CN1136485C - 动态压缩机的防冲击控制系统 - Google Patents

Abstract

本供动态压缩机(11)使用的一种防冲击控制系统具有一个多重模块控制器(20)，用来操作一个在动态压缩机(11)外围使气流旁路的反冲击阀门(12)。多重模块控制器(20)包括一个PID控制模块(21)和一个速度控制模块(40)。PID控制模块(21)控制反冲击阀门(12)，以便在冲击控制线(71)附近控制动态压缩机的工作点。速度控制模块(40)把工作点到冲击控制线(71)的接近速度作为其可调变量。如果接近速度很高，速度控制模块(40)就接管反冲击阀门(12)的控制工作。对速度控制模块(40)打开反冲击阀门(12)的设定点进行调节，从而控制冲击控制线(71)的接近速度，尽量减少PID控制的过调量。

Description

动态压缩机的防冲击控制系统

本发明主要涉及到用来控制压缩机操作的控制系统，特别是涉及到在动态压缩机中防止冲击的控制系统和方法。

动态压缩机在生产过程中被广泛地用于提供压缩气体源。为了避免接收这种压缩气体的下游工序的操作出现间断，必须要有效地控制动态压缩机的操作，以便根据下游工序的需要而提供稳定的输出压力或是流率。然而，众所周知，当动态压缩机的流率由于下游工序的状态发生变化等等原因而下降到一定的门限值以下时，在压缩机中就可能出现冲击和完全断流的现象。除了会造成下游工序间断的必然影响之外，冲击还会给动态压缩机带来灾难性的后果，在压缩机内产生听觉噪声和剧烈的振动，在严重的情况下会给动态压缩机带来严重的损害。

在低于门限流率时，动态压缩机就会出现冲击，这种门限是动态压缩机两端的压力差的函数。冲击状态通常是用一种压缩机特性线图来表示的，这种图采用实际流量和多变压头的关系来反映压缩机的操作。目前已经发现，如果压缩机轮在压缩机特性线图中的工作点落入由一条冲击线所界定的冲击区域之内，就会出现冲击，这种冲击线大致是一条抛物线，其定义是：

   (实际流量)²/(多变压头)＝K，其中的K是一个常数。

通常用来防止动态压缩机出现冲击或是使动态压缩机脱离冲击的方法是打开连接到压缩机输出端的一个反冲击阀门，使动态压缩机的一部分输出气流返回到压缩机入口。这样就能增加压缩机的流率，使压缩机的工作点脱离冲击区域。为了控制工作点防止其进入冲击区域，采用比例-积分-微分(PID)控制器构成了一个系统，用来控制反冲击阀门的开/关。这种控制器通常是在压缩机的工作点越过一条预定的冲击控制线之后开始工作的，冲击控制线在压缩机特性线图中的位置处在与冲击线有一个选定的安全余量的范围内。

为了有效地防止发生冲击，非常希望能够通过估计流量的扰动是否会使动态压缩机的工作点越过冲击线而预测是否需要打开反冲击阀门。可能发生冲击的一种主要标志就是工作点接近冲击线的速度，也就是工作点与冲击限制线之间距离的时间导数。如果冲击控制系统可以对高速接近作出适当的响应，在工作点到达冲击控制线之前打开反冲击阀门，就可以大大降低冲击的风险。

考虑到稳定性的问题，通常用于防冲击控制的PID控制器尽管具有“微分”作用，仍然不能满足对接近速度的响应要求。在防冲击控制的大多数应用场合，PID控制器的可调变量是根据测量的气流计算出来的值。测得的气体流率本身就含有噪声，并且信噪比很低。如果用PID的微分功能来响应这种接近速度，噪声响应就会使反冲击阀门打开和关闭，对过程控制造成不应有的干扰和不必要的能耗。因此不可能依靠PID的微分作用来响应这种接近速度。

