shí)際流量和多變壓頭的關(guān)系來反映壓縮機(jī)的操作。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果壓縮機(jī)輪在壓縮機(jī)特性線圖中的工作點(diǎn)落入由一條沖擊線所界定的沖擊區(qū)域之內(nèi)，就會出現(xiàn)沖擊，這種沖擊線大致是一條拋物線，其定義是(實(shí)際流量)2/(多變壓頭)=K，其中的K是一個常數(shù)．通常用來防止動態(tài)壓縮機(jī)出現(xiàn)沖擊或是使動態(tài)壓縮機(jī)脫離沖擊的方法是打開連接到壓縮機(jī)輸出端的一個反沖擊閥門，使動態(tài)壓縮機(jī)的一部分輸出氣流返回到壓縮機(jī)入口。這樣就能增加壓縮機(jī)的流率，使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)脫離沖擊區(qū)域。為了控制工作點(diǎn)防止其進(jìn)入沖擊區(qū)域，采用比例-積分-微分(PID)控制器構(gòu)成了一個系統(tǒng)，用來控制反沖擊閥門的開/關(guān)。這種控制器通常是在壓縮機(jī)的工作點(diǎn)越過一條預(yù)定的沖擊控制線之后開始工作的，沖擊控制線在壓縮機(jī)特性線圖中的位置處在與沖擊線有一個選定的安全余量的范圍內(nèi)。
為了有效地防止發(fā)生沖擊，非常希望能夠通過估計(jì)流量的擾動是否會使動態(tài)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)越過沖擊線而預(yù)測是否需要打開反沖擊閥門?？赡馨l(fā)生沖擊的一種主要標(biāo)志就是工作點(diǎn)接近沖擊線的速度，也就是工作點(diǎn)與沖擊限制線之間距離的時間導(dǎo)數(shù)。如果沖擊控制系統(tǒng)可以對高速接近作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，在工作點(diǎn)到達(dá)沖擊控制線之前打開反沖擊閥門，就可以大大降低沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。
考慮到穩(wěn)定性的問題，通常用于防沖擊控制的PID控制器盡管具有“微分”作用，仍然不能滿足對接近速度的響應(yīng)要求。在防沖擊控制的大多數(shù)應(yīng)用場合，PID控制器的可調(diào)變量是根據(jù)測量的氣流計(jì)算出來的值。測得的氣體流率本身就含有噪聲，并且信噪比很低。如果用PID的微分功能來響應(yīng)這種接近速度，噪聲響應(yīng)就會使反沖擊閥門打開和關(guān)閉，對過程控制造成不應(yīng)有的干擾和不必要的能耗。因此不可能依靠PID的微分作用來響應(yīng)這種接近速度。
在Staroselsky等人的美國專利US4949276號中公開了一種用來響應(yīng)工作點(diǎn)對沖擊線的接近速度的方法。該方法是把用來控制反沖擊閥門的PID控制器的設(shè)定點(diǎn)移動到遠(yuǎn)離沖擊線，因此，PID控制器的過程值有可能會很快跨過設(shè)定點(diǎn)。這樣一來，PID控制器就可以更快地打開反沖擊閥門。按照這種方法，設(shè)定點(diǎn)的移動量是工作點(diǎn)向沖擊限制的接近速度的一種函數(shù)。這種方法具有以下幾個缺點(diǎn)。例如，設(shè)定點(diǎn)的連續(xù)變化會造成難以監(jiān)視PID控制器的工作。另外，PID控制器會響應(yīng)由這種方法產(chǎn)生的不斷變化的人為誤差，使PID控制器的工作缺乏可預(yù)測性。此外，由于需要平滑和穩(wěn)定的工作，用來控制反沖擊閥門的普通PID控制器對急劇的流量擾動不能作出最佳的響應(yīng)，因而就無法對工作點(diǎn)向沖擊限制線的接近速度提供反作用的最佳響應(yīng)，因此，很難形成有效的防沖擊控制。
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的是為動態(tài)壓縮機(jī)提供一種改進(jìn)的控制系統(tǒng)，用來有效地防止壓縮機(jī)受到?jīng)_擊。
為此，本發(fā)明的目的是為動態(tài)壓縮機(jī)提供一種防沖擊控制系統(tǒng)，用來把壓縮機(jī)工作點(diǎn)的位置控制在沖擊控制線附近，同時對工作點(diǎn)向沖擊線的高速接近作出最佳的響應(yīng)。
本發(fā)明的一個相關(guān)目的是為動態(tài)壓縮機(jī)提供一種防沖擊控制系統(tǒng)，它可以在沖擊控制線附近對動態(tài)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)位置提供最佳的PID控制，并且對工作點(diǎn)向沖擊線的高速接近提供最佳的響應(yīng)，同時不會對PID控制操作造成不利的影響。
按照本發(fā)明的上述和其他目的，本發(fā)明提供了一種控制系統(tǒng)，用于防止動態(tài)壓縮機(jī)中的沖擊，并且采用一種對壓縮機(jī)工作點(diǎn)的位置和速度控制都是最佳的多重模塊控制。壓縮機(jī)在壓縮機(jī)特性線圖中具有一個可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括一個穩(wěn)定區(qū)域，一個沖擊區(qū)域，把兩個區(qū)域分開的一條沖擊線，以及靠近但是離開沖擊線的一條沖擊控制線。由控制系統(tǒng)操作一個反沖擊閥門，該閥門具有一個用于調(diào)節(jié)閥門打開的電輸入端，用來可控地增加通過動態(tài)壓縮機(jī)的流量。該控制系統(tǒng)采用一種多重模塊控制器，它具有用于接收代表動態(tài)壓縮機(jī)工作點(diǎn)的一個控制變量的輸入端，并且具有一個用來控制反沖擊閥門打開的輸出信號。多重模塊控制器中的PID控制模塊接收作為過程輸入的控制變量，并且具有一個對應(yīng)著沖擊控制線的設(shè)定點(diǎn)，用來產(chǎn)生在沖擊控制線的區(qū)域內(nèi)對動態(tài)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)發(fā)揮控制作用的第一輸出信號。多重模塊控制器中的微分模塊接收控制變量，并且產(chǎn)生一個速度信號，該信號的幅值代表著工作點(diǎn)向沖擊控制線接近的速度。多重模塊控制器中的速度控制模塊接收作為過程輸入的流率信號，并且在接近速度超過一個設(shè)定點(diǎn)時產(chǎn)生一個第二輸出信號，開始適當(dāng)?shù)卮蜷_反沖擊閥門。一個輸出信號選擇器接收包括第一和第二輸出信號的多個輸入信號，并且選擇一個輸入信號作為多重模塊控制器的輸出信號。
本發(fā)明的特征在于采用閉環(huán)PID控制模塊把壓縮機(jī)工作點(diǎn)的位置控制在沖擊控制線的區(qū)域之內(nèi)，并且使用速度控制模塊來直接控制工作點(diǎn)的接近速度。速度控制模塊接管反沖擊閥門的控制，并且在接近速度過高時開始打開反沖擊閥門，甚至可以在PID控制模塊動作之前。
本發(fā)明的特征在于速度控制模塊具有一種積分器的功能，可以把流率控制器的誤差減少到零。
本發(fā)明的另一個特征是速度控制模塊的設(shè)定點(diǎn)是按照工作點(diǎn)到?jīng)_擊控制線的接近程度來調(diào)節(jié)的，以免不必要地打開反沖擊閥門。
本發(fā)明的再一個特征是速度控制模塊的增益是按照動態(tài)壓縮機(jī)的操作狀態(tài)來調(diào)節(jié)的，以便使速度控制模塊的作用線性化。
