相继增压系统喘振预测控制装置及控制方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供相继增压系统喘振预测控制装置及控制方法，包括动态压力传感器、转速传感器、空气流量计、放气阀以及喘振预测控制器。空气流量计和动态压力传感器分别安装在压气机进、出口，转速传感器安装在压气机一侧，放气阀安装在压气机出口。数据采集模块采集和储存增压压力、增压器转速以及空气质量流量参数的实时数据，并传输到预测前处理模块；参数数据被传输至灰色预测模块，进行灰色预测；将预测结果和实测喘振数据信息进行对比判断是否发生喘振，并发出指令调整放气阀的开度。本发明能够快捷、精确的对喘振现象进行在线预报和控制，消除了预防措施的滞后性。
【专利说明】相继增压系统喘振预测控制装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种增压柴油机装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002]相继增压技术是改善增压柴油机低工况性能的有效措施，可以有效地扩大柴油机的运行范围，提高其经济性，改善排放性能.在相继增压柴油机工作过程中，由于压气机流量的减小形成突变失速的时候，流道内流动情况将大大恶化，整个增压系统中会出现周期性的轴向低频大振幅的气体振荡现象，即压气机的喘振现象。喘振的发生阻碍了增压器的正常工作，使得叶轮应力大大增加，噪音加剧，并可能损坏轴承、密封，造成停车或严重的事故。因此如何有效预防喘振现象的发生，是提高涡轮增压器运行的安全性和可靠性亟需解决的重要问题。
[0003]作为相继增压系统常见故障之一，喘振现象的发生都对应一些特征现象，如增压压力过低、柴油机功率过低，排气烟度过高等。故在对喘振的预防方面，可以通过与之相关的特征现象来反推故障的发生，即根据实时参数的未来变化关系和趋势来判断，来预测喘振现象。灰色预测是目前研究少数据，贫信息不确定性问题的有效方法，而相继增压柴油机系统是一个典型的灰色系统，故采用灰色预测对与喘振相关的特征现象对应的参数进行预测，进而根据预测参数的变化对喘振进行有效预防。
[0004]目前，在已授权或者公布的发明中，已有涉及柴油机相继增压喘振的预防。如专利号为“201220321847.6”的“柴油机相继增压节结构”专利，通过在受控增压器上设置放气阀来避免压气机有转速零流量现象，从而消除增压器喘振现象，但是该专利无法实现控制功能和预报功能。专利号为“200910073152.3”的“相继增压系统防喘振控制装置及控制方法”专利，通过采集各传感器的信号，将所测的运行点信息和所设控制线进行对比分析，得出是否有喘振先兆，并发出指令调整空气循环阀和空气旁通阀，该专利旨在改善相继增压系统切换过程中发生的喘振现象，且预防措施具有一定的滞后性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供实现喘振现象的在线预报和预防的相继增压系统喘振预测控制装置及控制方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007]本发明相继增压系统喘振预测控制装置，其特征是:包括柴油机、基本增压器、受控增压器、喘振预测控制器，基本增压器的涡轮和压气机分别通过A列排气总管和A列进气总管连接柴油机，受控增压器的涡轮和压气机分别通过B列排气总管和B列进气总管连接柴油机，A列排气总管与B列排气总管之间安装连通管，受控增压器的压气机进口安装空气流量计，受控增压器的压气机出口安装动态压力传感器，动态压力传感器与柴油机之间的B列进气总管上设置放气阀，受控增压器的压气机壳上安装测试压气机转速的转速传感器，喘振预测控制器包括采集动态压力传感器以及转速传感器和流量计信号的数据采集模块、对数据采集模块采集的信号进行灰色预测的灰色预测模块、根据灰色预测模块预测结果控制放气阀开度的放气阀控制模块、根据灰色预测模块预测结果控制是否报警的报警模块、输出预测结果的数据输出模块，动态压力传感器、转速传感器和流量计连接数据采集模块，数据采集模块连接灰色预测模块，灰色预测模块连接放气阀控制模块、报警模块和数据输出模块。