在Staroselsky等人的美国专利US4949276号中公开了一种用来响应工作点对冲击线的接近速度的方法。该方法是把用来控制反冲击阀门的PID控制器的设定点移动到远离冲击线，因此，PID控制器的过程值有可能会很快跨过设定点。这样一来，PID控制器就可以更快地打开反冲击阀门。按照这种方法，设定点的移动量是工作点向冲击限制的接近速度的一种函数。这种方法具有以下几个缺点。例如，设定点的连续变化会造成难以监视PID控制器的工作。另外，PID控制器会响应由这种方法产生的不断变化的人为误差，使PID控制器的工作缺乏可预测性。此外，由于需要平滑和稳定的工作，用来控制反冲击阀门的普通PID控制器对急剧的流量扰动不能作出最佳的响应，因而就无法对工作点向冲击限制线的接近速度提供反作用的最佳响应，因此，很难形成有效的防冲击控制。

针对上述问题，本发明的主要目的是为动态压缩机提供一种改进的控制系统，用来有效地防止压缩机受到冲击。

为此，本发明的目的是为动态压缩机提供一种防冲击控制系统，用来把压缩机工作点的位置控制在冲击控制线附近，同时对工作点向冲击线的高速接近作出最佳的响应。

本发明的一个相关目的是为动态压缩机提供一种防冲击控制系统，它可以在冲击控制线附近对动态压缩机的工作点位置提供最佳的PID控制，并且对工作点向冲击线的高速接近提供最佳的响应，同时不会对PID控制操作造成不利的影响。

按照本发明的上述和其他目的，本发明提供了一种控制系统，用于防止动态压缩机中的冲击，并且采用一种对压缩机工作点的位置和速度控制都是最佳的多重模块控制。压缩机在压缩机特性线图中具有一个可以确定的可变工作点，这种特性线图包括一个稳定区域，一个冲击区域，把两个区域分开的一条冲击线，以及靠近但是离开冲击线的一条冲击控制线。由控制系统操作一个反冲击阀门，该阀门具有一个用于调节阀门打开的电输入端，用来可控地增加通过动态压缩机的流量。该控制系统采用一种多重模块控制器，它具有用于接收代表动态压缩机工作点的一个控制变量的输入端，并且具有一个用来控制反冲击阀门打开的输出信号。多重模块控制器中的PID控制模块接收作为过程输入的控制变量，并且具有一个对应着冲击控制线的设定点，用来产生在冲击控制线的区域内对动态压缩机的工作点发挥控制作用的第一输出信号。多重模块控制器中的微分模块接收控制变量，并且产生一个速度信号，该信号的幅值代表着工作点向冲击控制线接近的速度。多重模块控制器中的速度控制模块接收作为过程输入的流率信号，并且在接近速度超过一个设定点时产生一个第二输出信号，开始适当地打开反冲击阀门。一个输出信号选择器接收包括第一和第二输出信号的多个输入信号，并且选择一个输入信号作为多重模块控制器的输出信号。

本发明的特征在于采用闭环PID控制模块把压缩机工作点的位置控制在冲击控制线的区域之内，并且使用速度控制模块来直接控制工作点的接近速度。速度控制模块接管反冲击阀门的控制，并且在接近速度过高时开始打开反冲击阀门，甚至可以在PID控制模块动作之前。