通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可以認(rèn)識到本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中

圖1是一個示意圖，表示一個具有反沖擊閥門的動態(tài)壓縮機(jī)，該閥門是由一個體現(xiàn)本發(fā)明的多重模塊控制器來控制的；
圖2是一個示意圖，表示用于防止沖擊的一個多重模塊控制器，這種控制器具有一個PID控制模塊和一個速度控制模塊；圖3是用于防止沖擊的速度控制模塊的一個實(shí)施例的示意圖，它具有一個積分器和一個跟蹤元件；圖4表示速度控制模塊設(shè)定點(diǎn)與控制變量與PID控制模塊的設(shè)定點(diǎn)的接近程度之間的一種形式的功能相關(guān)性；圖5是一個方框圖，用來表示在速度控制模塊中產(chǎn)生增益，設(shè)定點(diǎn)，以及過程變量的步驟；圖6是動態(tài)壓縮機(jī)的一種壓縮機(jī)特性線圖，圖中表示了壓縮機(jī)工作點(diǎn)的不同位置；以及圖7是一個方框圖，有助于理解按照本發(fā)明提出的方法如何防止在動態(tài)壓縮機(jī)中發(fā)生沖擊。
以下參見附圖，圖1是具有防沖擊控制系統(tǒng)的一個動態(tài)壓縮機(jī)11的示意圖。這種防沖擊控制包括調(diào)節(jié)一個連接到動態(tài)壓縮機(jī)11輸出端的反沖擊閥門12。在圖1所示的系統(tǒng)中，反沖擊閥門12同時還連接到動態(tài)壓縮機(jī)11的入口10。反沖擊閥門12具有一個可調(diào)節(jié)的開口，它是由發(fā)送給反沖擊閥門12的控制輸入112的電信號來控制的。在反沖擊閥門12被打開時，動態(tài)壓縮機(jī)11的輸出流量的一部分圍繞著壓縮機(jī)11被旁路，并且返回到入口10，使通過反沖擊閥門12旁路的流量得以循環(huán)。圍繞著動態(tài)壓縮機(jī)11的旁路流量增加了通過動態(tài)壓縮機(jī)的總流量，其結(jié)果就可以使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域。顯而易見，如果用通過反沖擊閥門12直接排出動態(tài)壓縮機(jī)11的一部分輸出流量的方式來代替圖1的氣體循環(huán)方式，也可以增加動態(tài)壓縮機(jī)11的流量。除非有其他具體的說明，本文中使用的術(shù)語“旁路”概括了上述最佳的循環(huán)方式和較好的排出方式。
為了在壓縮機(jī)11中有效地防止沖擊的同時盡量減少對接收壓縮氣體的下游工序14造成的干擾，反沖擊閥門12的開和關(guān)需要受到精確的控制。如圖1所示，閥門的打開是由多重模塊控制器20來控制的。按照本發(fā)明的方案，多重模塊控制器20不僅要在工作點(diǎn)靠近沖擊線時通過操作反沖擊閥門12來控制壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)，還要在接近速度過高時通過操作反沖擊閥門12而直接控制工作點(diǎn)向沖擊線的接近速度。換句話說，多重模塊控制器20是通過監(jiān)視接近速度來預(yù)測沖擊的可能性的，并且通過打開反沖擊閥門12來采取校正措施，在工作點(diǎn)朝著沖擊線快速移動的情況下控制其接近速度。
具體地說，動態(tài)壓縮機(jī)11具有一個進(jìn)氣口10，對氣體進(jìn)行壓縮后通過輸出18向下游工序14提供壓縮氣體。象往常一樣在入口11和出口18內(nèi)設(shè)有多個傳感器，用于監(jiān)視壓縮機(jī)的工作狀態(tài)。如圖1所示，這些傳感器通常包括一個入口溫度傳感器91，入口溫度傳感器92，流量傳感器93，排放壓力傳感器94和排放溫度傳感器95。也可以使用其他類型的傳感器。傳感器的輸出信號被提供給用來處理傳感器輸出信號的過程測量模塊15，從中確定壓縮機(jī)11的工作狀態(tài)?？刂谱兞坑?jì)算器16按照測定的工作狀態(tài)根據(jù)過程測量模塊15的輸出來計(jì)算控制變量。多重模塊控制器20用這種控制變量來產(chǎn)生一個輸出控制信號，閥門位置控制器17用這種控制信號來控制反沖擊閥門12的開度。
在圖2中更詳細(xì)地表示了多重模塊控制器20。多重模塊控制器20包括一個PID控制模塊21和一個速度控制模塊40，兩個模塊都可以控制反沖擊閥門12的閥門開度，防止壓縮機(jī)11內(nèi)部受到?jīng)_擊(圖1)。用PID控制模塊21把動態(tài)壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)的位置適當(dāng)?shù)乜刂圃谝粭l預(yù)定的沖擊控制線和沖擊線之間，從而防止工作點(diǎn)移入沖擊區(qū)域。
圖5表示了一種壓縮機(jī)特性線圖，圖中有一條沖擊線70，在沖擊線的左邊劃分出一個不穩(wěn)定工作區(qū)域73(沖擊區(qū)域)，在沖擊線右邊是穩(wěn)定工作區(qū)域74。沖擊控制線71確定了沖擊線70和沖擊控制線71之間的一個工作區(qū)域，PID控制模塊21在該區(qū)域內(nèi)開始控制反沖擊閥門。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，除了PID控制模塊21之外還有一個速度控制模塊40，其動作與壓縮機(jī)特性線圖中的工作點(diǎn)位置無關(guān)，用來響應(yīng)工作點(diǎn)朝著沖擊線的快速移動來控制反沖擊閥門12，打開反沖擊閥門12，從而降低工作點(diǎn)向沖擊線73接近的速度。換句話說，速度控制模塊40可以預(yù)測出沖擊的可能性，并且直接控制接近速度。這樣，即使是工作點(diǎn)距離沖擊線73還比較遠(yuǎn)，速度控制模塊40仍可以響應(yīng)高速的接近而打開反沖擊閥門12。
具體地說，如圖2所示，多重模塊控制器20具有一個控制信號輸入120，用來接收控制變量計(jì)算器16產(chǎn)生的控制變量。計(jì)算的控制變量被用來表示動態(tài)壓縮機(jī)11在壓縮機(jī)特性線圖中的工作點(diǎn)。在壓縮機(jī)沖擊控制系統(tǒng)中采用的控制變量的定義如下
控制變量=(實(shí)際流量)2/(多變壓頭)顯而易見，用這種方式定義的每個控制變量值對應(yīng)著壓縮機(jī)特性線圖中的一條拋物線。如果實(shí)際流速是已知的，根據(jù)控制變量的一個給定值就可以唯一地確定壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)在圖中的位置。
PID控制模塊21接收這種控制變量，將其作為它的過程變量。這種控制變量還被提供給一個微分模塊22，它根據(jù)控制變量來產(chǎn)生一個速度信號，其幅值代表著工作點(diǎn)向沖擊線70(圖5)的接近速度。然后將速度信號提供給速度控制模塊40作為其過程變量。顯而易見，這種速度信號可以指示出工作點(diǎn)朝向或是遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域的移動情況。除非另有具體的說明，本文中使用的術(shù)語“接近速度”是指工作點(diǎn)朝著沖擊區(qū)域移動的速度。
PID控制模塊21對控制變量執(zhí)行閉環(huán)控制，從中產(chǎn)生比例，積分和微分項(xiàng)，并且最終產(chǎn)生一個用來控制反沖擊閥門12位置的第一輸出信號。PID控制模塊21具有一個對應(yīng)著沖擊控制線71(圖5)的設(shè)定點(diǎn)，PID控制模塊21在控制變量值處在沖擊控制線71和沖擊線70之間時對控制變量起到控制作用。換句話說，PID控制模塊21是在壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)位置處在沖擊控制線71和沖擊線70之間時發(fā)揮其控制作用的。在選擇PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)時最好在沖擊線和沖擊控制線71之間保留一個安全余量，大約在5％和15％之間。