[0008]本发明相继增压系统喘振预测控制装置还可以包括:
[0009]1、B列进气总管上安装空气阀，B列排气总管上安装燃气阀。
[0010]本发明相继增压系统喘振预测控制方法，其特征是:采用如下控制装置:
[0011]包括柴油机、基本增压器、受控增压器、喘振预测控制器，基本增压器的涡轮和压气机分别通过A列排气总管和A列进气总管连接柴油机，受控增压器的涡轮和压气机分别通过B列排气总管和B列进气总管连接柴油机，A列排气总管与B列排气总管之间安装连通管，受控增压器的压气机进口安装空气流量计，受控增压器的压气机出口安装动态压力传感器，动态压力传感器与柴油机之间的B列进气总管上设置放气阀，受控增压器的压气机壳上安装测试压气机转速的转速传感器，喘振预测控制器包括采集动态压力传感器以及转速传感器和流量计信号的数据采集模块、对数据采集模块采集的信号进行灰色预测的灰色预测模块、根据灰色预测模块预测结果控制放气阀开度的放气阀控制模块、根据灰色预测模块预测结果控制是否报警的报警模块、输出预测结果的数据输出模块，动态压力传感器、转速传感器和流量计连接数据采集模块，数据采集模块连接灰色预测模块，灰色预测模块连接放气阀控制模块、报警模块和数据输出模块；
[0012]首先按照转速的不同，将受控增压器压气机空气流量与压比关系曲线以数组形式存放在灰色预测模块中，以备调用判断受控增压器是否发生喘振；
[0013]通过数据采集模块采集并储存动态压力传感器、转速传感器、空气流量计的信号，得到压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数的实时数据；
[0014]对压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数进行灰色预测，得到预测结果，SP三个参数未来时刻的预测值以及变化趋势；
[0015]将预测结果与灰色预测模块中储存的数据信息进行对比:优先考虑压气机出口动态压力，若动态压力预测值Pl和灰色预测模块中储存的数据信息中相应的压比P2两者之差大于设定值Λ P，则认定数据有误，报警模块进行报警；否则进入安全运行线判定，若空气流量测量值Ql小于灰色预测模块中储存的数据信息中相应的Q2，则受控增压器压气机已经越过安全运行线，放气阀控制模块控制打开放气阀，否则受控增压器压气机处于安全状态，保持现状。
[0016]本发明的优势在于:本发明利用灰色预测操作方便、预测精度高的优点，实现柴油机相继增压系统运行过程中喘振故障的在线预报，从而提前调整放气阀开度，避免了未来时刻无法预知的喘振。较【背景技术】中所述专利，对相继增压系统防喘振技术进行了改进，易于工程实现，能够快捷、精确的对喘振现象进行在线预报和控制，消除了预防措施的滞后性，降低了喘振现象的发生频率，提高了相继增压系统运行的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明控制装置的结构示意图；
[0018]图2为本发明喘振预测控制器结构示意图；
[0019]图3为本发明的控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0021]结合图1?3，本发明的技术方案是这样实现的:包括动态压力传感器10、转速传感器8、空气流量计6、数据采集模块16、预测前处理模块17、灰色预测模块18、放气阀控制模块19、报警模块20以及数据输出模块21。在压气机进口有安装空气流量计6，用以测量压气机进口空气质量流量；压气机出口安装有动态压力传感器10，用以测量压气机出口动态压力；在压气机一侧安装有转速传感器8，用以测量增压器转速；放气阀11安装在压气机出口管道上，放气开度由喘振预测控制器7控制。喘振预测控制器7由数据采集模块16、预测前处理模块17、灰色预测模块18、放气阀控制模块19、报警模块20以及数据输出模块21组成。喘振预测控制器7利用灰色预测预测精度高、易于实现的特点，对压力、转速以及空气流量三个参数的未来时刻的状态和变化趋势进行预测，输出预测值和变化曲线图，并与灰色预测模块中存储的实测喘振信息进行对比，判断喘振是否发生，从而提前采取预防措施，调整放气阀开度，防止喘振现象发生。
