控制过程中的振荡的主动阻尼的制作方法
本文提供的实施方式涉及控制过程中的振荡，并且具体地涉及用于主动地阻尼控制过程中的振荡的方法。
背景技术：
诸如离心式压缩机之类的压缩机在提取应用、加工厂和管线应用中被广泛地用来压缩和分配气流。在图1中示出了用于这种应用的已知的压缩系统100的常见布置，其中典型的部件是可见的。
压缩系统100包括站入口集管(inlet header)101和站出口集管(outlet header)102，其中站入口集管101用于接收介质，而站出口集管102用于提供已经被压缩系统100处理过的介质。在站入口集管101与站出口集管102之间设置有两个离心式压缩机103、104。离心式压缩机104由变频驱动105和马达106控制。从站入口集管101开始，介质穿过处理和安全阀(其中一个用107标示)，并且在被送至离心式压缩机103、104之前经过洗涤器(scrubber)108、109。被离心式压缩机103压缩的介质被部分地用作燃气涡轮110中的燃料气体，从而驱动气体压缩机110。介质在从离心式压缩机103、104开始的路径上穿过气体冷却器111和112。
由于外部和内部干扰以及不同的控制层之间的相互作用，控制系统的部件会在正常工作期间受到振荡。这通常是不期望的，因为过程的稳定性受到干扰，并且管线系统和控制系统的其他部件被置于压力之下。
离心式压缩机的控制责任通常由防喘振控制器(anti-surge controller)和过程控制器分担。防喘振控制器负责保持压缩系统 处于喘振线的右侧上的稳定工作区域中，而过程控制器通过操纵驱动系统的速度或转矩将排放流、吸入压力、排放压力或压力比调节至来自较高的自动化水平或操作人员的设定点要求。根据具体应用而可以存在其他控制系统，例如操纵上游阀的吸入压力控制器。在当前的行业实践中，这些控制器都使用一般不相互通信的分布式比例-积分-微分(PID)环。
在正常工作期间，通常是这样的情况：在压缩系统中存在小的振荡。这些振荡可以由多种因素导致。下面将总结这些因素中的一些。
设定点与写入致动器中的真实值之间的失调(对于通常具有不准确的致动/定位系统的阀特别重要)可能导致振荡。
再循环阀和其他过程阀的粘滑(stick-slip)现象可能导致振荡。这在2005年的Control Engineering Practice(控制工程实践)13(2005)的第641至658页的“Modelling Valve Stiction(阀静摩擦建模，M.A.A.Shoukat Choudhury,N.F.Thornhill和S.L.Shah等人著)”中进行了公开。
所考虑的应用的上游和下游的持续的或脉动的干扰可能导致振荡。
湿气状况可能导致振荡。
不同的控制环(例如，两个不同机器的两个过程控制器彼此振荡)之间的未考虑的相互作用可能导致振荡。
压缩系统中的调谐较差的控制器(例如，过程控制器)、或者过时的调谐(例如，过程条件显著变化)可能导致振荡。
这种振荡是不期望的，因为振荡缩短了部件的寿命并且破坏了控制系统的稳定性和控制性能的质量。
控制环的死区时间补偿和/或失谐有助于以控制性能降低为代价处理振荡。这种机制是能够帮助或提高过程阻尼的被动措施。
然而，仍然需要对控制过程中的振荡的改进的阻尼。
技术实现要素：
本文的实施方式的目的是提供对控制过程中的振荡的高效的阻尼。
根据第一方面，提供了一种用于主动地阻尼压缩过程中的振荡的方法。通过控制器来执行该方法。该方法包括获取来自压缩过程的过程数据。该方法包括执行过程数据中的任何检测到的振荡的振荡频率估测。该方法包括基于振荡频率估测生成阻尼信号。该方法包括向压缩过程的电驱动提供阻尼信号。
有利地，这提供了对控制过程中的振荡的高效阻尼。
有利地，这为压缩应用提供了改善的控制性能、过程安全性和稳定性需求。