速度控制模塊40也是一種具有比例，積分和微分項(xiàng)的閉環(huán)PID控制器結(jié)構(gòu)。速度控制模塊40使用流率信號作為其過程變量，并且在接近速度超過了速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)時產(chǎn)生一個第二輸出信號，用來控制反沖擊閥門12的開度。如果由于壓縮機(jī)11的流速突然下降而出現(xiàn)高速接近的情況，速度控制模塊40就會產(chǎn)生一個輸出信號，打開反沖擊閥門12使流量增加，從而降低朝著速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)接近的速度。速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)還可以起到一個門限點(diǎn)的作用，如果接近速度低于這一設(shè)定點(diǎn)，速度控制模塊40就不會打開閥門。這樣就能盡量減少反沖擊閥門12的不必要開度以及對下游工序14的干擾(圖1)的情況。
如圖2所示，PID控制模塊21和速度控制模塊40都可以產(chǎn)生控制反沖擊閥門12開度的輸出信號。在最佳的實(shí)施例中，PID控制模塊21和速度控制模塊40的控制作用是由一個輸出信號選擇器25來協(xié)調(diào)的。輸出信號選擇器25具有多個輸入信號。為了本發(fā)明的目的，我們僅僅對來自PID控制模塊21和速度控制模塊40的輸入信號感興趣。然而，顯而易見，其他控制器也可以為反沖擊閥門12提供輸出信號，這些控制器中還包括開環(huán)控制器和負(fù)荷分配控制器等等。各個輸入信號都得到校正，對應(yīng)著反沖擊閥門12的一個閥門開度。輸出信號選擇器25選擇其中一個輸入信號作為多重模塊控制器20的輸出信號，用來控制反沖擊閥門12。輸出信號選擇器25是一種高速信號選擇器，它可以在輸入信號當(dāng)中選擇對應(yīng)著最大閥門打開量的輸入信號。
按照這種方式，速度控制模塊40和PID控制模塊就可以在必要的情況下有效地執(zhí)行其各自的功能。例如，當(dāng)接近速度超過了速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)，但是工作點(diǎn)仍然處在穩(wěn)定區(qū)域時，就可以選擇速度控制模塊40，打開閥門12，防止沖擊。另一方面，如果工作點(diǎn)已經(jīng)靠近了沖擊線，但是移動緩慢，就可以選擇PID控制模塊21，用來控制閥門12的開度，使工作點(diǎn)回到?jīng)_擊控制線。在另一種情況下，如果工作點(diǎn)處在穩(wěn)定區(qū)域，并且移向沖擊區(qū)域的遠(yuǎn)方，速度控制模塊40就會嘗試著迅速關(guān)閉閥門。在這種情況下，PID控制模塊21通常只能緩慢地關(guān)閉閥門。在這種情況下，PID控制模塊可以控制閥門并且平滑地關(guān)閉閥門。
從上文中可見，工作點(diǎn)向沖擊控制線71(圖5)的接近速度可以反映出即將來臨的沖擊。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)在沖擊控制中采用了關(guān)于流率的信息，但是對控制方法仍然是間接進(jìn)行的，也就是說，現(xiàn)有技術(shù)是按照另一種變量來工作的，例如是在普通PID控制器中移動其設(shè)定點(diǎn)。
按照本發(fā)明，為了直接控制流率而采用了一種專用的控制器，在其中考慮到了控制器的過程信號是流率信號而不是位置信號這樣的事實(shí)。象普通的閉環(huán)控制器一樣，這種控制器具有一個過程信號和一個設(shè)定點(diǎn)，通過二者的比較產(chǎn)生一個誤差信號，用誤差信號的幅值來驅(qū)動輸出，把誤差信號減少到零(zero)。然而，如果過程信號是流率信號，而控制器是一個PID，除非是采取特殊的措施，誤差信號是無法零化的。
按照本發(fā)明的一個重要特征，速度控制模塊40中設(shè)有一個積分器，它在普通PID控制器的比例-積分-微分項(xiàng)目之外執(zhí)行一種積分運(yùn)算。在最佳實(shí)施例中使用的速度控制模塊40是一種IPID控制器。由于具備了這種積分器，速度控制模塊40可以把定義為它的設(shè)定點(diǎn)和過程變量之差的誤差減少到零。由于普通PID中運(yùn)算的過程變量是一種現(xiàn)場測量或是計(jì)算的信號導(dǎo)數(shù)，它可以對這種信號起作用，但是不具備在暫態(tài)環(huán)境下足以將誤差減少到零的控制響應(yīng)，因而就需要采用這種積分器。例如，如果使用氣體的下游工序停止運(yùn)轉(zhuǎn)，流量可能會在例如30秒的一定時間段內(nèi)持續(xù)下降。如果用普通的PID來控制流率，若是過程輸入與設(shè)定點(diǎn)相等，它就會把閥門開度保持在一個固定的范圍。然而，如果閥門開度保持不變，流率就會再次增大，而流率誤差就會相應(yīng)地增大。速度控制模塊40是一個IPID，它與普通PID控制器的區(qū)別在于，即使是過程輸入等于速率設(shè)定點(diǎn)，也就是誤差為零，仍然可以持續(xù)打開閥門。這種響應(yīng)是因?yàn)樗俾士刂颇K中的附加積分器在起作用。因此，這種速率控制模塊40能夠?qū)⒘髀收`差減少到零?？梢杂靡韵碌睦绽棺儞Q公式來解釋這種積分器的效果。在最佳實(shí)施例中，控制變量的定義是
其中的WS是控制變量，Q是實(shí)際流量，H是多變壓頭。流率控制的過程變量被定義為過程變量=(s)WS流率控制的設(shè)定點(diǎn)被定義為設(shè)定點(diǎn)=(s)WSMAX這樣，流率控制的誤差項(xiàng)就是誤差=設(shè)定點(diǎn)-過程變量=s·(WSMAX-WS)普通PID的傳遞函數(shù)可以表示成[P•(sd+1)•(1+IS)]]]>如果存在誤差，普通PID的輸出就會具有以下的形式OUTPUT=[P•(sd+1)•(1+Is)]((s)(WSMAX)-WS)]]>[P•(sd+1)•(1+I)]•(WSMAX-WS)]]>從中可以看出，在這種輸出中丟掉了“積分”項(xiàng)。從控制的觀點(diǎn)來看這是顯而易見的，因?yàn)镻ID控制器中的積分項(xiàng)的作用是最終把誤差信號減少到零。如果沒有積分項(xiàng)，PID控制器就不能將過程信號的微分，控制于理想的設(shè)定點(diǎn)上，也就是說，誤差不能減少到零。
本發(fā)明的流率控制器具有一個積分器，因此，它的傳遞函數(shù)具有以下形式GAIN=[P(s)•(sd+1)•(I1+s)]]]>在速度控制模塊對誤差進(jìn)行運(yùn)算時，其輸出具有以下形式OUTPUT=[P(s)•(sd+1)•(I1+s)]((s)WSMAX-WS)]]>[P•(sd+1)•(I1+s)]•(WSMAX-WS)]]>從中可以看出，在輸出中恢復(fù)了用I/(1+s)所代表的“積分”項(xiàng)。由于有了這一積分器，流率控制變成了一個積分-比例-積分-微分(IPID)型的控制器，代替了普通的PID控制器。
在圖3中表示了具有一個積分器的速度控制模塊40的實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，積分器46是通過在速度控制模塊40的PID部分47的反饋路徑44中增加一個微分算子45來實(shí)現(xiàn)的?？紤]到反饋路徑44中的微分算子45的微分功能可以模仿一種積分運(yùn)算，這就相當(dāng)于在PID部分47中增加了一個“積分”項(xiàng)。
