專利名稱：在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊復(fù)發(fā)的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到用來(lái)控制動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)操作的控制系統(tǒng)，特別是涉及到在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊的控制系統(tǒng)和方法。
動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中被廣泛地用于提供壓縮氣體。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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(huì)造成下游工序間斷的必然影響之外，沖擊還會(huì)給動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)帶來(lái)災(zāi)難性的后果，在壓縮機(jī)內(nèi)產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)噪聲和劇烈的振動(dòng)，在嚴(yán)重的情況下會(huì)給動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的損害。
在低于門限流率時(shí)，動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)就會(huì)出現(xiàn)沖擊，這種門限是跨越動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)的壓力差的函數(shù)。沖擊狀態(tài)通常是用一種壓縮機(jī)分布圖來(lái)表示的，這種圖采用實(shí)際流量和多變壓頭的關(guān)系來(lái)反映壓縮機(jī)的操作。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果壓縮機(jī)在壓縮機(jī)分布圖中的工作點(diǎn)落入由一條沖擊線所界定的沖擊區(qū)域之內(nèi)，就會(huì)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(gè)常數(shù)。
通常用來(lái)防止動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)出現(xiàn)沖擊或是使動(dòng)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(gè)反沖擊閥門，使動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)的一部分輸出氣流返回到壓縮機(jī)入口。通常是用反沖擊閥門把壓縮機(jī)的輸出流量旁路到輸入端?；蛘咧苯佑梅礇_擊閥門來(lái)衰減輸出。在本文中將這兩種情況統(tǒng)稱為旁路。通過(guò)增加旁路來(lái)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。
為了有效地操作反沖擊閥門，防止動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)的沖擊，并且在發(fā)生沖擊時(shí)使壓縮機(jī)脫離沖擊，有人制定了一種根據(jù)動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)控制反沖擊閥門開度的控制策略?？偟膩?lái)說(shuō)，目前所采用的閥門開度控制策略是一種閉環(huán)控制過(guò)程，或者是閉環(huán)控制過(guò)程和開環(huán)控制過(guò)程的一種組合。閉環(huán)控制過(guò)程的作用是以連續(xù)的閉環(huán)方式來(lái)控制反沖擊閥門，在壓縮機(jī)的工作點(diǎn)不正常地靠近沖擊線時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的流量。典型的閉環(huán)控制過(guò)程是一種比例-積分-微分(PID)控制過(guò)程，它是按照對(duì)應(yīng)著壓縮機(jī)工作點(diǎn)位置的控制變量來(lái)工作的，并且在壓縮機(jī)分布圖的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)有一個(gè)對(duì)應(yīng)著一條沖擊控制線的設(shè)定點(diǎn)。
開環(huán)控制過(guò)程的作用是在閉環(huán)控制無(wú)法避免沖擊的情況下執(zhí)行接管或是輔助工作。如果超過(guò)了一個(gè)沖擊預(yù)備點(diǎn)，開環(huán)控制過(guò)程就接管反沖擊閥門的控制，并且迅速地將其開到足夠的寬度，盡可能地避免發(fā)生沖擊，或是在沖擊已經(jīng)發(fā)生的情況下使壓縮機(jī)脫離沖擊。當(dāng)工作點(diǎn)回到安全的工作區(qū)域內(nèi)之后，開環(huán)控制過(guò)程就開始用固定的速度或是可變的速度關(guān)閉反沖擊閥門，并且在某一時(shí)間點(diǎn)上將反沖擊閥門的控制權(quán)還給閉環(huán)控制過(guò)程。
對(duì)于目前所采用的閥門控制策略來(lái)說(shuō)，沖擊控制系統(tǒng)在許多情況下無(wú)法防止發(fā)生沖擊。這種失敗是多種原因造成的。失敗可能是由于采取了錯(cuò)誤的步驟假設(shè)造成的，例如對(duì)過(guò)程干擾的動(dòng)態(tài)控制緩慢，不準(zhǔn)確的計(jì)算，不準(zhǔn)確的過(guò)程測(cè)量或是傳感器的故障，輸入故障，不精確的信號(hào)標(biāo)度，或是壓縮機(jī)性能的變化等等。這些問(wèn)題會(huì)直接影響到閉環(huán)控制過(guò)程的性能，因?yàn)樵谶@種過(guò)程中使用的過(guò)程變量通常是根據(jù)壓縮機(jī)過(guò)程狀態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的。因此，在采用閉環(huán)的防沖擊對(duì)策時(shí)，即使是經(jīng)過(guò)精心的策劃，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的控制仍然不能提供足夠精確的控制，并且有可能無(wú)法防止沖擊。