本发明的特征在于速度控制模块具有一种积分器的功能，可以把流率控制器的误差减少到零。

本发明的另一个特征是速度控制模块的设定点是按照工作点到冲击控制线的接近程度来调节的，以免不必要地打开反冲击阀门。

本发明的再一个特征是速度控制模块的增益是按照动态压缩机的操作状态来调节的，以便使速度控制模块的作用线性化。

通过以下结合附图的详细说明可以认识到本发明的其他目的和优点，在附图中：

图1是一个示意图，表示一个具有反冲击阀门的动态压缩机，该阀门是由一个体现本发明的多重模块控制器来控制的；

图2是一个示意图，表示用于防止冲击的一个多重模块控制器，这种控制器具有一个PID控制模块和一个速度控制模块；

图3是用于防止冲击的速度控制模块的一个实施例的示意图，它具有一个积分器和一个跟踪元件；

图4表示速度控制模块设定点与控制变量与PID控制模块的设定点的接近程度之间的一种形式的功能相关性；

图5是一个方框图，用来表示在速度控制模块中产生增益，设定点，以及过程变量的步骤；

图6是动态压缩机的一种压缩机特性线图，图中表示了压缩机工作点的不同位置；以及

图7是一个方框图，有助于理解按照本发明提出的方法如何防止在动态压缩机中发生冲击。

以下参见附图，图1是具有防冲击控制系统的一个动态压缩机11的示意图。这种防冲击控制包括调节一个连接到动态压缩机11输出端的反冲击阀门12。在图1所示的系统中，反冲击阀门12同时还连接到动态压缩机11的入口10。反冲击阀门12具有一个可调节的开口，它是由发送给反冲击阀门12的控制输入112的电信号来控制的。在反冲击阀门12被打开时，动态压缩机11的输出流量的一部分围绕着压缩机11被旁路，并且返回到入口10，使通过反冲击阀门12旁路的流量得以循环。围绕着动态压缩机11的旁路流量增加了通过动态压缩机的总流量，其结果就可以使工作点远离冲击区域。显而易见，如果用通过反冲击阀门12直接排出动态压缩机11的一部分输出流量的方式来代替图1的气体循环方式，也可以增加动态压缩机11的流量。除非有其他具体的说明，本文中使用的术语“旁路”概括了上述最佳的循环方式和较好的排出方式。

为了在压缩机11中有效地防止冲击的同时尽量减少对接收压缩气体的下游工序14造成的干扰，反冲击阀门12的开和关需要受到精确的控制。如图1所示，阀门的打开是由多重模块控制器20来控制的。按照本发明的方案，多重模块控制器20不仅要在工作点靠近冲击线时通过操作反冲击阀门12来控制压缩机11的工作点，还要在接近速度过高时通过操作反冲击阀门12而直接控制工作点向冲击线的接近速度。换句话说，多重模块控制器20是通过监视接近速度来预测冲击的可能性的，并且通过打开反冲击阀门12来采取校正措施，在工作点朝着冲击线快速移动的情况下控制其接近速度。

具体地说，动态压缩机11具有一个进气口10，对气体进行压缩后通过输出18向下游工序14提供压缩气体。象往常一样在入口11和出口18内设有多个传感器，用于监视压缩机的工作状态。如图1所示，这些传感器通常包括一个入口温度传感器91，入口温度传感器92，流量传感器93，排放压力传感器94和排放温度传感器95。也可以使用其他类型的传感器。传感器的输出信号被提供给用来处理传感器输出信号的过程测量模块15，从中确定压缩机11的工作状态。控制变量计算器16按照测定的工作状态根据过程测量模块15的输出来计算控制变量。多重模块控制器20用这种控制变量来产生一个输出控制信号，阀门位置控制器17用这种控制信号来控制反冲击阀门12的开度。

在图2中更详细地表示了多重模块控制器20。多重模块控制器20包括一个PID控制模块21和一个速度控制模块40，两个模块都可以控制反冲击阀门12的阀门开度，防止压缩机11内部受到冲击(图1)。用PID控制模块21把动态压缩机11的工作点的位置适当地控制在一条预定的冲击控制线和冲击线之间，从而防止工作点移入冲击区域。

图5表示了一种压缩机特性线图，图中有一条冲击线70，在冲击线的左边划分出一个不稳定工作区域73(冲击区域)，在冲击线右边是稳定工作区域74。冲击控制线71确定了冲击线70和冲击控制线71之间的一个工作区域，PID控制模块21在该区域内开始控制反冲击阀门。

在本发明的实施例中，除了PID控制模块21之外还有一个速度控制模块40，其动作与压缩机特性线图中的工作点位置无关，用来响应工作点朝着冲击线的快速移动来控制反冲击阀门12，打开反冲击阀门12，从而降低工作点向冲击线73接近的速度。换句话说，速度控制模块40可以预测出冲击的可能性，并且直接控制接近速度。这样，即使是工作点距离冲击线73还比较远，速度控制模块40仍可以响应高速的接近而打开反冲击阀门12。

具体地说，如图2所示，多重模块控制器20具有一个控制信号输入120，用来接收控制变量计算器16产生的控制变量。计算的控制变量被用来表示动态压缩机11在压缩机特性线图中的工作点。在压缩机冲击控制系统中采用的控制变量的定义如下：

控制变量＝(实际流量)²/(多变压头)

显而易见，用这种方式定义的每个控制变量值对应着压缩机特性线图中的一条抛物线。如果实际流速是已知的，根据控制变量的一个给定值就可以唯一地确定压缩机11的工作点在图中的位置。

