一种磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法

本发明属于磁轴承控制，特别是涉及一种磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法。

背景技术：

1、离心式压缩机依靠高速旋转的叶轮带动气体介质产生离心力并完成对气体的做功，是一种可以实现高转速和连续运输的节能设备，广泛应用于各种工业领域。喘振是离心式压缩机在低工作流量时发生的全局不稳定现象，威胁压缩机的稳定运行和缩短其安全使用寿命。喘振的主要特征为压缩机和管道系统中的低频压力振荡，轻度喘振会影响压缩机的工作效率，随着不稳定的进一步发展，深度喘振时会发生气体倒流，此时压缩机本体、管网、轴承处会出现强烈振动，从而引起密封的严重磨损甚至压缩机内部定转子之间发生碰撞，产生不可逆的结构损坏。

2、磁悬浮离心式压缩机利用主动磁轴承代替传统机械轴承，无机械接触和摩擦，能够实现无油污染、更长的使用寿命。此外，磁悬浮离心式压缩机能够达到更高的转速，从而实现更高的压比及效率。磁悬浮离心式压缩机同样面临喘振的威胁。磁悬浮轴承能够精确调节转子轴向位置从而精确控制叶轮和蜗壳的间隙，换言之调节轴向间隙能够在一定程度上改变压缩机的工作曲线从而实现主动喘振控制。

3、然而磁轴承这种非接触轴承的刚度比传统机械轴承要小得多，这意味着喘振不稳定发生时磁轴承的抵抗能力更差。且磁轴承支承的离心式压缩机的转速往往比传统机械轴承的转速更高，若抵抗喘振失败，对磁轴承的损伤更大。因此需要磁轴承系统在喘振发生时可以抵抗喘振扰动力，保证转子仍然能够稳定悬浮，实现磁悬浮离心式压缩机的稳定运行。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，包括以下步骤：

3、对磁悬浮离心式压缩机中的磁悬浮转子系统进行分析，构建单通道磁悬浮转子系统动力学模型；

4、对磁悬浮离心式压缩机的喘振扰动特性进行分析，构建喘振干扰动态子系统模型；

5、基于所述单通道磁悬浮转子系统动力学模型和所述喘振干扰动态子系统模型构建干扰观测器，并获取干扰估计误差动态规律；

6、基于所述干扰估计误差动态规律，采用极点配置方法配置干扰观测器极点，获取观测器增益；

7、将增益后的干扰观测器嵌入pid控制器，进行控制器输出设计；

8、将所述控制器输出代入磁悬浮转子系统运动的微分方程，进行喘振抑制。

9、可选地，构建单通道磁悬浮转子系统动力学模型的过程包括：

10、获取磁悬浮转子系统中各模块运动的微分方程；

11、基于所述微分方程获取动力学方程；

12、将所述动力学方程转化为状态空间方程形式：

13、

14、其中状态变量包含转子位移hs及其微分，u为控制器输出控制量，fd为喘振扰动，c＝[1 0]，kh和ki分别为磁轴承的位移刚度和电流刚度，kw和ks分别为功率放大器和传感器环节的增益，m为转子质量，a1和a2是与压缩机本体结构参数有关系的已知量。

15、可选地，构建喘振干扰动态子系统模型的过程包括：

16、对喘振扰动的成分组成进行分析，并将成分组成中的喘振扰动频率视为已知量，构建所述喘振干扰动态子系统模型：

17、

18、其中w(t)为包含喘振扰动分量的向量，w和v为已知的加权矩阵，fd为喘振扰动。

19、可选地，所述喘振扰动包括：

20、fd＝a1 sin(ωht+θ1)+a2 sin(2ωht+θ2)