為了解決閉環(huán)控制中不能精確控制的問(wèn)題，有一種建議的方法是在每次沖擊事件復(fù)發(fā)之后移動(dòng)閉環(huán)控制過(guò)程的控制設(shè)定點(diǎn)。這種方法的設(shè)想是，如果對(duì)應(yīng)著新的設(shè)定點(diǎn)的沖擊控制線與沖擊區(qū)域有足夠遠(yuǎn)的距離，就可以提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，防止壓縮機(jī)再次發(fā)生沖擊。然而，如果再次發(fā)生沖擊事件，就要再次把設(shè)定點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)推測(cè)的安全位置。這種推測(cè)過(guò)程一直持續(xù)到把閉環(huán)控制的設(shè)定點(diǎn)移動(dòng)到足以補(bǔ)償先前的控制系統(tǒng)故障的距離為止，以便用這種閉環(huán)控制策略對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的控制。
然而，這種防止沖擊復(fù)發(fā)的方法在許多情況下是不起作用的。如果早先的沖擊是由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢造成的，通過(guò)移動(dòng)閉環(huán)控制設(shè)定點(diǎn)就可以提供足夠的安全余量，以免沖擊復(fù)發(fā)。另一方面，如果早先的沖擊是由于過(guò)程測(cè)量或是變量計(jì)算的錯(cuò)誤造成的，即使是采取閉環(huán)控制策略，沖擊仍然會(huì)復(fù)發(fā)。到目前為止，如果在測(cè)量，控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，或是過(guò)程變量的計(jì)算中存在系統(tǒng)誤差，還沒(méi)有一種有效的控制系統(tǒng)能夠防止沖擊復(fù)發(fā)。
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的是為動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)提供一種改進(jìn)的控制系統(tǒng)，用來(lái)有效地防止沖擊事件復(fù)發(fā)。
為此，本發(fā)明的目的是為動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)提供一種防沖擊控制系統(tǒng)，即使是在測(cè)量，控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，或是過(guò)程變量的計(jì)算中存在系統(tǒng)誤差，仍然可以防止沖擊事件復(fù)發(fā)。
本發(fā)明的一個(gè)相關(guān)目的是提供一種防沖擊控制系統(tǒng)，采用根據(jù)過(guò)去的沖擊事件獲得的信息來(lái)調(diào)節(jié)控制過(guò)程，從而有效地防止未來(lái)的沖擊事件。
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(dòng)態(tài)壓縮機(jī)中的沖擊復(fù)發(fā)。由控制系統(tǒng)控制一個(gè)連接到動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)輸出端用于旁路壓縮機(jī)流量的反沖擊閥門。該控制系統(tǒng)包括一個(gè)沖擊控制器，它根據(jù)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)從一個(gè)最小位置開始控制反沖擊閥門的開度，阻止工作點(diǎn)移動(dòng)到?jīng)_擊區(qū)域內(nèi)。沖擊控制器被有效地連接到一個(gè)沖擊限制存儲(chǔ)器，把最小位置限制在存儲(chǔ)的低限值。用一個(gè)沖擊檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)沖擊事件的開始，并且和用于存儲(chǔ)低限的沖擊限制存儲(chǔ)器協(xié)同工作，上述低限對(duì)應(yīng)著沖擊事件開始時(shí)的閥門開度。這種低限是按照防止沖擊復(fù)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)定的。在最佳的實(shí)施例中，把低限設(shè)定在比沖擊開始時(shí)的閥門開度高出一個(gè)很小增量的值，這樣設(shè)定的低限就可以防止沖擊事件復(fù)發(fā)。
本發(fā)明的特征在于沖擊控制器的最小反沖擊閥門位置是零，但是在發(fā)生沖擊事件時(shí)把最小值增加到可以防止沖擊事件復(fù)發(fā)的水平。
也就是說(shuō)，本發(fā)明的特征是修改沖擊控制器的輸出，但是不修改沖擊控制線，其做法是直接設(shè)定一個(gè)閥門位置的低限，防止PID控制器在關(guān)閉閥門時(shí)超過(guò)這一低限。
通過(guò)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明可以認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中

圖1是一個(gè)方框圖，表示一個(gè)具有反沖擊閥門的動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)，該閥門是由一個(gè)體現(xiàn)本發(fā)明的控制器來(lái)控制的；