有利地，与燃气涡轮驱动的压缩机相比，这提供了提高的能量效率和零排放。
根据第二方面，提供了一种用于主动地阻尼压缩过程中的振荡的控制器。该控制器包括处理电路。该处理电路配置成使得控制器执行在根据第一方面的方法中限定的操作集合。
根据第三方面，提供了一种用于主动地阻尼压缩过程中的振荡的计算机程序，该计算机程序包括计算机程序代码，该计算机程序代码当在控制器上运行时使得控制器执行根据第一方面的方法。
根据第四方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据第三方面的计算机程序以及其上存储有计算机程序的计算机可读装置。
根据第五方面，提供了一种控制系统，该控制系统包括根据第二方面的控制器以及电驱动，该电驱动配置成接收来自控制器的阻尼信号并且因而由控制器控制。
应当注意，第一、第二、第三、第四和第五方面的任何特征都可以应用于任何其他方面，只要适合即可。类似地，第一方面 的任何优点都可以等同地分别应用于第二、第三、第四和/或第五方面，反之亦然。所附的实施方式的其他目的、特征和优点将从下文的详细公开内容、从所附从属权利要求以及从附图中显而易见。
一般而言，在权利要求中使用的所有术语都应根据这些术语在技术领域中的普通含义来解读，除非文中另有明确限定。所有涉及“元件/所述元件、设备/所述设备、部件/所述部件、装置/所述装置、步骤/所述步骤等”的地方都应被开放地理解为指的是至少一个所述元件、至少一个所述设备、至少一个所述部件、至少一个所述装置、至少一个所述步骤等，除非文中另有明确说明。本文公开的任何方法的步骤都不必严格地以所公开的顺序来执行，除非另有明确说明。
附图说明
现在参照附图通过示例来描述本发明的构思，在附图中：
图1是示出了已知的压缩系统的示意图；
图2是示出了根据一个实施方式的控制器的功能单元的示意图；
图3是示出了根据一个实施方式的控制系统中的控制器的功能模块的示意图；
图4示出了包括根据一个实施方式的计算机可读装置的计算机程序产品的一个示例；
图5是示出根据一个实施方式的控制系统的示意图；
图6是根据一些实施方式的方法的流程图；以及
图7和图8提供了根据一些实施方式的模拟结果。
具体实施方式
现在将参照附图更完整地在下文中描述本发明的构思，其中在附图中示出了本发明的构思的某些实施方式。然而，本发明的 构思可以通过很多不同的形式来体现，并且不应被认为局限于本文阐释的实施方式；相反，这些实施方式通过示例的方式来提供是为了使本公开变得透彻而完整，并将本发明的构思的范围完整地传达给本领域普通技术人员。在整个说明书中使用相同的附图标记来指代相同的元件。由虚线图示的任何步骤或特征都应被认作是可选的。
本文公开的实施方式涉及操纵电(可变速)驱动以便主动地阻尼由前面列举的因素导致的振荡。这种操纵使得性能波动最小化并且提高了控制系统的稳定性。
为了获得对振荡的这种主动阻尼，提供了控制器、由控制器执行的方法、包括代码的计算机程序，该代码例如为当在控制器上运行时使得控制器执行所述方法的计算机程序产品的形式。还提供了包括这种控制器和电驱动的控制系统。
图2示意性地在多个功能单元方面示出了根据一个实施方式的控制器200的部件。使用合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微型控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一个或多个的任何组合来提供处理电路201，处理电路201能够执行存储在计算机程序产品401(见图4)、例如存储介质203形式的计算机程序产品中的软件指令。
