控制過程中的振蕩的主動阻尼的製作方法

2023-05-27 19:00:51

本文提供的實施方式涉及控制過程中的振蕩，並且具體地涉及用於主動地阻尼控制過程中的振蕩的方法。

背景技術：

諸如離心式壓縮機之類的壓縮機在提取應用、加工廠和管線應用中被廣泛地用來壓縮和分配氣流。在圖1中示出了用於這種應用的已知的壓縮系統100的常見布置，其中典型的部件是可見的。

壓縮系統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用於接收介質，而站出口集管102用於提供已經被壓縮系統100處理過的介質。在站入口集管101與站出口集管102之間設置有兩個離心式壓縮機103、104。離心式壓縮機104由變頻驅動105和馬達106控制。從站入口集管101開始，介質穿過處理和安全閥(其中一個用107標示)，並且在被送至離心式壓縮機103、104之前經過洗滌器(scrubber)108、109。被離心式壓縮機103壓縮的介質被部分地用作燃氣渦輪110中的燃料氣體，從而驅動氣體壓縮機110。介質在從離心式壓縮機103、104開始的路徑上穿過氣體冷卻器111和112。

由於外部和內部幹擾以及不同的控制層之間的相互作用，控制系統的部件會在正常工作期間受到振蕩。這通常是不期望的，因為過程的穩定性受到幹擾，並且管線系統和控制系統的其他部件被置於壓力之下。

離心式壓縮機的控制責任通常由防喘振控制器(anti-surge controller)和過程控制器分擔。防喘振控制器負責保持壓縮系統 處於喘振線的右側上的穩定工作區域中，而過程控制器通過操縱驅動系統的速度或轉矩將排放流、吸入壓力、排放壓力或壓力比調節至來自較高的自動化水平或操作人員的設定點要求。根據具體應用而可以存在其他控制系統，例如操縱上遊閥的吸入壓力控制器。在當前的行業實踐中，這些控制器都使用一般不相互通信的分布式比例-積分-微分(PID)環。

在正常工作期間，通常是這樣的情況：在壓縮系統中存在小的振蕩。這些振蕩可以由多種因素導致。下面將總結這些因素中的一些。

設定點與寫入致動器中的真實值之間的失調(對於通常具有不準確的致動/定位系統的閥特別重要)可能導致振蕩。

再循環閥和其他過程閥的粘滑(stick-slip)現象可能導致振蕩。這在2005年的Control Engineering Practice(控制工程實踐)13(2005)的第641至658頁的「Modelling Valve Stiction(閥靜摩擦建模，M.A.A.Shoukat Choudhury,N.F.Thornhill和S.L.Shah等人著)」中進行了公開。

所考慮的應用的上遊和下遊的持續的或脈動的幹擾可能導致振蕩。

溼氣狀況可能導致振蕩。

不同的控制環(例如，兩個不同機器的兩個過程控制器彼此振蕩)之間的未考慮的相互作用可能導致振蕩。

壓縮系統中的調諧較差的控制器(例如，過程控制器)、或者過時的調諧(例如，過程條件顯著變化)可能導致振蕩。

這種振蕩是不期望的，因為振蕩縮短了部件的壽命並且破壞了控制系統的穩定性和控制性能的質量。

控制環的死區時間補償和/或失諧有助於以控制性能降低為代價處理振蕩。這種機制是能夠幫助或提高過程阻尼的被動措施。

然而，仍然需要對控制過程中的振蕩的改進的阻尼。

技術實現要素：

本文的實施方式的目的是提供對控制過程中的振蕩的高效的阻尼。

根據第一方面，提供了一種用於主動地阻尼壓縮過程中的振蕩的方法。通過控制器來執行該方法。該方法包括獲取來自壓縮過程的過程數據。該方法包括執行過程數據中的任何檢測到的振蕩的振蕩頻率估測。該方法包括基于振蕩頻率估測生成阻尼信號。該方法包括向壓縮過程的電驅動提供阻尼信號。