圖2表示一個(gè)控制器的方框圖，它具有一個(gè)用于設(shè)定最小閥門開度的模塊；圖3是一個(gè)方框圖，表示圖2的多重模塊控制器的一個(gè)實(shí)施例；圖4是一個(gè)方框圖，表示沖擊限制存儲(chǔ)器的一個(gè)實(shí)施例；以及圖5表示動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)的一種壓縮機(jī)分布圖，圖中表示了壓縮機(jī)工作點(diǎn)在壓縮機(jī)分布圖中的不同位置。
本發(fā)明可以采用各種修改和變更的結(jié)構(gòu)，在附圖和下文中具體說(shuō)明的只是一些示意性的實(shí)施例。然而應(yīng)該指出，其用意并不是要把本發(fā)明限制在具體說(shuō)明的形式，與此相反，這種說(shuō)明的目的是要概括屬于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，并且由附加的權(quán)利要求書所限定的所有修改和變更的結(jié)構(gòu)以及等效物。
參見(jiàn)附圖，圖1是一個(gè)方框圖，圖中表示了連接到一個(gè)體現(xiàn)本發(fā)明的防沖擊控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11。防沖擊控制系統(tǒng)利用一個(gè)連接在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11輸出端的反沖擊閥門12來(lái)控制通過(guò)動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的流量。反沖擊閥門12的開度是可以調(diào)節(jié)的，可以用提供給反沖擊閥門12的控制輸入端112的一個(gè)電信號(hào)來(lái)控制其開度。當(dāng)反沖擊閥門12被打開時(shí)，動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的一部分輸出圍繞著壓縮機(jī)11被旁路。圍繞著動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的旁路流量增加了通過(guò)動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的總流量，這樣就能起到使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域的效果。顯而易見(jiàn)，也可以通過(guò)用反沖擊閥門12直接衰減動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的一部分輸出來(lái)增加動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的流量，用這種方法代替圖1中所示的從出口到入口的氣體循環(huán)。除非有其他具體的說(shuō)明，本文中使用的術(shù)語(yǔ)“旁路”概括了上述最佳的循環(huán)方式和較好的衰減方式。
為了在壓縮機(jī)11中有效地防止沖擊的同時(shí)盡量減少對(duì)接收壓縮氣體的下游工序14造成的干擾，反沖擊閥門12的時(shí)序，持續(xù)時(shí)間及其開度需要受到精確的控制。如圖1所示，閥門的打開是由控制器20來(lái)控制的，它可以按照壓縮機(jī)11的過(guò)程狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)閥門的開度。
按照本發(fā)明的提示，控制器20的結(jié)構(gòu)可以把反沖擊閥門12的閥門開度控制在完全打開和最小閥門開度之間，從而防止動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的沖擊。在下文中將要具體地說(shuō)明，反沖擊閥門12的最小閥門開度是按照最后一次沖擊事件開始時(shí)的閥門開度來(lái)產(chǎn)生的。換句話說(shuō)就是在沖擊事件發(fā)生之后對(duì)反沖擊閥門12的有效操作范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它的開度決不會(huì)降落到最小開度以下。最好是把最小閥門開度設(shè)定在稍微大于沖擊事件開始時(shí)的閥門開度。
具體地說(shuō)，氣體從壓縮機(jī)入口被吸入壓縮機(jī)11，并且向下游工序14提供壓縮的氣體。為了監(jiān)視壓縮機(jī)11的狀態(tài)而安裝了多個(gè)傳感器，用來(lái)檢測(cè)壓縮機(jī)11的入口和出口狀態(tài)。如圖1所示，這些傳感器通常包括入口溫度傳感器91，入口壓力傳感器92，流量傳感器93，排氣壓力傳感器94，排氣溫度傳感器95，有時(shí)還包括圖中沒(méi)有表示的其他類型的傳感器。傳感器的輸出信號(hào)被傳送給用來(lái)處理這些輸出信號(hào)的過(guò)程測(cè)量模塊15，從中確定壓縮機(jī)11的工作狀態(tài)。過(guò)程測(cè)量模塊15的輸出被連接到過(guò)程變量計(jì)算器16，用來(lái)計(jì)算一或多個(gè)過(guò)程變量，控制器20用這些控制變量來(lái)產(chǎn)生一個(gè)輸出控制信號(hào)。閥門位置控制器17用這一輸出控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)反沖擊閥門12的閥門開度。
在圖2中表示了控制器20的示意性框圖。控制器20主要包括一個(gè)沖擊控制器30，用來(lái)把反沖擊閥門12的閥門開度控制在完全打開和最小閥門開度之間?？刂破?0平時(shí)把反沖擊閥門12保持在一個(gè)最小位置，最好是完全關(guān)閉。如果壓縮機(jī)的工作點(diǎn)接近一種沖擊狀態(tài)，沖擊控制器30包括在反沖擊循環(huán)中打開反沖擊閥門的模塊。典型的反沖擊控制器30可以具有一種靜止?fàn)顟B(tài)，在這種狀態(tài)下把反沖擊閥門12保持在最小位置，以及一種反沖擊模式，在這種模式下周期性地打開反沖擊閥門12，阻止工作點(diǎn)進(jìn)入沖擊區(qū)域，然后再回到最小位置。