特别地，处理电路201配置成使得控制器200执行操作集合或步骤S102-S112。这些操作或步骤S102-S112将在下文中公开。例如，存储介质203可以存储所述操作集合，并且处理电路201可以配置成从存储介质203中获取所述操作集合以使控制器200执行所述操作集合。所述操作集合可以提供为可执行指令的集合。
因此，处理电路201被设置成执行本文公开的方法。存储介质203还可以包括永久性存储器，例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或者甚至远程安装的存储器中的任一个或任意组 合。控制器200还可以包括用于与实体和装置通信的通信接口202，以便例如获取过程数据并且提供阻尼信号和控制信号。
处理电路201例如通过向通信接口202和存储介质203发送数据和控制信号、通过从通信接口202接收数据和报告以及通过从存储介质203获取数据和指令而控制控制器200的一般操作。为了不使本文提出的构思模糊不清，省略了控制器200的其他部件以及相关的功能性。
图3示意性地在多个功能模块方面示出了构成根据一个实施方式的作为控制系统315的部分的控制器200的部件。控制器200具有用信号309、311、312、313和314表示的五个接口，控制器200通过这五个接口与其他实体和装置例如控制系统315的电驱动307、马达306以及构成压缩过程308的一部分的气体压缩机305直接或间接地交互。信号310是向电驱动307提供来自压缩过程308的反馈的基准信号。
图3的控制器200包括多个功能模块：数据获取模块301，其配置成执行下面的步骤S102；振荡检测模块302，其配置成执行下面的步骤S104(部分地执行)；振荡频率估测模块303，其配置成执行下面的步骤S104(部分地执行)；以及阻尼生成模块304，其配置成执行下面的步骤S106并且可选地执行下面的步骤S108a和S110中的任一个步骤。每个功能模块301-304的功能性将在下文中在可以使用哪个功能模块301-304的背景下进一步公开。一般而言，每个功能模块301-304可以以硬件或软件来实施。优选地，功能模块301-304中的一个或多个或全部可以通过处理电路201来实施，并且可能地与功能单元202和/或203协作地实施。处理电路201因此可以设置成从存储介质203取得由功能模块301-304提供的指令并且执行这些指令，因而执行将在后文中公开的任何步骤。
一般而言，数据获取模块301配置成通过标准测量设备和/或通过来自电驱动307的电信号和/或借助于信号311、312、313、 314通过机械信号来获取相关的过程数据。
一般而言，振荡检测模块302配置成执行振荡检测算法以处理窗口中的过程数据并由此检测在其中一个或多个信号中是否存在显著的振荡。这可以使用标准的方法来执行，该方法例如为G.Chowdhary、S.Srinivasan和E.Johnson在2010年的JACIC中的“A Frequency Domain Method for Real-Time Detection of Oscillations(用于振荡的实时检测的频域方法)”一文中所描述的方法，该方法基于离散傅立叶变换(DFT)。
一般而言，振荡频率估测模块303配置成在由于检测到振荡而被振荡检测模块302触发时确定要被阻尼的振荡频率。一种可能性是分析一些历史窗口中的频谱并且估测哪个频率内容对观察到的振荡贡献最大。振荡频率的估测也可以例如使用卡尔曼滤波(KF)、扩展的尔曼滤波(EKF)或滚动时域估测(MHE)(moving horizon estimation)而以时域或频域信号为基础。
一般而言，阻尼生成模块304配置成生成阻尼信号，该阻尼信号被提供给电驱动307并且被添加至其基准信号310。不需要模型或其他现有的知识来主动地阻尼振荡。另外，振荡的根源是什么并不重要。电驱动307然后可以生成操纵马达306并且完成所需的设定点变化的信号。