如圖3所示，速度控制模塊40的PID部分47中包括比例算子38，積分算子39和一個微分算子41。積分算子39的輸出被提供給微分算子45進(jìn)行處理，并且把微分算子45的輸出通過反饋路徑44提供給積分算子39的輸入端。這種把積分算子39的輸出通過微分算子45反饋到它的輸入端的結(jié)構(gòu)模仿一種積分功能，并且獲得上述的傳遞函數(shù)。這種積分功能可以使速度控制模塊40的誤差減少到零。
從圖3中可以進(jìn)一步看出，微分算子45的輸入是從積分算子39的輸出獲得的，它是在比例算子38的后面，但是在PID模塊47的微分算子41前面。因此，微分模塊45的輸入中包含了關(guān)于位置的信息。這是因?yàn)橛傻谝患臃ㄆ?4提供的過程變量中包含了提供給積分模塊39的速度信息，由它對速度信息積分后就產(chǎn)生了關(guān)于位置的信息。當(dāng)微分算子45發(fā)現(xiàn)了積分的速度信息中的變化時，就通過加法器35將這一信息反饋到積分算子39的輸入端。這樣就能在PID功能中插入關(guān)于位置的信息，并且用這種信息來改變速度控制模塊40的PID(IPID)，把誤差信號變成零。
多重模塊控制器20可以在模塊和控制器之間實(shí)現(xiàn)傳遞，在從模塊到模塊的切換過程中，如果不能正確地工作，就會使提供給反沖擊閥門12的輸出信號出現(xiàn)明顯的間斷。為了防止這種情況，按照本發(fā)明的多重模塊控制器40具有一種跟蹤功能，控制器40根據(jù)它來決定哪個模塊在反沖擊閥門12的控制中有效，以及哪一個無效。所有模塊連續(xù)地監(jiān)視各自的輸入信號，如果不采取一定的措施，兩個模塊就會產(chǎn)生不同的輸出信號。然而，按照本發(fā)明的多重模塊控制器40設(shè)有一個跟蹤裝置，用來使無效的模塊跟蹤有效模塊的輸出。為此而把輸出信號選擇器25的輸出連接到所有模塊的跟蹤輸入端，并且通過一條跟蹤控制線使所有無效的模塊跟蹤輸出信號選擇器25的輸出。
具體來說，PID控制模塊21或是速度控制模塊40都可以控制反沖擊閥門12，只要是它的輸出信號大于另一方的輸出信號。在控制從PID控制模塊21切換到速度控制模塊40或是做相反的切換時，為了保證平滑地操作反沖擊閥門12，PID控制模塊21和速度控制模塊40都具有一個跟蹤特征，使它們的輸出信號跟蹤輸出信號選擇器25的輸出信號。如圖2所示，輸出信號選擇器25的輸出信號通過輸出跟蹤線27和29被反饋給PID控制模塊21和速度控制模塊40。輸出信號選擇器25還具有分別連接到PID控制模塊21和速度控制模塊40的跟蹤控制線26和28。跟蹤控制線26和28被用來傳送跟蹤控制信號，為各個控制模塊21和40指示其輸出信號是否已經(jīng)被選中，也就是目前是否由它來控制反沖擊閥門12。沒有執(zhí)行控制的那個控制模塊則需要調(diào)節(jié)它的輸出，以便跟蹤輸出信號選擇器25的輸出。
圖3表示了速度控制模塊40和PID控制模塊21的上述跟蹤功能的一種實(shí)施方案。在這一實(shí)施例中，用一個開關(guān)42在跟蹤輸出線43上的輸出信號選擇器25的輸出信號和微分算子45的輸出之間進(jìn)行選擇。當(dāng)跟蹤控制線26上的跟蹤控制信號指示出速度控制模塊40目前沒有控制反沖擊閥門12(圖2)時，就控制開關(guān)42把跟蹤輸出線43上的輸出信號選擇器25的輸出信號連接到加法器35作為積分算子39的輸入。提供給加法器35的輸出信號選擇器25的輸出用來對積分模塊39預(yù)先加載，驅(qū)動速度控制模塊40的輸出信號，使其達(dá)到與有效的PID控制模塊21的輸出信號相同的水平。這樣，如果需要在有效和無效的控制模塊21和40之間進(jìn)行切換，它們的輸出就會處在相同的水平上，從而形成沒有沖擊的轉(zhuǎn)換。然而，在完成了控制切換以后，模塊40就會對過程輸入和與現(xiàn)在有效控制模塊相關(guān)的PID功能作出響應(yīng)。
為速度控制模塊PID增加積分器的功能，并且與普通PID模塊21并行地操作速度控制模塊40，這樣就能明顯地提高控制系統(tǒng)的性能。連接到各個控制模塊的輸出端的輸出信號選擇器25從控制模塊當(dāng)中選擇要求最大閥門開度的信號。因此，在工作點(diǎn)靠近沖擊控制線71(圖5)時，PID控制模塊21就工作，在該區(qū)域內(nèi)用它的輸出信號進(jìn)行正常的控制。然而，無論工作點(diǎn)在壓縮機(jī)特性線圖中處在任何位置，如果工作點(diǎn)向沖擊控制線71的接近速度超過了速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)，速度控制模塊40就會產(chǎn)生高輸出信號，并且接管對反沖擊閥門12的控制。
在一個簡化的系統(tǒng)中，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)可以設(shè)定在對應(yīng)著壓縮機(jī)系統(tǒng)可以接受的最大接近速度的一個固定水平上。如果接近速度超過了這一預(yù)定值，速度控制模塊40就會產(chǎn)生一個輸出信號。如果其輸出大于PID控制模塊21產(chǎn)生的輸出信號，它就會接管反沖擊閥門12，并且控制閥門的開度。
然而，作為對系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，本發(fā)明還提供了一些用來調(diào)節(jié)速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)的裝置，以便使該模塊在距離沖擊控制線遠(yuǎn)、近時都能同樣有效。為此，按照本發(fā)明的一個特征，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)是根據(jù)壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)與沖擊線70(圖5)之間的距離來調(diào)節(jié)的?？偟貋碚f，當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離沖擊線70時，就設(shè)置高的設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)工作點(diǎn)接近沖擊線70時，就降低設(shè)定點(diǎn)。按照這種方式，在流量很大時，即使是較大的流率波動也不會觸發(fā)速度控制模塊40使之進(jìn)入有效狀態(tài)，這樣就能避免不必要地打開反沖擊閥門12。然而，當(dāng)工作點(diǎn)靠近沖擊線70時，即使是很低的接近速度也可能使工作點(diǎn)進(jìn)入沖擊區(qū)域。因此就要降低速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)，在工作點(diǎn)靠近沖擊線70時提供較高的靈敏度。應(yīng)該注意到，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)不允許降低到零；如果減到零，即使是過程變量達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，速度控制模塊40仍然會保持反沖擊閥門12完全打開。如果把設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器24的輸出設(shè)定在一個非零的最小低限值，就可以避免這種情況。