然而，如上所述，壓縮機(jī)11有時(shí)仍會(huì)進(jìn)入沖擊區(qū)域并且受到?jīng)_擊。為了防止壓縮機(jī)11進(jìn)入反復(fù)沖擊的循環(huán)，用一個(gè)低限控制模塊按照最后一次沖擊開始時(shí)的閥門開度來(lái)設(shè)定最小的閥門開度。為此需要用一個(gè)沖擊檢測(cè)器22來(lái)監(jiān)視動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的過(guò)程狀態(tài)，從中檢測(cè)出沖擊事件的開始。在檢測(cè)到?jīng)_擊事件的開始時(shí)，沖擊檢測(cè)器22就產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)，觸發(fā)模塊40，按照檢測(cè)到的沖擊事件開始時(shí)的閥門開度產(chǎn)生一個(gè)新的最小閥門開度。當(dāng)動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11脫離了沖擊狀態(tài)時(shí)，控制模塊30把反沖擊閥門12持續(xù)控制在完全打開和新的最小閥門開度之間，從而防止再發(fā)生沖擊事件。
顯而易見(jiàn)，如果能防止反沖擊閥門12的閥門開度下降到適當(dāng)設(shè)定的最小開度以下，就可以有效地停止沖擊事件的循環(huán)。在現(xiàn)有技術(shù)中的閉環(huán)反沖擊策略是通過(guò)移動(dòng)閉環(huán)控制的工作點(diǎn)來(lái)響應(yīng)沖擊事件的，其目的是防止未來(lái)的沖擊事件。如果計(jì)算要求閥門關(guān)閉，閉環(huán)控制過(guò)程就會(huì)使反沖擊閥門12在可能發(fā)生另一次沖擊的點(diǎn)上關(guān)閉，如果是這樣，沖擊事件的循環(huán)就會(huì)不斷地重復(fù)。無(wú)論設(shè)定點(diǎn)怎樣變化，都會(huì)發(fā)生這種情況。按照本發(fā)明的指導(dǎo)，不允許反沖擊閥門12在最后一次沖擊事件的開始點(diǎn)上關(guān)閉，這樣就能停止沖擊事件的循環(huán)。由于本發(fā)明的新式控制方案與閉環(huán)操作無(wú)關(guān)，即使是所用的閉環(huán)控制策略存在著由于過(guò)程測(cè)量誤差，計(jì)算錯(cuò)誤，錯(cuò)誤的過(guò)程前提，錯(cuò)誤的閉環(huán)控制策略或是緩慢的動(dòng)態(tài)控制特性造成的系統(tǒng)誤差，仍然可以防止沖擊。
為了有效地防止沖擊復(fù)發(fā)，重點(diǎn)在于準(zhǔn)確地設(shè)定反沖擊閥門12的最小打開位置。如上文所述，允許閥門回到關(guān)閉位置或是采用固定的最小位置都是無(wú)效的，因?yàn)闆_擊現(xiàn)象本身已經(jīng)說(shuō)明了閉環(huán)控制器在這種情況下不能有效地避免沖擊。另外，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果把最小閥門開度設(shè)定在最后一次沖擊開始時(shí)的閥門開度，在多數(shù)情況下仍然不能有效地阻止進(jìn)一步的沖擊循環(huán)，特別是在這種沖擊與控制過(guò)程中的系統(tǒng)誤差有關(guān)的情況下。按照本發(fā)明，把最小閥門開度設(shè)定在比最后一次沖擊開始時(shí)的閥門開度多出一個(gè)小的增量，這樣就能有效地防止沖擊復(fù)發(fā)。能夠防止沖擊事件復(fù)發(fā)的這種增量的幅值主要取決于閥門的特性，壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以及延遲時(shí)間等等的系統(tǒng)控制響應(yīng)特性。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的增量還取決于這種沖擊對(duì)壓縮機(jī)11的實(shí)際影響。如果兩次連續(xù)的沖擊就會(huì)對(duì)壓縮機(jī)11或是下游工序14(圖1)造成嚴(yán)重的破壞，閥門增量就應(yīng)該設(shè)定得很大，防止發(fā)生第二次沖擊。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種能夠提供滿意結(jié)果的方案，那就是可以把閥門開度的增量設(shè)定在閥門開度的一個(gè)固定量。這種固定量最好處在總閥門開度的5％到10％之間。當(dāng)然，在沒(méi)有脫離本發(fā)明的范圍和精神的條件下也可以采用其他方式在沖擊開始時(shí)的閥門開度范圍內(nèi)設(shè)定最小閥門開度的增量，例如采用一個(gè)變量的百分?jǐn)?shù)，或是采用固定的Δ增量。
圖3表示了控制器20的一個(gè)實(shí)施例，它采用了高信號(hào)選擇器來(lái)防止反沖擊閥門12的閥門開度下降到最小閥門開度以下。高信號(hào)選擇器36被用來(lái)保證控制器20的輸出信號(hào)總是對(duì)應(yīng)著一定的閥門開度，這一閥門開度大于或是等于由低限控制模塊40設(shè)定的最小閥門開度。
如圖3所示，高信號(hào)選擇器36被連接到低限控制模塊40，用來(lái)接收對(duì)應(yīng)著最小閥門開度的低限閥門開度信號(hào)。高信號(hào)選擇器36還被連接到其它模塊，它們產(chǎn)生的控制信號(hào)分別對(duì)應(yīng)著一種閥門開度。例如，圖3中表示了一個(gè)閉環(huán)PID模塊32和一個(gè)開環(huán)控制模塊34，它們分別產(chǎn)生一個(gè)PID控制信號(hào)和一個(gè)開環(huán)控制信號(hào)。顯而易見(jiàn)，采取類似或是不同的控制策略的其他控制模塊也可以連接到高信號(hào)選擇器36上。用高信號(hào)選擇器36接收包括低限閥門開度信號(hào)在內(nèi)的多個(gè)輸入控制信號(hào)，并且選擇對(duì)應(yīng)著最大閥門開度的輸入控制信號(hào)作為其輸出控制信號(hào)來(lái)控制反沖擊閥門12。按照這種方式，低限控制模塊40就可以設(shè)定對(duì)應(yīng)著一定閥門開度的輸出控制信號(hào)，這種閥門開度至少和最小閥門開度一樣大。換句話說(shuō)，如果其他控制器要求的閥門開度小于這一低限，這種低限就可以壓倒包括PID在內(nèi)的其他控制器。