控制器200可以配置成使得终端用户能够提供关于将不被阻尼的一个或多个频率范围的输入。这可能需要引入附加的功能模块，该附加的功能模块配置成如果频率fo在指定的一个或多个频率范围外则导致主动阻尼被执行。然而，需要特别注意辨别并尽可能远离对应于控制系统中存在的任何压缩机中的喘振或旋转失速的振荡频率。
假设过程的模型被给定(例如，通过电驱动307与压缩机流之间的阶跃响应或电驱动307与喘振距离之间的阶跃响应)，能够利用先进的技术实现阻尼系统。
图4示出了包括计算机可读装置403的计算机程序产品401。 在该计算机可读装置403上能够存储计算机程序402，计算机程序402能够使处理电路201以及操作性地联接至处理电路201的实体和装置(例如通信接口202和存储介质203)执行根据本文描述的实施方式的方法。计算机程序402和/或计算机程序产品401因此可以提供用于执行本文公开的任何步骤的装置。
在图4的示例中，计算机程序产品401示出为光盘，例如CD(高密度盘)或DVD(数字多功能盘)或蓝光盘。计算机程序产品401也可以实施为存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更具体地实施为外部存储器如USB(通用串行总线)存储器或闪存例如压缩闪存中的装置的非易失性存储介质。因此，尽管计算机程序402这里示意性地示出为所描绘的光盘上的轨道，但计算机程序402能够以适合于计算机程序产品401的任何方式存储。
图6是流程图，示出了用于主动地阻尼控制过程中的振荡的方法的实施方式。所述方法由控制器200执行。所述方法有利地被设置为计算机程序402。
本发明的构思由于注意到可以利用电可变速驱动器用主动机制来阻尼压缩系统中的振荡而克服了上述问题。为了这样做，本文公开的控制器200获取过程数据。特别地，控制器200配置成在步骤S102中获取来自压缩过程308的过程数据。这种获取可以通过前面公开的数据获取模块301来执行。
控制器200然后对振荡检查过程数据。特别地，控制器200配置成在步骤S104中执行过程数据中的任何检测到的振荡的振荡频率估测。该振荡频率估测可以通过前面公开的振荡频率估测模块303来执行，可能与前面公开的振荡检测模块302联合执行。
假设振荡确实在过程数据中检测。因此，生成阻尼信号以主动地阻尼检测到的振荡。特别地，控制器200配置成在步骤S106中基于振荡频率估测生成阻尼信号309。阻尼信号309的这种生 成可以通过前面公开的阻尼生成模块304来执行，可能与前面公开的振荡频率估测模块303联合执行。
为了使阻尼信号309对压缩过程308有影响，将阻尼信号309提供给电驱动307。特别地，控制器200配置成在步骤S108中将阻尼信号309提供给压缩过程308的电驱动307。阻尼信号309的这种提供可以通过前面公开的阻尼生成模块304来执行。
现在将公开关于用于主动地阻尼控制过程中的振荡的机制的更多的细节。
根据一个实施方式，压缩过程是离心式气体压缩机305的压缩过程。因此，根据该实施方式，阻尼信号309被提供给离心式气体压缩机305的电驱动307。
阻尼信号是阻尼估测的振荡的信号。因此，根据该实施方式，阻尼信号309被生成(如步骤S106中那样)和/或被提供(如步骤S108中那样)以阻尼过程数据中的检测到的振荡。
存在可以检测振荡的不同的频率。作为示例，振荡频率估测可以配置成估测从0.1Hz到10Hz的频率范围内的振荡。大约0.1Hz到大约10Hz是典型的振荡频率范围。相比之下，机械振动具有大约25Hz至大约400Hz之间的频率。
另外，控制器200可以配置成在执行振荡频率估测的步骤期间检测过程数据中的多于一个振荡；本文公开的实施方式不限于被阻尼的振荡的具体数量。