21、其中，ωh为压缩机系统的亥姆霍兹频率，a1和a2为未知的分量幅值，θ1和θ2为未知的分量相角，t表示时间。

22、可选地，所述干扰观测器如下所示：

23、

24、其中，为喘振扰动估计值，k为干扰观测器的增益矩阵，为w(t)的估计值，z(t)为辅助变量，a、b和bd为转子系统状态空间方程的已知矩阵，w和v为干扰子系统的加权矩阵，u′(t)为干扰前馈补偿后的控制器输出量，x(t)表示状态变量x的时域形式。

25、可选地，所述干扰估计误差动态规律如下所示：

26、

27、其中ew(t)为w(t)的估计误差，为ew(t)的微分，k为干扰观测器的增益矩阵，bd为转子系统状态空间方程的已知矩阵，w和v为干扰子系统的加权矩阵。

28、可选地，进行控制器输出设计的过程包括：

29、对pid控制器进行参数调优，使磁悬浮转子系统处于无扰动环境；

30、将喘振扰动估计量引入调优后的pid控制器，获取补偿后的控制器输出。

31、可选地，所述补偿后的控制器输出如下所示：

32、

33、其中u为pid控制器输出，u′为干扰前馈补偿后的控制器输出量，为喘振扰动估计值，hs为转子位移,kh和ki分别为磁轴承的位移刚度和电流刚度，kw和ks分别为功率放大器和传感器环节的增益，m为转子质量，a1和a2是与压缩机本体结构参数有关系的已知量。

34、本发明的技术效果为：

35、1、本发明充分利用喘振扰动频率为系统的亥姆霍兹频率的已知条件，并根据此条件建立谐波扰动的干扰子模型，相对于扩张状态观测器这类观测集总扰动的现有观测技术，本发明利用了已知干扰信息，使得在此频率及其二倍频处的喘振扰动成分均可以被准确抑制；

36、2、为了便于观测器增益的整定，本发明采用极点配置方法将观测器极点均位于离虚轴相对较远的负实轴的同一位置，保证观测器快速收敛的同时具有较好的阻尼特性，有助于减小观测器暂态过程中的振荡；

37、3、本发明首先根据控制需求设计pid控制器以保证系统闭环稳定，然后采用干扰观测器(dobc)对喘振谐波扰动实时估计并嵌入控制器中实现扰动衰减，采用本发明可以有效的减小喘振期间由压力波动引起的转子的振动，从而降低了磁悬浮转子失稳发生结构损坏的可能性，实现了系统扰动抑制能力和可靠性的有效提升。同时，采用干扰观测器与pid控制器相结合的二自由度控制系统结构，具有弱耦合性，干扰观测器的引入并不需要改变原先设定的控制器参数，因而便于工程应用。

技术特征：

1.一种磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，构建单通道磁悬浮转子系统动力学模型的过程包括：

3.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，构建喘振干扰动态子系统模型的过程包括：

4.根据权利要求3所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，所述喘振扰动包括：

5.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，所述干扰观测器如下所示：

6.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，所述干扰估计误差动态规律如下所示：

7.根据权利要求1所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，进行控制器输出设计的过程包括：

8.根据权利要求7所述的磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，其特征在于，所述补偿后的控制器输出如下所示：

技术总结
本发明公开了一种磁悬浮离心式压缩机的喘振干扰抑制方法，步骤包括：对磁悬浮转子系统进行分析，构建单通道磁悬浮转子系统动力学模型；进行喘振扰动特性分析，构建喘振干扰动态子系统模型；基于单通道磁悬浮转子系统动力学模型和喘振干扰动态子系统模型构建干扰观测器，并获取干扰估计误差动态规律；基于干扰估计误差动态规律，采用极点配置方法配置干扰观测器极点，获取观测器增益；将增益后的干扰观测器嵌入PID控制器，进行控制器输出设计；将控制器输出代入磁悬浮转子系统运动的微分方程，进行喘振抑制。本发明可有效减小喘振期间由压力波动引起的转子振动，降低磁悬浮转子失稳发生结构损坏的可能性，实现系统扰动抑制能力和可靠性提升。

技术研发人员：周金祥,麻文月,韩雪,郑世强
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15