具體地說(shuō)，在本實(shí)施例中，當(dāng)動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)靠近沖擊線時(shí)，沖擊控制器30就采用一個(gè)閉環(huán)PID模塊來(lái)控制其工作點(diǎn)。PID控制模塊32的過(guò)程變量最好是一個(gè)控制變量，它的定義是控制變量=(實(shí)際流量)2/多變壓頭按照這種定義，每個(gè)控制變量值對(duì)應(yīng)著壓縮機(jī)特性線圖中的一條拋物線，另外，PID模塊32的設(shè)定點(diǎn)在壓縮機(jī)特性線圖中確定了一條沖擊控制線，它的位置通常處在壓縮機(jī)特性線圖的穩(wěn)定區(qū)域中。簡(jiǎn)略地，說(shuō)一說(shuō)圖5，在圖5中表示了一種典型的壓縮機(jī)特性線圖。有一條沖擊線70把穩(wěn)定工作區(qū)域73和沖擊區(qū)域74分開。沖擊控制線71處在穩(wěn)定工作區(qū)域73內(nèi)，并且與沖擊線70稍微離開一定距離。沖擊控制線71通常被用作沖擊控制模塊的設(shè)定點(diǎn)，其作用是在工作點(diǎn)可能進(jìn)入沖擊控制線71和沖擊線70之間的區(qū)域時(shí)把工作點(diǎn)控制在沖擊控制線71上。
參見(jiàn)圖3，在本實(shí)施例中，控制變量計(jì)算器116使用過(guò)程測(cè)量模塊15產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算控制變量。用PID模塊32的比例，積分，和微分項(xiàng)對(duì)控制變量進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)用來(lái)控制反沖擊閥門12的開度的PID控制信號(hào)。當(dāng)工作點(diǎn)落入沖擊線70和沖擊控制線71之間的區(qū)域時(shí)，PID模塊32就打開反沖擊閥門12，阻止工作點(diǎn)繼續(xù)靠近沖擊線70。這種PID模塊的典型結(jié)構(gòu)是這樣的，當(dāng)工作點(diǎn)處在壓縮機(jī)特性線圖的穩(wěn)定工作區(qū)域73內(nèi)時(shí)，PID模塊32就產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉反沖擊閥門12的PID控制信號(hào)。然而，由于高信號(hào)選擇器36的動(dòng)作，它不會(huì)選用這種PID控制信號(hào)來(lái)控制反沖擊閥門12的開度，因?yàn)樵撔盘?hào)對(duì)應(yīng)的閥門開度小于最小的閥門開度。
考慮到控制性能的穩(wěn)定性，閉環(huán)PID模塊32通常不具備足夠快的響應(yīng)來(lái)阻止迅速發(fā)生的沖擊事件復(fù)發(fā)。在本實(shí)施例中，用一個(gè)開環(huán)控制模塊34來(lái)承擔(dān)控制工作，防止即將來(lái)臨的沖擊，或是在沖擊不可避免的情況下使壓縮機(jī)11脫離沖擊。用開環(huán)控制模塊來(lái)接管反沖擊閥門12的控制，產(chǎn)生一個(gè)開環(huán)控制信號(hào)，用來(lái)迅速打開反沖擊閥門12。高信號(hào)選擇器36將會(huì)選擇這一輸出。在沖擊事件結(jié)束之后，開環(huán)控制模塊34就會(huì)開始關(guān)閉反沖擊閥門12。與PID模塊32的情況類似，高信號(hào)選擇器36將會(huì)阻止開環(huán)控制模塊34把反沖擊閥門12關(guān)閉到小于最小閥門開度的閥門開度。
沖擊檢測(cè)器22根據(jù)過(guò)程測(cè)量模塊15測(cè)量到的過(guò)程狀態(tài)檢測(cè)出沖擊事件的開始。例如，通過(guò)監(jiān)視壓縮機(jī)11的速度，入口壓力或出口壓力的變化率，以及流量等等就可以確定沖擊事件開始的時(shí)間。一旦檢測(cè)到?jīng)_擊事件的開始，沖擊檢測(cè)器22就向低限控制模塊40發(fā)送一個(gè)沖擊信號(hào)。沖擊信號(hào)觸發(fā)低限控制模塊40，產(chǎn)生和存儲(chǔ)一個(gè)新的最小閥門開度信號(hào)，它是根據(jù)沖擊事件開始時(shí)的閥門位置來(lái)確定的。
圖4表示了低限控制模塊40的一個(gè)實(shí)施例。在本實(shí)施例中，低限信號(hào)被存儲(chǔ)在沖擊限制存儲(chǔ)器46中。模塊40監(jiān)視高信號(hào)選擇器36的輸出控制信號(hào)，由此檢測(cè)出沖擊開始時(shí)的閥門開度。這樣就需要把輸出控制信號(hào)作為一個(gè)數(shù)據(jù)輸入提供給閥門位置寄存器42，它存儲(chǔ)的輸出控制信號(hào)可以指示出當(dāng)前的閥門開度。模塊40有一個(gè)沖擊限度計(jì)算器44，它在受到來(lái)自沖擊檢測(cè)器22的沖擊信號(hào)的觸發(fā)時(shí)接收存儲(chǔ)在閥門位置寄存器42中的信號(hào)，并且為閥門位置產(chǎn)生一個(gè)新的低限值。然后用低限計(jì)算器44產(chǎn)生新的低限位置，將其存入沖擊限制存儲(chǔ)器46，用來(lái)代替其中原先存儲(chǔ)的低限。沖擊限度計(jì)算器44在寄存器42中的閥門位置(它相當(dāng)于沖擊開始時(shí)的閥門位置)上增加一個(gè)很小的增量(Δ)。如上所述，該增量可以是一個(gè)固定量的閥門開度。把計(jì)算的位置提供給沖擊限制存儲(chǔ)器46，用來(lái)為沖擊控制模塊設(shè)定一個(gè)新的低限。
以下要結(jié)合著圖5來(lái)說(shuō)明圖3中所示的一例控制器30的工作方式。圖5表示了壓縮機(jī)11的壓縮機(jī)特性線圖，其縱軸的定義是多變壓頭，橫軸是通過(guò)壓縮機(jī)11的實(shí)際流量。一條沖擊線70把壓縮機(jī)特性線圖劃分成一個(gè)沖擊區(qū)域74和一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域73。相當(dāng)于PID模塊32的設(shè)定點(diǎn)的一條沖擊控制線71被設(shè)在穩(wěn)定區(qū)域73內(nèi)，并且通常與沖擊線70相距一個(gè)選定的安全余量。