可以存在多种向电驱动307提供阻尼信号309的方式。例如，阻尼信号309在步骤S108a中可以被添加为电驱动307的标称基准信号310的偏差。
控制器200可以生成其他类型的控制信号并且将这些控制信号提供给过程308。例如，控制器200可以配置成在可选的步骤S110中生成操纵电驱动307的马达306的控制信号。控制信号包括阻尼信号和标称基准信号以改变马达306的设定点。控制器200然后可以在可选的步骤S112中将该控制信号提供给电驱动307， 用于其改变马达306的设定点。
可以存在不同的过程数据源。例如，过程数据可以根据电驱动信号311、压缩机的吸入条件312、压缩机的排放条件313、机械信号314或者上述各项的任意组合而获取。可替代地，过程数据可以是计算出的变量。
关于电驱动信号，其可以包括特定的驱动相关信号，例如马达速度估测、马达转矩估测、轴功率、直流(DC)电压、U相电流、速度、速度控制环中的误差或者这些项的任意组合。关于吸入条件，其可以包括吸入温度、吸入流量和/或吸入压力。关于排放条件，其可以包括排放温度、排放压力、排放流量或者这些项的任意组合。关于机械信号，其可以包括振动测量、位移测量、轴转矩测量或者这些项的任意组合。
关于这一点，需要强调的是，机械信号用于对振荡进行阻尼。然而，能够想到，本文公开的除了生成用于阻尼振荡的阻尼信号之外还主动地阻尼振荡的机制可以提供用于对振动进行阻尼的阻尼信号。机械信号因此可以附加地用于阻尼振动。
针对控制器200可以有不同的方式来执行振荡频率估测。例如，控制器200可以执行频率分析。特别地，控制器200可以配置成在可选的步骤S104b中通过频率分析来分析获取的过程数据，以检测过程数据中振荡的存在。控制器200然后可以配置成在可选的步骤S104c中基于频率分析确定要被阻尼的振荡频率。
另外，控制器200可以配置成使得终端用户能够提供关于将不被阻尼的一个或多个频率范围的输入。因此，控制器200可以配置成在可选的步骤S104a中接收标识不被阻尼的至少一个频率范围的输入。该至少一个频率范围然后可以从在步骤S104b中进行的对获取的过程数据的分析中排除。
可以存在不同的方式来像步骤S104b中那样分析获取的过程数据。例如，获取的过程数据可以通过加窗离散傅里叶变换来分析。振荡频率估测在窗口时长至少为要被阻尼的振荡的周期的 两倍的时间窗口内运行。也就是说，加窗离散傅里叶变换可以在时长为200毫秒至100秒的时间窗口内运行。
可以存在不同的振荡类型。例如，振荡可以通过再循环阀508的粘滑、相互作用的防喘振和过程控制环、吸入阀502的操纵、排放阀505的操纵、吸入集管压力的变化、排放集管压力的变化或上述各项的任意组合而诱发。
在图5的控制系统511中示出了用于主动地阻尼控制过程中的振荡的一个特定的实施方式。控制系统511涉及如下实施方式，其中：离心式气体压缩机305从吸入集管501接收天然气。这种控制系统511还能够用于空气压缩机、CO2压缩机、氮气压缩机和所有其他类型的气体压缩机，在这些压缩机中都面临基本类似的问题。
气体流动通过吸入阀502，进入吸入空间503并且被由马达306驱动的气体压缩机305压缩。在经过排放空间504之后，气体通过排放阀505被排出至排放集管506，或者通过再循环路径507和再循环阀508被再循环回到吸入空间503。
马达306由接收来自过程控制器509的基准信号310的电驱动307控制。过程控制器509使用排放条件(例如，压力、温度、压缩机流量)的反馈信号510并将其与实际设定点进行比较。