PID控制模块21接收这种控制变量，将其作为它的过程变量。这种控制变量还被提供给一个微分模块22，它根据控制变量来产生一个速度信号，其幅值代表着工作点向冲击线70(图5)的接近速度。然后将速度信号提供给速度控制模块40作为其过程变量。显而易见，这种速度信号可以指示出工作点朝向或是远离冲击区域的移动情况。除非另有具体的说明，本文中使用的术语“接近速度”是指工作点朝着冲击区域移动的速度。

PID控制模块21对控制变量执行闭环控制，从中产生比例，积分和微分项，并且最终产生一个用来控制反冲击阀门12位置的第一输出信号。PID控制模块21具有一个对应着冲击控制线71(图5)的设定点，PID控制模块21在控制变量值处在冲击控制线71和冲击线70之间时对控制变量起到控制作用。换句话说，PID控制模块21是在压缩机11的工作点位置处在冲击控制线71和冲击线70之间时发挥其控制作用的。在选择PID控制模块21的设定点时最好在冲击线和冲击控制线71之间保留一个安全余量，大约在5％和15％之间。

速度控制模块40也是一种具有比例，积分和微分项的闭环PID控制器结构。速度控制模块40使用流率信号作为其过程变量，并且在接近速度超过了速度控制模块40的设定点时产生一个第二输出信号，用来控制反冲击阀门12的开度。如果由于压缩机11的流速突然下降而出现高速接近的情况，速度控制模块40就会产生一个输出信号，打开反冲击阀门12使流量增加，从而降低朝着速度控制模块40的设定点接近的速度。速度控制模块40的设定点还可以起到一个门限点的作用，如果接近速度低于这一设定点，速度控制模块40就不会打开阀门。这样就能尽量减少反冲击阀门12的不必要开度以及对下游工序14的干扰(图1)的情况。

如图2所示，PID控制模块21和速度控制模块40都可以产生控制反冲击阀门12开度的输出信号。在最佳的实施例中，PID控制模块21和速度控制模块40的控制作用是由一个输出信号选择器25来协调的。输出信号选择器25具有多个输入信号。为了本发明的目的，我们仅仅对来自PID控制模块21和速度控制模块40的输入信号感兴趣。然而，显而易见，其他控制器也可以为反冲击阀门12提供输出信号，这些控制器中还包括开环控制器和负荷分配控制器等等。各个输入信号都得到校正，对应着反冲击阀门12的一个阀门开度。输出信号选择器25选择其中一个输入信号作为多重模块控制器20的输出信号，用来控制反冲击阀门12。输出信号选择器25是一种高速信号选择器，它可以在输入信号当中选择对应着最大阀门打开量的输入信号。

按照这种方式，速度控制模块40和PID控制模块就可以在必要的情况下有效地执行其各自的功能。例如，当接近速度超过了速度控制模块40的设定点，但是工作点仍然处在稳定区域时，就可以选择速度控制模块40，打开阀门12，防止冲击。另一方面，如果工作点已经靠近了冲击线，但是移动缓慢，就可以选择PID控制模块21，用来控制阀门12的开度，使工作点回到冲击控制线。在另一种情况下，如果工作点处在稳定区域，并且移向冲击区域的远方，速度控制模块40就会尝试着迅速关闭阀门。在这种情况下，PID控制模块21通常只能缓慢地关闭阀门。在这种情况下，PID控制模块可以控制阀门并且平滑地关闭阀门。

从上文中可见，工作点向冲击控制线71(图5)的接近速度可以反映出即将来临的冲击。尽管现有技术已经在冲击控制中采用了关于流率的信息，但是对控制方法仍然是间接进行的，也就是说，现有技术是按照另一种变量来工作的，例如是在普通PID控制器中移动其设定点。

按照本发明，为了直接控制流率而采用了一种专用的控制器，在其中考虑到了控制器的过程信号是流率信号而不是位置信号这样的事实。象普通的闭环控制器一样，这种控制器具有一个过程信号和一个设定点，通过二者的比较产生一个误差信号，用误差信号的幅值来驱动输出，把误差信号减少到零(zero)。然而，如果过程信号是流率信号，而控制器是一个PID，除非是采取特殊的措施，误差信号是无法零化的。