假設(shè)壓縮機(jī)11的工作點(diǎn)最初是在點(diǎn)A，并且最小閥門開度最初被設(shè)定在完全關(guān)閉的位置，也就是零開度。在點(diǎn)A上，PID模塊可以關(guān)閉反沖擊閥門12，使反沖擊閥門12完全關(guān)閉。現(xiàn)在假設(shè)，由于下游工序的狀態(tài)變化而造成了流率的變化，工作點(diǎn)就會(huì)向沖擊線70移動(dòng)。一旦工作點(diǎn)跨過(guò)了點(diǎn)B并且進(jìn)入沖擊控制線71和沖擊線70之間的區(qū)域時(shí)，PID模塊32就會(huì)打開反沖擊閥門12，使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離沖擊線70。
假設(shè)用閉環(huán)PID模塊32連續(xù)地控制反沖擊閥門12，但是卻不能防止沖擊，工作點(diǎn)就會(huì)繼續(xù)向沖擊線70移動(dòng)。當(dāng)工作點(diǎn)越過(guò)沖擊線70上的點(diǎn)C到達(dá)點(diǎn)D時(shí)，實(shí)際的沖擊事件就開始了，而沖擊檢測(cè)器22可以檢測(cè)到?jīng)_擊的開始。沖擊檢測(cè)器22隨之觸發(fā)低限控制模塊40，檢測(cè)沖擊開始時(shí)的閥門開度，并且按照沖擊開始時(shí)的閥門開度產(chǎn)生一個(gè)新的最小閥門開度。例如，可以把新的最小閥門開度設(shè)定在比沖擊事件開始時(shí)的閥門開度大5％。在沖擊開始之后，閉環(huán)控制模塊34就接管反沖擊閥門12的控制權(quán)，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)著大閥門開度的開環(huán)控制信號(hào)，比如把反沖擊閥門12完全打開。高信號(hào)選擇器36選擇這一開環(huán)控制信號(hào)，迅速地打開反沖擊閥門12，使工作點(diǎn)從點(diǎn)D移動(dòng)到穩(wěn)定區(qū)域73中的點(diǎn)E，并且停止沖擊事件。
在工作點(diǎn)回到穩(wěn)定區(qū)域73內(nèi)之后，PID模塊32和開環(huán)控制模塊34都開始關(guān)閉反沖擊閥門。由于高信號(hào)選擇器36的作用，PID模塊32和開環(huán)控制模塊34都不能使閥門開度下降到新的低限閥門開度以下。因此，如果工作點(diǎn)停留在沖擊控制線71右邊的區(qū)域內(nèi)，反沖擊閥門就可以維持在最小閥門開度的位置。如果另一種流量擾動(dòng)使工作點(diǎn)移動(dòng)到區(qū)域75內(nèi)，PID模塊就會(huì)從新的低限閥門開度位置開始增大閥門開度，阻止壓縮機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)入沖擊區(qū)域。
與依靠反沖擊控制模塊(比如PID)的那種通過(guò)PID控制來(lái)維持反沖擊閥門的打開位置的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)不同，本發(fā)明采用了固定的最小打開位置，并且在通過(guò)維修作業(yè)排除故障之前一直保持這一位置。這樣，提供給高信號(hào)選擇器的低限閥門位置信號(hào)就可以阻止任何控制器在關(guān)閉閥門時(shí)越過(guò)這一低限。這種情況隨后會(huì)觸發(fā)對(duì)系統(tǒng)的維修循環(huán)，用來(lái)消除造成沖擊的條件。在完成這種工作之后最好用人工方式起動(dòng)維修面板復(fù)位功能80(圖4)，把復(fù)位信號(hào)提供給低限控制模塊40。如圖4所示，復(fù)位信號(hào)被提供給沖擊限制存儲(chǔ)器46，用來(lái)把低限恢復(fù)到零，也就是閥門的關(guān)閉位置。在這種狀態(tài)下，壓縮機(jī)11可以正常工作，反沖擊閥門12關(guān)閉，并且在反沖擊控制器的控制下工作，防止沖擊現(xiàn)象復(fù)發(fā)。正如上文所述，在發(fā)生沖擊時(shí)，最小閥門開度就會(huì)上升。
以下要說(shuō)明按照本發(fā)明在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11(圖1)中避免沖擊復(fù)發(fā)的防沖擊方法。這種防沖擊方法采用了一個(gè)連接到壓縮機(jī)11的輸出端的反沖擊閥門12(圖1)，并且可以調(diào)節(jié)閥門的開度，在壓縮機(jī)11外圍使流量旁路。為了防止壓縮機(jī)11受到?jīng)_擊，該方法中包括連續(xù)監(jiān)視動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)11的過(guò)程狀態(tài)的步驟，以及按照過(guò)程狀態(tài)將閥門開度控制在完全打開和最小閥門開度之間的步驟。該方法進(jìn)一步包括通過(guò)監(jiān)視壓縮機(jī)11的過(guò)程狀態(tài)來(lái)確定沖擊事件開始的步驟。如果檢測(cè)到?jīng)_擊事件的開始，就執(zhí)行一個(gè)產(chǎn)生新的低限閥門開度位置的步驟，在該步驟中根據(jù)沖擊事件開始時(shí)的閥門開度設(shè)定一個(gè)新的最小閥門開度。然后重復(fù)上述步驟，并且在控制閥門開度的步驟中控制反沖擊閥門12的閥門開度，使其在完全打開和新的低限閥門開度之間執(zhí)行開、關(guān)動(dòng)作。
在本發(fā)明方法的最佳實(shí)施例中，控制閥門開度的步驟包括執(zhí)行一種閉環(huán)PID控制，在沖擊控制線71(圖5)附近實(shí)行控制，并且在發(fā)生沖擊時(shí)執(zhí)行一種開環(huán)控制，以便停止沖擊。在設(shè)定低限閥門開度的步驟中設(shè)定新的低限，使其稍微大于檢測(cè)到的沖擊事件開始時(shí)的閥門開度。新的低限閥門開度應(yīng)該設(shè)定在比沖擊開始時(shí)的閥門開度高出一個(gè)固定量的閥門開度。