控制器200包括前面公开的功能模块301、302、303和304。数据获取模块301通过来自电驱动信号311的输入、来自压缩机305的吸入条件312的输入、来自压缩机305的排放条件313的输入以及来自机械信号314的输入来获取过程数据。如前所述，电驱动信号311可以包括马达速度估测、马达转矩估测、轴功率、直流(DC)电压、U相电流、速度、速度控制环中的误差等；如前所述，吸入条件312和排放条件313的测量可以包括吸入温度、吸入压力、排放温度、排放压力以及排放流量或吸入流量。如前所述，机械信号314可以包括振动测量、位移测量、轴转矩测量等。注意，至少一个测量源是必需的，而如果测量设备已经就位， 那么不同测量的所有组合也可以考虑。测量的最小集合可以由气体压缩机的吸入条件和排放条件来表示，这些条件对防喘振和过程控制始终可用。
数据获取模块301对采样并且存储所有信号的历史进行采样并且存储。振荡检测模块302利用加窗离散傅里叶变换算法来分析获取的信号。该分析的结果是对每个信号检测到的或未检测到的振荡上的旗标。如果在具体的信号中检测到了振荡，则由振荡频率估测模块303对该信号执行振荡频率估测。在一个信号中可以存在多个振荡频率，这意味着能够检测到多个振荡频率。
在检测到的振荡和相关的频率给定的情况下，阻尼生成模块304生成阻尼信号309。该阻尼信号309被发送至电驱动307，电驱动307然后添加阻尼信号309作为标称基准信号310上的偏差。
控制器200对振动频率估测的典型执行周期在300ms至800ms的范围内，但也可以是更长或更短的间隔，这取决于应当检测和阻尼的振荡频率。
在所提供的实施方式中，振荡可以通过再循环阀508的粘滑、相互作用的防喘振和过程控制环、吸入阀502的操纵或排放阀505的操纵以及吸入集管压力的变化和排放集管压力的变化而导致。
现在将公开用于实现由阻尼生成模块304执行的功能性的一个特定实施方式。阻尼生成模块304能够例如利用下面的传递函数(在拉普拉斯变换域中)实施为阻尼滤波器：
在该等式中，fo是要被阻尼的频率，k1、k2和k3是调谐常数，uin是包含振荡的输入信号，yout是对系统进行阻尼的信号309，并 且s是复数。阻尼滤波器从根本上改变原始信号的振荡相位，同时保持频率fo。
假设要被阻尼的频率fo是已知的且为常数，并且提供为终端用户输入，则可以在无需估测频率fo的情况下应用主动阻尼机制。
另外，如果有模型可用，那么阻尼生成模块304可以利用基于模型的方法来实施。其中一个可以表述为滚动时域方式中的优化问题，这将对应于阻尼模型预测控制(MPC)控制器。
进一步地，如果没有过程测量且没有机械测量可用，那么通过仅仅分析可从电驱动307获得的电信号，阻尼生成模块304仍能够使用。该功能性可以内置在驱动控制系统中，并且如果驱动信号足以检测过程侧的振荡，则阻尼动作可以在没有外部测量的情况下仅由驱动提供。如前所述，这种电信号可以包括马达速度估测、马达转矩估测、轴功率、DC电压、U相电流、速度、速度控制环中的误差等。
图7和图8提供了模拟结果，其中本文公开的用于主动地阻尼振荡的机制被与未阻尼的压缩过程进行比较。图7示出了对于作为时间的函数的压缩机流量的结果，并且图8示出了对于作为时间的函数的转矩的结果。轴上的比例是任意的，并且提供这些图仅仅是为了表明未阻尼的压缩过程与受到阻尼的压缩过程的一般比较。
前面已经参考了少量实施方式描述了本发明的构思。然而，本领域技术人员容易理解，除了前面公开的实施方式以外的其他实施方式在由所附专利权利要求限定的本发明的构思的范围内也是等效可行的。例如，在图5中示意性地示出了多个可能的标准气体压缩机中的仅仅一个。本领域技术人员能够意识到，存在例如使用两个再循环路径、使用代替再循环路径的排放阀、使用具有并联的多于一个压缩机的构型、使用串联和混合布置、使用下游冷却器、使用上游冷却器等的诸多变型，本文公开的用于主动地阻尼振荡的机制能够等同地应用于这些变型。根据可用的测 量和用户规范，能够想到不同的布置。
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