按照本发明的一个重要特征，速度控制模块40中设有一个积分器，它在普通PID控制器的比例-积分-微分项目之外执行一种积分运算。在最佳实施例中使用的速度控制模块40是一种IPID控制器。由于具备了这种积分器，速度控制模块40可以把定义为它的设定点和过程变量之差的误差减少到零。由于普通PID中运算的过程变量是一种现场测量或是计算的信号导数，它可以对这种信号起作用，但是不具备在暂态环境下足以将误差减少到零的控制响应，因而就需要采用这种积分器。例如，如果使用气体的下游工序停止运转，流量可能会在例如30秒的一定时间段内持续下降。如果用普通的PID来控制流率，若是过程输入与设定点相等，它就会把阀门开度保持在一个固定的范围。然而，如果阀门开度保持不变，流率就会再次增大，而流率误差就会相应地增大。速度控制模块40是一个IPID，它与普通PID控制器的区别在于，即使是过程输入等于速率设定点，也就是误差为零，仍然可以持续打开阀门。这种响应是因为速率控制模块中的附加积分器在起作用。因此，这种速率控制模块40能够将流率误差减少到零。可以用以下的拉普拉斯变换公式来解释这种积分器的效果。在最佳实施例中，控制变量的定义是：

其中的WS是控制变量，Q是实际流量，H是多变压头。流率控制的过程变量被定义为：

                    过程变量＝(s)WS流率控制的设定点被定义为：

                    设定点＝(s)WSMAX这样，流率控制的误差项就是

                   误差＝设定点-过程变量

                       ＝s·(WSMAX-WS)普通PID的传递函数可以表示成： $[P\·(\mathrm{sd}+1)\·\left(\frac{1+I}{s}\right)]$ 如果存在误差，普通PID的输出就会具有以下的形式： $\mathrm{OUTPUT}=[P\·(\mathrm{sd}+1)\·\left(\frac{1+I}{s}\right)]\·(\left(s\right){(\mathrm{WS}}_{\mathrm{MAX}}-\mathrm{WS})$ $\_[P\·(\mathrm{sd}+1)\·(1+I)]\·({\mathrm{WS}}_{\mathrm{MAX}}-\mathrm{WS})$ 从中可以看出，在这种输出中丢掉了“积分”项。从控制的观点来看这是显而易见的，因为PID控制器中的积分项的作用是最终把误差信号减少到零。如果没有积分项，PID控制器就不能将过程信号的微分，控制于理想的设定点上，也就是说，误差不能减少到零。

本发明的流率控制器具有一个积分器，因此，它的传递函数具有以下形式： $\mathrm{GAIN}=[\frac{P}{\left(s\right)}\·(\mathrm{sd}+1)\·\left(\frac{I}{1+s}\right)]$ 在速度控制模块对误差进行运算时，其输出具有以下形式： $\mathrm{OUTPUT}=[\frac{P}{\left(s\right)}\·(\mathrm{sd}+1)\·\left(\frac{I}{1+s}\right)]\·(\left(s\right){\mathrm{WS}}_{\mathrm{MAX}}-\mathrm{WS})$ $\_[P\·(\mathrm{sd}+1)\·\left(\frac{I}{1+s}\right)]\·({\mathrm{WS}}_{\mathrm{MAX}}-\mathrm{WS})$

从中可以看出，在输出中恢复了用I/(1+s)所代表的“积分”项。由于有了这一积分器，流率控制变成了一个积分-比例-积分-微分(IPID)型的控制器，代替了普通的PID控制器。

在图3中表示了具有一个积分器的速度控制模块40的实施例。在这一实施例中，积分器46是通过在速度控制模块40的PID部分47的反馈路径44中增加一个微分算子45来实现的。考虑到反馈路径44中的微分算子45的微分功能可以模仿一种积分运算，这就相当于在PID部分47中增加了一个“积分”项。

如图3所示，速度控制模块40的PID部分47中包括比例算子38，积分算子39和一个微分算子41。积分算子39的输出被提供给微分算子45进行处理，并且把微分算子45的输出通过反馈路径44提供给积分算子39的输入端。这种把积分算子39的输出通过微分算子45反馈到它的输入端的结构模仿一种积分功能，并且获得上述的传递函数。这种积分功能可以使速度控制模块40的误差减少到零。