本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為了解釋和說(shuō)明。其目的并不是把本發(fā)明限制在具體說(shuō)明的范圍。按照上述指導(dǎo)還可以實(shí)現(xiàn)顯而易見(jiàn)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(jià)值，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員在特定的場(chǎng)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)，用于在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊復(fù)發(fā)，壓縮機(jī)在一個(gè)壓縮機(jī)特性線圖中具有一個(gè)可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括一個(gè)沖擊區(qū)域，一個(gè)穩(wěn)定工作區(qū)域，把兩個(gè)區(qū)域分開的一條沖擊線，以及處在穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)但是離開沖擊線的一條沖擊控制線，該控制系統(tǒng)包括一個(gè)可以調(diào)節(jié)閥門開度的反沖擊閥門，用于旁路壓縮機(jī)的流量；一個(gè)沖擊檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)沖擊事件的開始，并且產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)；一個(gè)響應(yīng)沖擊信號(hào)的沖擊限制存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)與沖擊事件開始時(shí)的閥門開度有關(guān)的一個(gè)閥門位置低限；以及一個(gè)沖擊控制器，根據(jù)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)從一個(gè)最小位置開始控制反沖擊閥門的開度，阻止工作點(diǎn)進(jìn)入沖擊區(qū)域，沖擊控制器被有效地連接到?jīng)_擊限制存儲(chǔ)器，把最小位置設(shè)定在存儲(chǔ)的低限。
2．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是控制裝置和沖擊限制存儲(chǔ)器一起存儲(chǔ)一個(gè)低限，它等于沖擊開始時(shí)的閥門開度加上一個(gè)選定的增量Δ，用來(lái)防止沖擊復(fù)發(fā)。
3．如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于Δ是一個(gè)閥門開度的固定量。
4．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是沖擊控制器包括一個(gè)閉環(huán)PID模塊，它的設(shè)定點(diǎn)對(duì)應(yīng)著沖擊控制線，并且在壓縮機(jī)的工作點(diǎn)處在沖擊控制線和沖擊線之間時(shí)打開反沖擊閥門。
5．如權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征是沖擊控制器包括一個(gè)用來(lái)接收對(duì)應(yīng)著閥門位置的多個(gè)輸入信號(hào)的高信號(hào)選擇器，閉環(huán)PID模塊被連接成一個(gè)上述輸入，沖擊事件存儲(chǔ)器被連接成另一個(gè)所述輸入，高信號(hào)選擇器選擇對(duì)應(yīng)著最大閥門開度的輸入控制信號(hào)，用來(lái)控制閥門的開度。
6．如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征是沖擊控制器包括一個(gè)可以執(zhí)行開環(huán)控制循環(huán)的開環(huán)模塊，用來(lái)迅速打開閥門，然后朝著存儲(chǔ)的低限緩慢地關(guān)閉閥門，開環(huán)模塊被連接到高信號(hào)選擇器作為一個(gè)上述輸入。
7．如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其特征是開環(huán)模塊在壓縮機(jī)的工作點(diǎn)處在沖擊區(qū)域內(nèi)時(shí)開始工作，使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)回到穩(wěn)定工作區(qū)域，沖擊限制存儲(chǔ)器相應(yīng)地存儲(chǔ)一個(gè)新的閥門位置低限，這一低限大于先前存儲(chǔ)的閥門位置低限，并且把上述新的閥門位置低限連接到高信號(hào)選擇器，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)新的閥門低限。
8．如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征是進(jìn)一步包括由連接到?jīng)_擊限制存儲(chǔ)器的復(fù)位輸入構(gòu)成的一個(gè)維修輸入裝置，用于在處理完沖擊狀態(tài)之后用人工將閥門位置的低限恢復(fù)到零閥門開度。
9．如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征是沖擊控制器具有兩種控制模式(ⅰ)在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的靜止模式，用來(lái)把反沖擊閥門維持在存儲(chǔ)的低限，以及(ⅱ)反沖擊模式，用來(lái)從存儲(chǔ)的低限開始控制反沖擊閥門的開度，使增加的流量足以阻止壓縮機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)入沖擊區(qū)域。