[0022]本发明的控制原理是这样的:首先按照转速的不同，将压气机空气流量与压比关系曲线以数组形式存放在灰色预测模块18中，以备调用判断是否发生喘振；采集并储存动态压力传感器10、转速传感器8、空气流量计6的信号，得到压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数的实时数据；对该三个参数数据进行预测前处理，并完成灰色预测，得到三个参数未来时刻的预测值以及变化趋势；将预测结果与灰色预测模块18中储存的实测喘振数据信息进行对比:优先考虑压气机出口动态压力，若动态压力预测值Pl和实测喘振数据中相应的压比P2两者之差大于设定值△ P因机型而定，则认定数据有误，进行报警；否则进入安全运行线判定，若空气流量测量值Ql小于实测喘振信息中相应的Q2，则表明压气机已经越过安全运行线，启动放气阀控制模块19。否则表明压气机处于安全状态，保持现状。其控制算法流程图如3所示。
[0023]本发明包括:包括动态压力传感器10、转速传感器8、空气流量计6、数据采集模块16、预测前处理模块17、灰色预测模块18、放气阀控制模块19、报警模块20以及数据输出模块21
[0024]空气流量计6安装在压气机进口，动态压力传感器10安装在压气机出口，转速传感器8安装在在压气机一侧；放气阀11安装在压气机出口，其指令来自喘振预测控制器7。
[0025]喘振预测控制器7由数据采集模块16、预测前处理模块17、灰色预测模块18、放气阀控制模块19、报警模块20以及数据输出模块21组成。其中，数据采集模块16负责采集和储存增压压力、增压器转速以及空气质量流量参数的实时数据；预测前处理模块17负责参数数据的检验和预处理，根据检验结果，对不同特点的参数数据选择最优的预测模型；放气阀控制模块19负责放气阀11开度的控制；数据输出模块21负责预测结果的输出，输出结果包括运行参数未来时刻预测值、运行趋势变化曲线以及预测与真实值对比曲线图。
[0026]在柴油机相继增压系统运行过程中，首先按照转速的不同，将压气机空气流量与压比关系曲线以数组形式存放在灰色预测模块18中，以备调用判断是否发生喘振；采集并储存动态压力传感器10、转速传感器8、空气流量计6的信号，得到压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数的实时数据；对该三个参数数据进行预测前处理，并完成灰色预测，得到三个参数未来时刻的预测值以及变化趋势；将预测结果与灰色预测模块18中储存的实测喘振数据信息进行对比:优先考虑压气机出口动态压力，若动态压力预测值Pl和实测喘振数据中相应的压比P2两者之差大于设定值Λ P因机型而定，则认定数据有误，进行报警；否则进入安全运行线判定，若空气流量测量值Ql小于实测喘振信息中相应的Q2，则表明压气机已经越过安全运行线，启动放气阀控制模块19。否则表明压气机处于安全状态，保持现状。
[0027]本发明控制装置，包括动态压力传感器、转速传感器、空气流量计、放气阀、数据采集模块、预测前处理模块、灰色预测模块、放气阀控制模块、报警模块以及数据输出模块。空气流量计安装在压气机进口 ；动态压力传感器安装在压气机出口 ；转速传感器安装在压气机壳上；放气阀安装在压气机出口 ；所述传感器和流量计的信号输入数据采集模块；数据采集模块将电信号转化为数字信号输入预测前处理模块；预测前处理模块完成对数据的预处理后输入灰色预测模块；灰色预测模块对参数数据进行灰色预测，并与存放在模块中的喘振数据进行对比分析，输出控制指令；放气阀控制模块接受灰色预测模块的指令控制放气阀的开度；数据输出模块输出运行参数未来时刻预测值、并绘制运行趋势变化曲线以及预测与真实值对比曲线图。
[0028]本发明控制方法:首先按照转速的不同，将压气机空气流量与压比关系曲线以数组形式存放在灰色预测模块中，以备调用判断是否发生喘振；采集并储存动态压力传感器、转速传感器、空气流量计的信号，得到压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数的实时数据；对该三个参数数据进行预测前处理，并完成灰色预测，得到三个参数未来时刻的预测值以及变化趋势；将预测结果与灰色预测模块中储存的实测喘振数据信息进行对比:优先考虑压气机出口动态压力，若动态压力预测值Pl和实测喘振数据中相应的压比Ρ2两者之差大于设定值Λ P因机型而定，则认定数据有误，进行报警；否则进入安全运行线判定，若空气流量测量值Ql小于实测喘振信息中相应的Q2，则表明压气机已经越过安全运行线，启动放气阀控制模块。否则表明压气机处于安全状态，保持现状。