在最佳實(shí)施例中，把控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)的接近程度，也就是控制變量與PID控制模塊21的沖擊控制線設(shè)定點(diǎn)之間的差用來指示動態(tài)壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)與沖擊線70的接近程度，以此為依據(jù)來調(diào)節(jié)速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)。在圖4中表示了一例由控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)的接近程度來決定速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)的情況。如圖4所示，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)是在最大值和最小值之間變化的。如果控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)之間的差大于點(diǎn)61指示的值，就把設(shè)定點(diǎn)固定在由點(diǎn)63指示的最大值。當(dāng)控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)之間的差小于點(diǎn)62指示的值時，就把設(shè)定點(diǎn)固定在由點(diǎn)64指示的一個非零的最小值。如果控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)之間的差處在兩個點(diǎn)61和62之間的范圍內(nèi)，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)與這種差具有線性的關(guān)系。當(dāng)然，圖4中所示的設(shè)定速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)的方法只是一個例子，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下還可以用其它方式來選擇設(shè)定點(diǎn)的值。在圖2所示的最佳實(shí)施例中，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)是用設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器24來調(diào)節(jié)的，它接收來自控制變量計(jì)算器16的一個信號，并且用來確定控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)之間的差。
本發(fā)明的另一個特征是對速度控制模塊40的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著動態(tài)壓縮機(jī)11過程狀態(tài)的變化對速度控制模塊40進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。當(dāng)壓縮機(jī)11的入口10和出口18(圖1)的氣體性質(zhì)以及壓力和溫度發(fā)生變化時，通過反沖擊閥門12的流量就會發(fā)生明顯的變化。在這種情況下，閥門開度的相同調(diào)節(jié)量對流量的影響程度是截然不同的，這取決于動態(tài)壓縮機(jī)11的過程狀態(tài)。為了使速度控制模塊40的工作線性化，并且對過程變量進(jìn)行補(bǔ)償，速度控制模塊40的增益是按照以下的增益函數(shù)來控制的Gain=K·F(Ps,Pd,Td,SG)其中的Ps,Pd和Td分別是動態(tài)壓縮機(jī)11的吸氣壓力，排氣壓力和排氣溫度；SG是壓縮機(jī)11所使用的氣體的比重；K是一個常數(shù)，它是系統(tǒng)響應(yīng)的典型增益；F是一個函數(shù)，它代表了閥門動作和作為過程狀態(tài)變化的流量之間關(guān)系的正常變化，這種關(guān)系是由反沖擊閥門12的流量特性來決定的。如果采用按照反沖擊閥門12對過程狀態(tài)變化的響應(yīng)來調(diào)節(jié)的增益，速度控制模塊40的動態(tài)特性就可以隨著過程狀態(tài)的變化而適當(dāng)?shù)刈兓?。按照這種方式，僅僅是在用動態(tài)壓縮機(jī)11的一組過程狀態(tài)產(chǎn)生在動態(tài)壓縮機(jī)11的整個工作范圍內(nèi)工作的一組PID動態(tài)特性時，才需要調(diào)整速度控制模塊40。在圖2所示的多重模塊控制器20的一個實(shí)施例中，速度控制模塊40的增益是由增益調(diào)節(jié)器18來調(diào)節(jié)的。
圖6是用來表示在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中用來產(chǎn)生速度控制模塊40的增益值，設(shè)定點(diǎn)以及過程變量的各元件之間內(nèi)部關(guān)系的框圖。如圖6所示，用模塊81執(zhí)行一種過程測量，用來確定壓縮機(jī)11的工作狀態(tài)。在模塊82中使用過程測量的結(jié)果來計(jì)算典型的控制變量(流量)2/壓頭。然后在設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器24中用這一控制變量來產(chǎn)生速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)，它是該控制變量與PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)之差的函數(shù)。速度控制模塊40的過程變量是原始的(流量)2/壓頭過程變量的導(dǎo)數(shù)，并且是在微分模塊22中確定的。為了確定速度控制模塊40的增益，需要在模塊85中確定反沖擊閥門12的流量特性。然后用閥門流量特性和過程測量的結(jié)果來校正反沖擊閥門12的響應(yīng)，這種響應(yīng)是模塊86中的過程狀態(tài)的函數(shù)。系統(tǒng)響應(yīng)的增益常數(shù)是用模塊86的輸出產(chǎn)生的。在模塊88中把增益常數(shù)和校正后的過程響應(yīng)相乘，用來控制速度控制模塊40的增益值。
以下要舉例說明PID控制模塊21和速度控制模塊40之間的相互作用。在本例中假設(shè)輸出信號選擇器25(圖2)僅僅從PID控制模塊21(圖2)和速度控制模塊40(圖2)接收輸入信號，因此，兩個控制模塊21和40的輸出信號中總有一個被選中作為輸出信號選擇器25的輸出信號，用來控制反沖擊閥門12(圖2)的閥門開度。假設(shè)將PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)校正到一百(100.0)。如果控制變量的值小于或是等于100.0,PID控制模塊21就打開反沖擊閥門12(圖2)。如果控制變量大于100.0,PID控制模塊21就關(guān)閉反沖擊閥門12。
另一方面，用速度控制模塊40對控制變量接近PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)的速度進(jìn)行控制。在本例中假設(shè)多重模塊控制器20(圖2)具有(10.0)秒的閉環(huán)響應(yīng)時間。速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)是用以下公式來設(shè)定的SR=(CV-SPID)10.0]]>控制變量的值處在105.0到200.0的范圍之內(nèi)，SR是速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)，SPID是PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)，CV是控制變量。如果控制變量超過了200.0，就把設(shè)定點(diǎn)設(shè)定在最大值10.0，如果控制變量降低到105.0以下，就設(shè)定在最小值0.5。