10．如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征是在反沖擊模式中包括一個(gè)循環(huán)模式，用來(lái)充分地打開閥門，使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)回到穩(wěn)定工作區(qū)域，并且朝著存儲(chǔ)的低限重新關(guān)閉閥門。
11．一種控制系統(tǒng)，用于在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊復(fù)發(fā)，壓縮機(jī)在一個(gè)壓縮機(jī)特性線圖中具有一個(gè)可以確定的可變工作點(diǎn)，這種特性線圖包括一個(gè)沖擊區(qū)域，一個(gè)穩(wěn)定工作區(qū)域，把兩個(gè)區(qū)域分開的一條沖擊線，以及處在穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)但是離開沖擊線的一條沖擊控制線，該控制系統(tǒng)包括一個(gè)可以調(diào)節(jié)閥門開度的反沖擊閥門，用于旁路壓縮機(jī)的流量；一個(gè)沖擊檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)沖擊事件的開始，并且產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)；一個(gè)低限控制模塊，其數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)著反沖擊閥門的閥門開度，其控制輸入操作性連接到?jīng)_擊檢測(cè)器，用來(lái)存儲(chǔ)沖擊事件開始時(shí)的閥門位置，用低限控制模塊響應(yīng)沖擊信號(hào)，存儲(chǔ)一個(gè)與沖擊事件開始時(shí)的閥門開度有關(guān)的新的低限，用來(lái)防止沖擊事件復(fù)發(fā)；一個(gè)閉環(huán)PID模塊，用來(lái)在壓縮機(jī)的工作點(diǎn)到達(dá)沖擊控制線時(shí)對(duì)反沖擊閥門進(jìn)行控制；以及連接到低限控制模塊和PID控制模塊的一個(gè)高信號(hào)選擇器，高信號(hào)選擇器選用對(duì)應(yīng)著最大閥門開度的模塊作為一個(gè)輸出控制信號(hào)，用來(lái)控制閥門。
12．如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其特征是低限控制模塊包括一個(gè)在數(shù)據(jù)輸入上增加一個(gè)Δ增量的裝置，從而使存儲(chǔ)的閥門位置相當(dāng)于沖擊開始時(shí)的閥門位置加上該Δ增量。
13．如權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征是Δ增量是一個(gè)固定量的閥門開度。
14．如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其特征是還包括一個(gè)可以用人工操作的可維修復(fù)位裝置，用來(lái)在沖擊狀態(tài)得到糾正之后將低限控制模塊復(fù)位到最小開度信號(hào)，該信號(hào)相當(dāng)于關(guān)閉反沖擊閥門。
15．在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)中防止沖擊復(fù)發(fā)的一種方法，壓縮機(jī)在一個(gè)壓縮機(jī)特性線圖中具有一個(gè)可以確定的可變工作點(diǎn)，在特性線圖中包括由一條沖擊線分開的一個(gè)沖擊區(qū)域和一個(gè)穩(wěn)定工作區(qū)域，該方法包括以下步驟用一個(gè)可以調(diào)節(jié)閥門開度的反沖擊閥門來(lái)旁路壓縮機(jī)；連續(xù)地監(jiān)視壓縮機(jī)的工作點(diǎn)，并且暫時(shí)打開閥門，使之從低限的最小開度起直到完全打開，把工作點(diǎn)限制在遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域；檢測(cè)沖擊事件的開始；檢測(cè)沖擊事件開始時(shí)的閥門開度；以及按照檢測(cè)到的沖擊事件開始時(shí)的閥門開度位置來(lái)增加低限的閥門開度。
16．按照權(quán)利要求15的方法，其特征是增加低限閥門開度的步驟是在上述檢測(cè)的閥門開度上增加一個(gè)Δ增量，使低限的閥門開度稍微大于檢測(cè)到的沖擊事件開始時(shí)的閥門開度。
17．按照權(quán)利要求16的方法，其特征是Δ是一個(gè)固定量的閥門開度。
18．按照權(quán)利要求15的方法，其特征是連續(xù)監(jiān)視的步驟中包括執(zhí)行一種閉環(huán)PID控制，把壓縮機(jī)的工作點(diǎn)控制在沖擊線和穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的沖擊控制線之間。
19．按照權(quán)利要求18的方法，其特征是連續(xù)監(jiān)視的步驟中還包括執(zhí)行一種控制閥門開度的開環(huán)控制，用來(lái)使壓縮機(jī)脫離沖擊。
全文摘要
一種在動(dòng)態(tài)壓縮機(jī)(11)中防止沖擊復(fù)發(fā)的控制系統(tǒng)(20)。用一個(gè)反沖擊閥門(12)使流量旁路,并且由控制系統(tǒng)將其控制在一個(gè)低限和一個(gè)全開位置之間。低限的初始值是零,也就是反沖擊閥門完全關(guān)閉。在壓縮機(jī)發(fā)生沖擊時(shí),由系統(tǒng)檢測(cè)出反沖擊閥門在沖擊開始時(shí)的位置,并且把對(duì)應(yīng)著檢測(cè)位置的一個(gè)位置當(dāng)作新的低限(40)來(lái)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的位置最好是檢測(cè)位置加上一個(gè)小的增量,以免沖擊現(xiàn)象復(fù)發(fā)。
文檔編號(hào)F04D27/02GK1212038SQ97192526
公開日1999年3月24日 申請(qǐng)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, G·W·博斯蒂克 申請(qǐng)人:伍德沃德調(diào)控器公司