有利地，這提供了對控制過程中的振蕩的高效阻尼。

有利地，這為壓縮應用提供了改善的控制性能、過程安全性和穩定性需求。

有利地，與燃氣渦輪驅動的壓縮機相比，這提供了提高的能量效率和零排放。

根據第二方面，提供了一種用於主動地阻尼壓縮過程中的振蕩的控制器。該控制器包括處理電路。該處理電路配置成使得控制器執行在根據第一方面的方法中限定的操作集合。

根據第三方面，提供了一種用於主動地阻尼壓縮過程中的振蕩的電腦程式，該電腦程式包括電腦程式代碼，該電腦程式代碼當在控制器上運行時使得控制器執行根據第一方面的方法。

根據第四方面，提供了一種電腦程式產品，該電腦程式產品包括根據第三方面的電腦程式以及其上存儲有電腦程式的計算機可讀裝置。

根據第五方面，提供了一種控制系統，該控制系統包括根據第二方面的控制器以及電驅動，該電驅動配置成接收來自控制器的阻尼信號並且因而由控制器控制。

應當注意，第一、第二、第三、第四和第五方面的任何特徵都可以應用於任何其他方面，只要適合即可。類似地，第一方面 的任何優點都可以等同地分別應用於第二、第三、第四和/或第五方面，反之亦然。所附的實施方式的其他目的、特徵和優點將從下文的詳細公開內容、從所附從屬權利要求以及從附圖中顯而易見。

一般而言，在權利要求中使用的所有術語都應根據這些術語在技術領域中的普通含義來解讀，除非文中另有明確限定。所有涉及「元件/所述元件、設備/所述設備、部件/所述部件、裝置/所述裝置、步驟/所述步驟等」的地方都應被開放地理解為指的是至少一個所述元件、至少一個所述設備、至少一個所述部件、至少一個所述裝置、至少一個所述步驟等，除非文中另有明確說明。本文公開的任何方法的步驟都不必嚴格地以所公開的順序來執行，除非另有明確說明。

附圖說明

現在參照附圖通過示例來描述本發明的構思，在附圖中：

圖1是示出了已知的壓縮系統的示意圖；

圖2是示出了根據一個實施方式的控制器的功能單元的示意圖；

圖3是示出了根據一個實施方式的控制系統中的控制器的功能模塊的示意圖；

圖4示出了包括根據一個實施方式的計算機可讀裝置的電腦程式產品的一個示例；

圖5是示出根據一個實施方式的控制系統的示意圖；

圖6是根據一些實施方式的方法的流程圖；以及

圖7和圖8提供了根據一些實施方式的模擬結果。

具體實施方式

現在將參照附圖更完整地在下文中描述本發明的構思，其中在附圖中示出了本發明的構思的某些實施方式。然而，本發明的 構思可以通過很多不同的形式來體現，並且不應被認為局限於本文闡釋的實施方式；相反，這些實施方式通過示例的方式來提供是為了使本公開變得透徹而完整，並將本發明的構思的範圍完整地傳達給本領域普通技術人員。在整個說明書中使用相同的附圖標記來指代相同的元件。由虛線圖示的任何步驟或特徵都應被認作是可選的。

本文公開的實施方式涉及操縱電(可變速)驅動以便主動地阻尼由前面列舉的因素導致的振蕩。這種操縱使得性能波動最小化並且提高了控制系統的穩定性。

為了獲得對振蕩的這種主動阻尼，提供了控制器、由控制器執行的方法、包括代碼的電腦程式，該代碼例如為當在控制器上運行時使得控制器執行所述方法的電腦程式產品的形式。還提供了包括這種控制器和電驅動的控制系統。

圖2示意性地在多個功能單元方面示出了根據一個實施方式的控制器200的部件。使用合適的中央處理單元(CPU)、多處理器、微型控制器、數位訊號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)等中的一個或多個的任何組合來提供處理電路201，處理電路201能夠執行存儲在電腦程式產品401(見圖4)、例如存儲介質203形式的電腦程式產品中的軟體指令。

特別地，處理電路201配置成使得控制器200執行操作集合或步驟S102-S112。這些操作或步驟S102-S112將在下文中公開。例如，存儲介質203可以存儲所述操作集合，並且處理電路201可以配置成從存儲介質203中獲取所述操作集合以使控制器200執行所述操作集合。所述操作集合可以提供為可執行指令的集合。