為了便于說明，在圖6中表示了由多重模塊控制器20來控制的動態(tài)壓縮機(jī)11(圖1)的壓縮機(jī)特性線圖。壓縮機(jī)特性線圖的縱軸表示多變壓頭，橫軸是動態(tài)壓縮機(jī)11的實(shí)際流量。由沖擊線70劃分出沖擊區(qū)域73和穩(wěn)定工作區(qū)域74。在穩(wěn)定工作區(qū)域74中有一條與沖擊線70相隔一個選定的安全余量的沖擊控制線71，它對應(yīng)著PID控制模塊21的選定的設(shè)定點(diǎn)。在本例中假設(shè)與沖擊線70對應(yīng)的控制變量值是90.0。
在圖6的壓縮機(jī)特性線圖中，點(diǎn)A,B,C,D,和E分別對應(yīng)著150.0,140.0,130.0,95.0和100.0的控制變量值。假設(shè)動態(tài)壓縮機(jī)11的初始工作點(diǎn)是點(diǎn)A。在點(diǎn)A上，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)是5.0。假設(shè)工作點(diǎn)以每秒4.0的速度從點(diǎn)A移動到點(diǎn)C。速度控制模塊40最初不會對這種移動作出響應(yīng)，因?yàn)樵撍俣鹊陀谒脑O(shè)定點(diǎn)。然而，一旦工作點(diǎn)越過了點(diǎn)B，控制變量就下降到140.0以下，而速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)則降低到4.0以下。這時，速度控制模塊40就開始工作，并且產(chǎn)生一個打開反沖擊閥門12的輸出信號，因?yàn)樗脑O(shè)定點(diǎn)在此時已經(jīng)低于控制變量的衰減速度。同時，由于控制變量仍然高于PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)，PID控制模塊21產(chǎn)生一個關(guān)閉反沖擊閥門12的輸出信號。在這種情況下，輸出信號選擇器25就選擇速度控制模塊40的輸出信號，并且開始用速度控制模塊40打開反沖擊閥門12，以便對控制變量的衰減速度進(jìn)行控制。顯而易見，由于控制變量和壓縮機(jī)特性線圖上的工作點(diǎn)位置之間存在著對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，對控制變量的變化速度的控制就相當(dāng)于對工作點(diǎn)接近沖擊控制線71或是沖擊線70的速度進(jìn)行控制。
當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)C時，速度控制模塊40的設(shè)定點(diǎn)下降到3.0。如果工作點(diǎn)停留在點(diǎn)C上，控制變量就穩(wěn)定在130.0，而速度控制模塊40就會開始關(guān)閉反沖擊閥門12。然而，如果工作點(diǎn)繼續(xù)從點(diǎn)C移向點(diǎn)D，使控制變量以大于速度控制模塊40設(shè)定點(diǎn)的速度下降，速度控制模塊40就會持續(xù)打開反沖擊閥門12，以便對控制變量的衰減速度進(jìn)行控制。
如果工作點(diǎn)越過了沖擊控制線71上的點(diǎn)E，控制變量就會降到PID控制模塊21的設(shè)定點(diǎn)100.0以下。PID控制模塊21在此時開始工作，并且產(chǎn)生一個打開反沖擊閥門12的輸出信號，以便對控制變量進(jìn)行控制。把PID控制模塊21的輸出信號與速度控制模塊40的輸出信號進(jìn)行比較，選用兩個輸出信號當(dāng)中較大的一個來控制反沖擊閥門12。如果工作點(diǎn)停留在點(diǎn)E上而不是繼續(xù)接近沖擊線70，控制變量的變化速度就會低于速度控制模塊40在點(diǎn)E上的設(shè)定點(diǎn)0.5。速度控制模塊40在此時產(chǎn)生一個關(guān)閉反沖擊閥門12的輸出信號。同時，PID控制模塊21產(chǎn)生一個打開反沖擊閥門12的輸出信號，以便使控制變量移向它的設(shè)定點(diǎn)100.0。在這種情況下是由PID控制模塊21來控制反沖擊閥門12。
反沖擊閥門12的控制在PID控制模塊21和速度控制模塊40之間的切換是根據(jù)控制變量的變化速度，控制變量值，速度控制模塊40和PID控制模塊21的調(diào)節(jié)，以及系統(tǒng)的動態(tài)特性來決定的。如果工作點(diǎn)正在緩慢移動，但是在沖擊控制線71左邊，PID控制模塊21就會獲得對反沖擊閥門12的控制權(quán)。另一方面，如果工作點(diǎn)非?？拷鼪_擊控制線71，但是正在以足夠高的速度向沖擊線70移動，速度控制模塊40就會獲得對反沖擊閥門12的控制權(quán)。
以下要結(jié)合圖7來說明用本發(fā)明來防止動態(tài)壓縮機(jī)11(圖1)受到?jīng)_擊的方法。為了通過控制動態(tài)壓縮機(jī)11的流量來防止沖擊，把一個反沖擊閥門12(圖1)連接到動態(tài)壓縮機(jī)11上。對反沖擊閥門12的閥門開度進(jìn)行控制，在動態(tài)壓縮機(jī)11外圍調(diào)節(jié)旁路的輸出流量，以便增加通過動態(tài)壓縮機(jī)11的流量。為了準(zhǔn)確地控制反沖擊閥門12的開度，需要測量壓縮機(jī)11的流量，壓力和溫度等等過程狀態(tài)(步102)。過程測量的結(jié)果被用來產(chǎn)生一個控制變量，它可以代表壓縮機(jī)11在壓縮機(jī)特性線圖中的工作點(diǎn)(步103)。
在步105根據(jù)控制變量103來執(zhí)行閉環(huán)PID控制。該步中有一個用104表示的設(shè)定點(diǎn)，它決定了對過程變量進(jìn)行控制的那個點(diǎn)。按照本發(fā)明的最佳實(shí)施方案，設(shè)定點(diǎn)104就是沖擊控制線71(圖5)，在步105中，在主要沖擊控制線71和沖擊線70(圖5)之間的區(qū)域內(nèi)對反沖擊閥門12進(jìn)行控制。在此時采用PID控制功能來產(chǎn)生第一輸出信號(步106)，用來控制反沖擊閥門12的輸出。
為了避免發(fā)生沖擊，需要監(jiān)視工作點(diǎn)向沖擊線的接近速度(步107)。最好是把步105中用于控制工作的同一個過程輸入信號作為步107的輸入，并且用步107直接產(chǎn)生這一過程信號的時間導(dǎo)數(shù)。用這一時間導(dǎo)數(shù)來指示壓縮機(jī)工作點(diǎn)向沖擊線70或是沖擊控制線71的接近速度。
按照本發(fā)明的指導(dǎo)，可以通過對接近速度執(zhí)行第二閉環(huán)PID操作來直接控制這種接近速度(步108)。步108的PID也有一個用108’來表示的設(shè)定點(diǎn)，用它和作為過程變量的速度信號共同產(chǎn)生一個誤差信號，并且通過步108的PID來產(chǎn)生一個能夠控制反沖擊閥門12的輸出信號。按照最簡單的方式，設(shè)定點(diǎn)108’是一個固定值，它代表了工作點(diǎn)向沖擊控制線接近的最大允許速度。或者是可以采用圖2的設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)模塊24。