[0029]预测前处理模块根据参数数据的不同特点，选择不同的预测模型，若为单调数据，采用传统GM(1，1)模型进行灰色预测；若为波动数据，采用改进GM(1，1)模型进行灰色预测，不同的改进模型对预测精度优化效果不同。
【权利要求】
1.相继增压系统喘振预测控制装置，其特征是:包括柴油机、基本增压器、受控增压器、喘振预测控制器，基本增压器的涡轮和压气机分别通过A列排气总管和A列进气总管连接柴油机，受控增压器的涡轮和压气机分别通过B列排气总管和B列进气总管连接柴油机，A列排气总管与B列排气总管之间安装连通管，受控增压器的压气机进口安装空气流量计，受控增压器的压气机出口安装动态压力传感器，动态压力传感器与柴油机之间的B列进气总管上设置放气阀，受控增压器的压气机壳上安装测试压气机转速的转速传感器，喘振预测控制器包括采集动态压力传感器以及转速传感器和流量计信号的数据采集模块、对数据采集模块采集的信号进行灰色预测的灰色预测模块、根据灰色预测模块预测结果控制放气阀开度的放气阀控制模块、根据灰色预测模块预测结果控制是否报警的报警模块、输出预测结果的数据输出模块，动态压力传感器、转速传感器和流量计连接数据采集模块，数据采集模块连接灰色预测模块，灰色预测模块连接放气阀控制模块、报警模块和数据输出模块。
2.根据权利要求1所述的相继增压系统喘振预测控制装置，其特征是:B列进气总管上安装空气阀，B列排气总管上安装燃气阀。
3.相继增压系统喘振预测控制方法，其特征是:采用如下控制装置: 包括柴油机、基本增压器、受控增压器、喘振预测控制器，基本增压器的涡轮和压气机分别通过A列排气总管和A列进气总管连接柴油机，受控增压器的涡轮和压气机分别通过B列排气总管和B列进气总管连接柴油机，A列排气总管与B列排气总管之间安装连通管，受控增压器的压气机进口安装空气流量计，受控增压器的压气机出口安装动态压力传感器，动态压力传感器与柴油机之间的B列进气总管上设置放气阀，受控增压器的压气机壳上安装测试压气机转速的转速传感器，喘振预测控制器包括采集动态压力传感器以及转速传感器和流量计信号的数据采集模块、对数据采集模块采集的信号进行灰色预测的灰色预测模块、根据灰色预测模块预测结果控制放气阀开度的放气阀控制模块、根据灰色预测模块预测结果控制是否报警的报警模块、输出预测结果的数据输出模块，动态压力传感器、转速传感器和流量计连接数据采集模块，数据采集模块连接灰色预测模块，灰色预测模块连接放气阀控制模块、报警模块和数据输出模块； 首先按照转速的不同，将受控增压器压气机空气流量与压比关系曲线以数组形式存放在灰色预测模块中，以备调用判断受控增压器是否发生喘振； 通过数据采集模块采集并储存动态压力传感器、转速传感器、空气流量计的信号，得到压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数的实时数据； 对压气机动态压力、转速以及空气流量三个参数进行灰色预测，得到预测结果，即三个参数未来时刻的预测值以及变化趋势； 将预测结果与灰色预测模块中储存的数据信息进行对比:优先考虑压气机出口动态压力，若动态压力预测值Pl和灰色预测模块中储存的数据信息中相应的压比P2两者之差大于设定值Λ P，则认定数据有误，报警模块进行报警；否则进入安全运行线判定，若空气流量测量值Ql小于灰色预测模块中储存的数据信息中相应的Q2，则受控增压器压气机已经越过安全运行线，放气阀控制模块控制打开放气阀，否则受控增压器压气机处于安全状态，保持现状。
【文档编号】F02B37/16GK104314668SQ201410571424
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】王银燕, 祖象欢, 王净, 杨传雷, 崔欣洁, 王贺春, 陈德富, 张超 申请人:哈尔滨工程大学