因此，處理電路201被設置成執行本文公開的方法。存儲介質203還可以包括永久性存儲器，例如可以是磁存儲器、光存儲器、固態存儲器或者甚至遠程安裝的存儲器中的任一個或任意組 合。控制器200還可以包括用於與實體和裝置通信的通信接口202，以便例如獲取過程數據並且提供阻尼信號和控制信號。

處理電路201例如通過向通信接口202和存儲介質203發送數據和控制信號、通過從通信接口202接收數據和報告以及通過從存儲介質203獲取數據和指令而控制控制器200的一般操作。為了不使本文提出的構思模糊不清，省略了控制器200的其他部件以及相關的功能性。

圖3示意性地在多個功能模塊方面示出了構成根據一個實施方式的作為控制系統315的部分的控制器200的部件。控制器200具有用信號309、311、312、313和314表示的五個接口，控制器200通過這五個接口與其他實體和裝置例如控制系統315的電驅動307、馬達306以及構成壓縮過程308的一部分的氣體壓縮機305直接或間接地交互。信號310是向電驅動307提供來自壓縮過程308的反饋的基準信號。

圖3的控制器200包括多個功能模塊：數據獲取模塊301，其配置成執行下面的步驟S102；振蕩檢測模塊302，其配置成執行下面的步驟S104(部分地執行)；振蕩頻率估測模塊303，其配置成執行下面的步驟S104(部分地執行)；以及阻尼生成模塊304，其配置成執行下面的步驟S106並且可選地執行下面的步驟S108a和S110中的任一個步驟。每個功能模塊301-304的功能性將在下文中在可以使用哪個功能模塊301-304的背景下進一步公開。一般而言，每個功能模塊301-304可以以硬體或軟體來實施。優選地，功能模塊301-304中的一個或多個或全部可以通過處理電路201來實施，並且可能地與功能單元202和/或203協作地實施。處理電路201因此可以設置成從存儲介質203取得由功能模塊301-304提供的指令並且執行這些指令，因而執行將在後文中公開的任何步驟。

一般而言，數據獲取模塊301配置成通過標準測量設備和/或通過來自電驅動307的電信號和/或藉助於信號311、312、313、 314通過機械信號來獲取相關的過程數據。

一般而言，振蕩檢測模塊302配置成執行振蕩檢測算法以處理窗口中的過程數據並由此檢測在其中一個或多個信號中是否存在顯著的振蕩。這可以使用標準的方法來執行，該方法例如為G.Chowdhary、S.Srinivasan和E.Johnson在2010年的JACIC中的「A Frequency Domain Method for Real-Time Detection of Oscillations(用于振蕩的實時檢測的頻域方法)」一文中所描述的方法，該方法基於離散傅立葉變換(DFT)。

一般而言，振蕩頻率估測模塊303配置成在由於檢測到振蕩而被振蕩檢測模塊302觸發時確定要被阻尼的振蕩頻率。一種可能性是分析一些歷史窗口中的頻譜並且估測哪個頻率內容對觀察到的振蕩貢獻最大。振蕩頻率的估測也可以例如使用卡爾曼濾波(KF)、擴展的爾曼濾波(EKF)或滾動時域估測(MHE)(moving horizon estimation)而以時域或頻域信號為基礎。

一般而言，阻尼生成模塊304配置成生成阻尼信號，該阻尼信號被提供給電驅動307並且被添加至其基準信號310。不需要模型或其他現有的知識來主動地阻尼振蕩。另外，振蕩的根源是什麼並不重要。電驅動307然後可以生成操縱馬達306並且完成所需的設定點變化的信號。

控制器200可以配置成使得終端用戶能夠提供關於將不被阻尼的一個或多個頻率範圍的輸入。這可能需要引入附加的功能模塊，該附加的功能模塊配置成如果頻率fo在指定的一個或多個頻率範圍外則導致主動阻尼被執行。然而，需要特別注意辨別並儘可能遠離對應於控制系統中存在的任何壓縮機中的喘振或旋轉失速的振蕩頻率。