在步108中采用了PID控制和上述的積分器的組合，用來產(chǎn)生一個能夠把設(shè)定點(diǎn)與過程變量之間的誤差減少到零的輸出信號。該輸出信號代表了流率控制PID所要求的反沖擊閥門開度，用方框109來表示輸出信號的產(chǎn)生。然后在第一和第二輸出信號之間進(jìn)行選擇(步110)，并且選用對應(yīng)著反沖擊閥門12的較大開度的輸出信號來控制反沖擊閥門12的閥門開度(步111)。因此，如果選中了第一輸出信號，就用步105的第一PID操作來控制反沖擊閥門12，對控制變量進(jìn)行控制。另一方面，在工作點(diǎn)向沖擊控制線71高速接近的情況下，步108的第二PID就會產(chǎn)生大于第一PID控制的輸出信號。在這種情況下，第二PID操作就接管反沖擊閥門12的控制工作，并且打開閥門以便控制接近速度。
本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為了解釋和說明。其目的并不是把本發(fā)明限制在具體說明的范圍。按照上述指導(dǎo)還可以實(shí)現(xiàn)顯而易見的變更或修改。上文中選用的實(shí)施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)用價值，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員在特定的場合適當(dāng)?shù)夭捎帽景l(fā)明的各種實(shí)施例及其修改形式。按照公平，合法和合理的原則，所有的此類修改和變更都處在附加的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種控制系統(tǒng)，用于避免動態(tài)壓縮機(jī)中的沖擊，壓縮機(jī)在一個壓縮機(jī)特性線圖中具有一個可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括一個穩(wěn)定區(qū)域，一個沖擊區(qū)域，把兩個區(qū)域分開的一條沖擊線，以及在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)靠近但是離開沖擊線的一條沖擊控制線，該控制系統(tǒng)包括以下組合連接到壓縮機(jī)的一個選擇響應(yīng)反沖擊閥門，用于可控制地增加壓縮機(jī)流量；一個多重模塊控制器，用于接收代表壓縮機(jī)工作點(diǎn)的一個控制變量，并且產(chǎn)生一個用來控制反沖擊閥門的控制信號；多重模塊控制器包括一個PID控制模塊，用來響應(yīng)控制變量而產(chǎn)生一個第一輸出信號，對處在沖擊控制線和沖擊線之間的壓縮機(jī)工作點(diǎn)施加控制作用；一個閉環(huán)速度控制模塊，它響應(yīng)一個代表工作點(diǎn)向沖擊控制線的接近速度的信號，產(chǎn)生一個對壓縮機(jī)工作點(diǎn)施加控制作用的第二輸出信號，用于限制其接近速度；以及一個輸出信號選擇器，用于有選擇地將第一或第二輸出信號作為控制信號連接到反沖擊閥門。
2．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是多重模塊控制器包括一個響應(yīng)控制變量的微分模塊，用于產(chǎn)生一個代表工作點(diǎn)向沖擊控制線的接近速度的速度信號，以及把速度信號連接到速度控制模塊的裝置。
3．如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征是PID控制模塊是一個閉環(huán)控制器，它把控制變量作為其過程輸入，并且具有一個對應(yīng)著沖擊控制線的設(shè)定點(diǎn)。
4．如權(quán)利要求3所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊包括一個閉環(huán)PID控制器，它把速度信號作為其過程輸入，并且具有一個對應(yīng)著工作點(diǎn)向沖擊控制線接近的最大允許速度的設(shè)定點(diǎn)。
5．如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊具有一個輔助積分器，用來根據(jù)零流率誤差來可控制地增加輸出，促使過程輸入和設(shè)定點(diǎn)之間的流率誤差信號變成零。
6．如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊的積分器包括一個處在閉環(huán)PID控制器的反饋路徑中的微分算子。
7．如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征是輸出信號選擇器包括一個連接到PID控制模塊和速度控制模塊的高信號選擇器，并且把要求反沖擊閥門最大開度的輸出信號作為控制信號提供給反沖擊閥門。
8．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊具有一個設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器，用于按照控制變量與PID控制模塊的設(shè)定點(diǎn)的接近程度來調(diào)節(jié)速度控制模塊的設(shè)定點(diǎn)。
9．如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征是，當(dāng)控制變量與PID控制模塊的設(shè)定點(diǎn)之間的差縮小時，設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器就降低速度控制模塊的設(shè)定點(diǎn)。
10．如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征是，當(dāng)控制變量與PID模塊的設(shè)定點(diǎn)之間的差小于一個預(yù)定值時，設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器就產(chǎn)生一個非零的最小值。
11．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是第一和第二輸出信號各自對應(yīng)著反沖擊閥門的一種閥門開度，而上述的輸出信號選擇器是一個高信號選擇器，用于選擇對應(yīng)著最大閥門開度的輸出信號。
12．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是PID控制模塊和速度控制模塊各自具有一條從輸出信號選擇器接收控制信號的輸出跟蹤線，以及一條用來指示由上述的哪個模塊來控制反沖擊閥門的跟蹤控制線，用沒有控制反沖擊閥門的那個模塊來跟蹤控制信號。
13．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊具有一個增益調(diào)節(jié)器，根據(jù)動態(tài)壓縮機(jī)的過程狀態(tài)來調(diào)節(jié)速度控制模塊的增益。
14．一種控制系統(tǒng)，用于避免動態(tài)壓縮機(jī)中的沖擊，壓縮機(jī)在一個壓縮機(jī)特性線圖中具有一個可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括一個穩(wěn)定區(qū)域，一個沖擊區(qū)域，分開上述區(qū)域的一條沖擊線，以及在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)靠近但是離開沖擊線的一條沖擊控制線，該控制系統(tǒng)包括以下組合連接到壓縮機(jī)上并且響應(yīng)一個電控制信號的一個反沖擊閥門，用于可控制地增加壓縮機(jī)流量；一個多重模塊控制器，用于響應(yīng)代表壓縮機(jī)工作點(diǎn)的一個控制變量，用來產(chǎn)生上述控制信號；多重模塊控制器包括響應(yīng)上述控制變量的一個閉環(huán)PID控制模塊，當(dāng)上述工作點(diǎn)處在沖擊控制線和沖擊線之間時，對壓縮機(jī)的工作點(diǎn)施加控制作用；一個閉環(huán)速度控制模塊，它響應(yīng)一個代表工作點(diǎn)向沖擊控制線的接近速度的信號，當(dāng)這一接近速度超過了給定量時，就對壓縮機(jī)特性線圖中處在任何位置的壓縮機(jī)工作點(diǎn)施加控制作用；以及一個選擇裝置，用來在PID控制模塊和速度控制模塊之間傳遞反沖擊閥門的控制工作。