从图3中可以进一步看出，微分算子45的输入是从积分算子39的输出获得的，它是在比例算子38的后面，但是在PID模块47的微分算子41前面。因此，微分模块45的输入中包含了关于位置的信息。这是因为由第一加法器34提供的过程变量中包含了提供给积分模块39的速度信息，由它对速度信息积分后就产生了关于位置的信息。当微分算子45发现了积分的速度信息中的变化时，就通过加法器35将这一信息反馈到积分算子39的输入端。这样就能在PID功能中插入关于位置的信息，并且用这种信息来改变速度控制模块40的PID(IPID)，把误差信号变成零。

多重模块控制器20可以在模块和控制器之间实现传递，在从模块到模块的切换过程中，如果不能正确地工作，就会使提供给反冲击阀门12的输出信号出现明显的间断。为了防止这种情况，按照本发明的多重模块控制器40具有一种跟踪功能，控制器40根据它来决定哪个模块在反冲击阀门12的控制中有效，以及哪一个无效。所有模块连续地监视各自的输入信号，如果不采取一定的措施，两个模块就会产生不同的输出信号。然而，按照本发明的多重模块控制器40设有一个跟踪装置，用来使无效的模块跟踪有效模块的输出。为此而把输出信号选择器25的输出连接到所有模块的跟踪输入端，并且通过一条跟踪控制线使所有无效的模块跟踪输出信号选择器25的输出。

具体来说，PID控制模块21或是速度控制模块40都可以控制反冲击阀门12，只要是它的输出信号大于另一方的输出信号。在控制从PID控制模块21切换到速度控制模块40或是做相反的切换时，为了保证平滑地操作反冲击阀门12，PID控制模块21和速度控制模块40都具有一个跟踪特征，使它们的输出信号跟踪输出信号选择器25的输出信号。如图2所示，输出信号选择器25的输出信号通过输出跟踪线27和29被反馈给PID控制模块21和速度控制模块40。输出信号选择器25还具有分别连接到PID控制模块21和速度控制模块40的跟踪控制线26和28。跟踪控制线26和28被用来传送跟踪控制信号，为各个控制模块21和40指示其输出信号是否已经被选中，也就是目前是否由它来控制反冲击阀门12。没有执行控制的那个控制模块则需要调节它的输出，以便跟踪输出信号选择器25的输出。

图3表示了速度控制模块40和PID控制模块21的上述跟踪功能的一种实施方案。在这一实施例中，用一个开关42在跟踪输出线43上的输出信号选择器25的输出信号和微分算子45的输出之间进行选择。当跟踪控制线26上的跟踪控制信号指示出速度控制模块40目前没有控制反冲击阀门12(图2)时，就控制开关42把跟踪输出线43上的输出信号选择器25的输出信号连接到加法器35作为积分算子39的输入。提供给加法器35的输出信号选择器25的输出用来对积分模块39预先加载，驱动速度控制模块40的输出信号，使其达到与有效的PID控制模块21的输出信号相同的水平。这样，如果需要在有效和无效的控制模块21和40之间进行切换，它们的输出就会处在相同的水平上，从而形成没有冲击的转换。然而，在完成了控制切换以后，模块40就会对过程输入和与现在有效控制模块相关的PID功能作出响应。

为速度控制模块PID增加积分器的功能，并且与普通PID模块21并行地操作速度控制模块40，这样就能明显地提高控制系统的性能。连接到各个控制模块的输出端的输出信号选择器25从控制模块当中选择要求最大阀门开度的信号。因此，在工作点靠近冲击控制线71(图5)时，PID控制模块21就工作，在该区域内用它的输出信号进行正常的控制。然而，无论工作点在压缩机特性线图中处在任何位置，如果工作点向冲击控制线71的接近速度超过了速度控制模块40的设定点，速度控制模块40就会产生高输出信号，并且接管对反冲击阀门12的控制。

在一个简化的系统中，速度控制模块40的设定点可以设定在对应着压缩机系统可以接受的最大接近速度的一个固定水平上。如果接近速度超过了这一预定值，速度控制模块40就会产生一个输出信号。如果其输出大于PID控制模块21产生的输出信号，它就会接管反冲击阀门12，并且控制阀门的开度。