假設過程的模型被給定(例如，通過電驅動307與壓縮機流之間的階躍響應或電驅動307與喘振距離之間的階躍響應)，能夠利用先進的技術實現阻尼系統。

圖4示出了包括計算機可讀裝置403的電腦程式產品401。 在該計算機可讀裝置403上能夠存儲電腦程式402，電腦程式402能夠使處理電路201以及操作性地聯接至處理電路201的實體和裝置(例如通信接口202和存儲介質203)執行根據本文描述的實施方式的方法。電腦程式402和/或電腦程式產品401因此可以提供用於執行本文公開的任何步驟的裝置。

在圖4的示例中，電腦程式產品401示出為光碟，例如CD(高密度盤)或DVD(數字多功能盤)或藍光碟。電腦程式產品401也可以實施為存儲器，例如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)或電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)，並且更具體地實施為外部存儲器如USB(通用串行總線)存儲器或快閃記憶體例如壓縮快閃記憶體中的裝置的非易失性存儲介質。因此，儘管電腦程式402這裡示意性地示出為所描繪的光碟上的軌道，但電腦程式402能夠以適合於電腦程式產品401的任何方式存儲。

圖6是流程圖，示出了用於主動地阻尼控制過程中的振蕩的方法的實施方式。所述方法由控制器200執行。所述方法有利地被設置為電腦程式402。

本發明的構思由於注意到可以利用電可變速驅動器用主動機制來阻尼壓縮系統中的振蕩而克服了上述問題。為了這樣做，本文公開的控制器200獲取過程數據。特別地，控制器200配置成在步驟S102中獲取來自壓縮過程308的過程數據。這種獲取可以通過前面公開的數據獲取模塊301來執行。

控制器200然後對振蕩檢查過程數據。特別地，控制器200配置成在步驟S104中執行過程數據中的任何檢測到的振蕩的振蕩頻率估測。該振蕩頻率估測可以通過前面公開的振蕩頻率估測模塊303來執行，可能與前面公開的振蕩檢測模塊302聯合執行。

假設振蕩確實在過程數據中檢測。因此，生成阻尼信號以主動地阻尼檢測到的振蕩。特別地，控制器200配置成在步驟S106中基于振蕩頻率估測生成阻尼信號309。阻尼信號309的這種生 成可以通過前面公開的阻尼生成模塊304來執行，可能與前面公開的振蕩頻率估測模塊303聯合執行。

為了使阻尼信號309對壓縮過程308有影響，將阻尼信號309提供給電驅動307。特別地，控制器200配置成在步驟S108中將阻尼信號309提供給壓縮過程308的電驅動307。阻尼信號309的這種提供可以通過前面公開的阻尼生成模塊304來執行。

現在將公開關於用於主動地阻尼控制過程中的振蕩的機制的更多的細節。

根據一個實施方式，壓縮過程是離心式氣體壓縮機305的壓縮過程。因此，根據該實施方式，阻尼信號309被提供給離心式氣體壓縮機305的電驅動307。

阻尼信號是阻尼估測的振蕩的信號。因此，根據該實施方式，阻尼信號309被生成(如步驟S106中那樣)和/或被提供(如步驟S108中那樣)以阻尼過程數據中的檢測到的振蕩。

存在可以檢測振蕩的不同的頻率。作為示例，振蕩頻率估測可以配置成估測從0.1Hz到10Hz的頻率範圍內的振蕩。大約0.1Hz到大約10Hz是典型的振蕩頻率範圍。相比之下，機械振動具有大約25Hz至大約400Hz之間的頻率。

另外，控制器200可以配置成在執行振蕩頻率估測的步驟期間檢測過程數據中的多於一個振蕩；本文公開的實施方式不限於被阻尼的振蕩的具體數量。

可以存在多種向電驅動307提供阻尼信號309的方式。例如，阻尼信號309在步驟S108a中可以被添加為電驅動307的標稱基準信號310的偏差。

控制器200可以生成其他類型的控制信號並且將這些控制信號提供給過程308。例如，控制器200可以配置成在可選的步驟S110中生成操縱電驅動307的馬達306的控制信號。控制信號包括阻尼信號和標稱基準信號以改變馬達306的設定點。控制器200然後可以在可選的步驟S112中將該控制信號提供給電驅動307， 用於其改變馬達306的設定點。