15．如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征是上述選擇裝置包括一個連接到PID和速度控制模塊的高信號選擇器，把要求反沖擊閥門最大開度的那個模塊的輸出作為控制信號輸出。
16．如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊是一個PID控制器，它具有一個響應(yīng)工作點(diǎn)向沖擊控制線的接近速度的過程輸入，以及一個對應(yīng)著允許的最大接近速度的設(shè)定點(diǎn)。
17．如權(quán)利要求16所述的控制系統(tǒng)，其特征是包括一個設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)器，用來建立速度控制模塊的設(shè)定點(diǎn)，并且按照壓縮機(jī)的工作點(diǎn)與沖擊控制線之間的距離來改變允許的最大接近速度。
18．如權(quán)利要求16所述的控制系統(tǒng)，其特征是速度控制模塊的PID控制器被修改以包括一個對接近過程輸入的速度積分的積分項(xiàng)，以便用流率控制器把過程輸入和設(shè)定點(diǎn)之間確定的速度誤差信號減少到零。
19．在動態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊的一種方法，動態(tài)壓縮機(jī)在一個壓縮機(jī)特性線圖中具有一個可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括由一條沖擊線分開的沖擊區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域，以及在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)離開沖擊線的一條沖擊控制線，該方法包括以下步驟提供一個開度可以調(diào)節(jié)的反沖擊閥門，用來增加通過動態(tài)壓縮機(jī)的流量；檢測動態(tài)壓縮機(jī)的過程狀態(tài)，產(chǎn)生一個代表動態(tài)壓縮機(jī)工作點(diǎn)的控制變量；操作第一閉環(huán)PID，產(chǎn)生用來控制反沖擊閥門的第一輸出信號，在沖擊控制線周圍控制上述工作點(diǎn)；監(jiān)視工作點(diǎn)向沖擊控制線的接近速度；操作第二閉環(huán)PID，產(chǎn)生用來控制反沖擊閥門的第二輸出信號，用來控制接近速度；在第一和第二輸出信號當(dāng)中選擇一個控制信號；以及按照該控制信號來調(diào)節(jié)反沖擊閥門的開度。
20．按照權(quán)利要求19的方法，其特征是還包括按照控制變量和沖擊控制線之間的差來調(diào)節(jié)第二閉環(huán)PID的設(shè)定點(diǎn)。
21．按照權(quán)利要求20的方法，其特征是，調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)的步驟在控制變量和沖擊控制線之間的差縮小時就降低第二閉環(huán)PID的設(shè)定點(diǎn)。
22．按照權(quán)利要求19的方法，其特征是還包括按照動態(tài)壓縮機(jī)的過程狀態(tài)對第二閉環(huán)PID的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟。
23．按照權(quán)利要求19的方法，其特征是在選擇輸出信號的步驟中選擇第一和第二輸出信號中較大的一個。
24．按照權(quán)利要求19的方法，其特征是操作第二閉環(huán)PID的步驟還包括在PID過程中確定一個積分值，用來實(shí)現(xiàn)零誤差。
25．按照權(quán)利要求19的方法，其特征是在上述選擇步驟中確定一個有效的PID，把它的輸出信號作為控制信號，并且確定一個無效的PID，它的輸出信號沒有被選中，并且還包括一個跟蹤步驟，跟蹤沒有被選中的PID，使它的輸出信號與控制相適應(yīng)，以便在PID之間進(jìn)行傳遞。
26．在動態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊的一種方法，動態(tài)壓縮機(jī)在一個壓縮機(jī)特性線圖中具有一個可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括由一條沖擊線分開的沖擊區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域，以及在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)離開沖擊線的一條沖擊控制線，該方法包括以下步驟提供一個開度可以調(diào)節(jié)的反沖擊閥門，用來增加通過動態(tài)壓縮機(jī)的流量；檢測動態(tài)壓縮機(jī)的過程狀態(tài)，產(chǎn)生一個代表動態(tài)壓縮機(jī)工作點(diǎn)的控制變量；用上述控制變量作為一個過程變量，把沖擊控制線作為一個設(shè)定點(diǎn)，對反沖擊閥門執(zhí)行一種閉環(huán)PID控制；監(jiān)視上述工作點(diǎn)朝著沖擊控制線的接近速度；在高速接近的情況下把接近速度作為一個控制變量，通過執(zhí)行一種閉環(huán)PID控制來控制反沖擊閥門。
27．按照權(quán)利要求26的方法，其特征是，對速度執(zhí)行閉環(huán)PID控制的步驟中還包括結(jié)合著PID的操作執(zhí)行一種積分操作，從而實(shí)現(xiàn)零誤差。
全文摘要
本供動態(tài)壓縮機(jī)(11)使用的一種防沖擊控制系統(tǒng)具有一個多重模塊控制器(20),用來操作一個在動態(tài)壓縮機(jī)(11)外圍使氣流旁路的反沖擊閥門(12)。多重模塊控制器(20)包括一個PID控制模塊(21)和一個速度控制模塊(40)。PID控制模塊(21)控制反沖擊閥門(12),以便在沖擊控制線(71)附近控制動態(tài)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)。速度控制模塊(40)把工作點(diǎn)到?jīng)_擊控制線(71)的接近速度作為其可調(diào)變量。如果接近速度很高,速度控制模塊(40)就接管反沖擊閥門(12)的控制工作。對速度控制模塊(40)打開反沖擊閥門(12)的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而控制沖擊控制線(71)的接近速度,盡量減少PID控制的過調(diào)量。
文檔編號G05B23/02GK1212051SQ97192525
公開日1999年3月24日 申請日期1997年1月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月2日
發(fā)明者L·D·麥萊斯特 申請人:伍德沃德調(diào)控器公司