可以存在不同的過程數據源。例如，過程數據可以根據電驅動信號311、壓縮機的吸入條件312、壓縮機的排放條件313、機械信號314或者上述各項的任意組合而獲取。可替代地，過程數據可以是計算出的變量。

關於電驅動信號，其可以包括特定的驅動相關信號，例如馬達速度估測、馬達轉矩估測、軸功率、直流(DC)電壓、U相電流、速度、速度控制環中的誤差或者這些項的任意組合。關於吸入條件，其可以包括吸入溫度、吸入流量和/或吸入壓力。關於排放條件，其可以包括排放溫度、排放壓力、排放流量或者這些項的任意組合。關於機械信號，其可以包括振動測量、位移測量、軸轉矩測量或者這些項的任意組合。

關於這一點，需要強調的是，機械信號用於對振蕩進行阻尼。然而，能夠想到，本文公開的除了生成用於阻尼振蕩的阻尼信號之外還主動地阻尼振蕩的機制可以提供用於對振動進行阻尼的阻尼信號。機械信號因此可以附加地用於阻尼振動。

針對控制器200可以有不同的方式來執行振蕩頻率估測。例如，控制器200可以執行頻率分析。特別地，控制器200可以配置成在可選的步驟S104b中通過頻率分析來分析獲取的過程數據，以檢測過程數據中振蕩的存在。控制器200然後可以配置成在可選的步驟S104c中基於頻率分析確定要被阻尼的振蕩頻率。

另外，控制器200可以配置成使得終端用戶能夠提供關於將不被阻尼的一個或多個頻率範圍的輸入。因此，控制器200可以配置成在可選的步驟S104a中接收標識不被阻尼的至少一個頻率範圍的輸入。該至少一個頻率範圍然後可以從在步驟S104b中進行的對獲取的過程數據的分析中排除。

可以存在不同的方式來像步驟S104b中那樣分析獲取的過程數據。例如，獲取的過程數據可以通過加窗離散傅立葉變換來分析。振蕩頻率估測在窗口時長至少為要被阻尼的振蕩的周期的 兩倍的時間窗口內運行。也就是說，加窗離散傅立葉變換可以在時長為200毫秒至100秒的時間窗口內運行。

可以存在不同的振蕩類型。例如，振蕩可以通過再循環閥508的粘滑、相互作用的防喘振和過程控制環、吸入閥502的操縱、排放閥505的操縱、吸入集管壓力的變化、排放集管壓力的變化或上述各項的任意組合而誘發。

在圖5的控制系統511中示出了用於主動地阻尼控制過程中的振蕩的一個特定的實施方式。控制系統511涉及如下實施方式，其中：離心式氣體壓縮機305從吸入集管501接收天然氣。這種控制系統511還能夠用於空氣壓縮機、CO2壓縮機、氮氣壓縮機和所有其他類型的氣體壓縮機，在這些壓縮機中都面臨基本類似的問題。

氣體流動通過吸入閥502，進入吸入空間503並且被由馬達306驅動的氣體壓縮機305壓縮。在經過排放空間504之後，氣體通過排放閥505被排出至排放集管506，或者通過再循環路徑507和再循環閥508被再循環回到吸入空間503。

馬達306由接收來自過程控制器509的基準信號310的電驅動307控制。過程控制器509使用排放條件(例如，壓力、溫度、壓縮機流量)的反饋信號510並將其與實際設定點進行比較。

控制器200包括前面公開的功能模塊301、302、303和304。數據獲取模塊301通過來自電驅動信號311的輸入、來自壓縮機305的吸入條件312的輸入、來自壓縮機305的排放條件313的輸入以及來自機械信號314的輸入來獲取過程數據。如前所述，電驅動信號311可以包括馬達速度估測、馬達轉矩估測、軸功率、直流(DC)電壓、U相電流、速度、速度控制環中的誤差等；如前所述，吸入條件312和排放條件313的測量可以包括吸入溫度、吸入壓力、排放溫度、排放壓力以及排放流量或吸入流量。如前所述，機械信號314可以包括振動測量、位移測量、軸轉矩測量等。注意，至少一個測量源是必需的，而如果測量設備已經就位， 那麼不同測量的所有組合也可以考慮。測量的最小集合可以由氣體壓縮機的吸入條件和排放條件來表示，這些條件對防喘振和過程控制始終可用。

數據獲取模塊301對採樣並且存儲所有信號的歷史進行採樣並且存儲。振蕩檢測模塊302利用加窗離散傅立葉變換算法來分析獲取的信號。該分析的結果是對每個信號檢測到的或未檢測到的振蕩上的旗標。如果在具體的信號中檢測到了振蕩，則由振蕩頻率估測模塊303對該信號執行振蕩頻率估測。在一個信號中可以存在多個振蕩頻率，這意味著能夠檢測到多個振蕩頻率。

在檢測到的振蕩和相關的頻率給定的情況下，阻尼生成模塊304生成阻尼信號309。該阻尼信號309被發送至電驅動307，電驅動307然後添加阻尼信號309作為標稱基準信號310上的偏差。

控制器200對振動頻率估測的典型執行周期在300ms至800ms的範圍內，但也可以是更長或更短的間隔，這取決於應當檢測和阻尼的振蕩頻率。

在所提供的實施方式中，振蕩可以通過再循環閥508的粘滑、相互作用的防喘振和過程控制環、吸入閥502的操縱或排放閥505的操縱以及吸入集管壓力的變化和排放集管壓力的變化而導致。

現在將公開用於實現由阻尼生成模塊304執行的功能性的一個特定實施方式。阻尼生成模塊304能夠例如利用下面的傳遞函數(在拉普拉斯變換域中)實施為阻尼濾波器：

<![CDATA[ y o u t = k 1 f o s ( k 2 f o s + 1 ) ( k 3 f o s + 1 ) u i n ]]>

在該等式中，fo是要被阻尼的頻率，k1、k2和k3是調諧常數，uin是包含振蕩的輸入信號，yout是對系統進行阻尼的信號309，並 且s是複數。阻尼濾波器從根本上改變原始信號的振蕩相位，同時保持頻率fo。

假設要被阻尼的頻率fo是已知的且為常數，並且提供為終端用戶輸入，則可以在無需估測頻率fo的情況下應用主動阻尼機制。

另外，如果有模型可用，那麼阻尼生成模塊304可以利用基於模型的方法來實施。其中一個可以表述為滾動時域方式中的優化問題，這將對應於阻尼模型預測控制(MPC)控制器。

進一步地，如果沒有過程測量且沒有機械測量可用，那麼通過僅僅分析可從電驅動307獲得的電信號，阻尼生成模塊304仍能夠使用。該功能性可以內置在驅動控制系統中，並且如果驅動信號足以檢測過程側的振蕩，則阻尼動作可以在沒有外部測量的情況下僅由驅動提供。如前所述，這種電信號可以包括馬達速度估測、馬達轉矩估測、軸功率、DC電壓、U相電流、速度、速度控制環中的誤差等。

圖7和圖8提供了模擬結果，其中本文公開的用於主動地阻尼振蕩的機制被與未阻尼的壓縮過程進行比較。圖7示出了對於作為時間的函數的壓縮機流量的結果，並且圖8示出了對於作為時間的函數的轉矩的結果。軸上的比例是任意的，並且提供這些圖僅僅是為了表明未阻尼的壓縮過程與受到阻尼的壓縮過程的一般比較。

前面已經參考了少量實施方式描述了本發明的構思。然而，本領域技術人員容易理解，除了前面公開的實施方式以外的其他實施方式在由所附專利權利要求限定的本發明的構思的範圍內也是等效可行的。例如，在圖5中示意性地示出了多個可能的標準氣體壓縮機中的僅僅一個。本領域技術人員能夠意識到，存在例如使用兩個再循環路徑、使用代替再循環路徑的排放閥、使用具有並聯的多於一個壓縮機的構型、使用串聯和混合布置、使用下遊冷卻器、使用上遊冷卻器等的諸多變型，本文公開的用於主動地阻尼振蕩的機制能夠等同地應用於這些變型。根據可用的測 量和用戶規範，能夠想到不同的布置。