然而，作为对系统的进一步改进，本发明还提供了一些用来调节速度控制模块40的设定点的装置，以便使该模块在距离冲击控制线远、近时都能同样有效。为此，按照本发明的一个特征，速度控制模块40的设定点是根据压缩机11的工作点与冲击线70(图5)之间的距离来调节的。总地来说，当工作点远离冲击线70时，就设置高的设定点，当工作点接近冲击线70时，就降低设定点。按照这种方式，在流量很大时，即使是较大的流率波动也不会触发速度控制模块40使之进入有效状态，这样就能避免不必要地打开反冲击阀门12。然而，当工作点靠近冲击线70时，即使是很低的接近速度也可能使工作点进入冲击区域。因此就要降低速度控制模块40的设定点，在工作点靠近冲击线70时提供较高的灵敏度。应该注意到，速度控制模块40的设定点不允许降低到零；如果减到零，即使是过程变量达到了稳定状态，速度控制模块40仍然会保持反冲击阀门12完全打开。如果把设定点调节器24的输出设定在一个非零的最小低限值，就可以避免这种情况。

在最佳实施例中，把控制变量与PID控制模块21的设定点的接近程度，也就是控制变量与PID控制模块21的冲击控制线设定点之间的差用来指示动态压缩机11的工作点与冲击线70的接近程度，以此为依据来调节速度控制模块40的设定点。在图4中表示了一例由控制变量与PID控制模块21的设定点的接近程度来决定速度控制模块40的设定点的情况。如图4所示，速度控制模块40的设定点是在最大值和最小值之间变化的。如果控制变量与PID控制模块21的设定点之间的差大于点61指示的值，就把设定点固定在由点63指示的最大值。当控制变量与PID控制模块21的设定点之间的差小于点62指示的值时，就把设定点固定在由点64指示的一个非零的最小值。如果控制变量与PID控制模块21的设定点之间的差处在两个点61和62之间的范围内，速度控制模块40的设定点与这种差具有线性的关系。当然，图4中所示的设定速度控制模块40的设定点的方法只是一个例子，在不脱离本发明的范围和精神的情况下还可以用其它方式来选择设定点的值。在图2所示的最佳实施例中，速度控制模块40的设定点是用设定点调节器24来调节的，它接收来自控制变量计算器16的一个信号，并且用来确定控制变量与PID控制模块21的设定点之间的差。

本发明的另一个特征是对速度控制模块40的增益进行调节，随着动态压缩机11过程状态的变化对速度控制模块40进行动态调节。当压缩机11的入口10和出口18(图1)的气体性质以及压力和温度发生变化时，通过反冲击阀门12的流量就会发生明显的变化。在这种情况下，阀门开度的相同调节量对流量的影响程度是截然不同的，这取决于动态压缩机11的过程状态。为了使速度控制模块40的工作线性化，并且对过程变量进行补偿，速度控制模块40的增益是按照以下的增益函数来控制的：

                Gain＝K·F(Ps，Pd，Td，SG)其中的Ps，Pd和Td分别是动态压缩机11的吸气压力，排气压力和排气温度；SG是压缩机11所使用的气体的比重；K是一个常数，它是系统响应的典型增益；F是一个函数，它代表了阀门动作和作为过程状态变化的流量之间关系的正常变化，这种关系是由反冲击阀门12的流量特性来决定的。如果采用按照反冲击阀门12对过程状态变化的响应来调节的增益，速度控制模块40的动态特性就可以随着过程状态的变化而适当地变化。按照这种方式，仅仅是在用动态压缩机11的一组过程状态产生在动态压缩机11的整个工作范围内工作的一组PID动态特性时，才需要调整速度控制模块40。在图2所示的多重模块控制器20的一个实施例中，速度控制模块40的增益是由增益调节器18来调节的。

图6是用来表示在本发明的最佳实施例中用来产生速度控制模块40的增益值，设定点以及过程变量的各元件之间内部关系的框图。如图6所示，用模块81执行一种过程测量，用来确定压缩机11的工作状态。在模块82中使用过程测量的结果来计算典型的控制变量(流量)2/压头。然后在设定点调节器24中用这一控制变量来产生速度控制模块40的设定点，它是该控制变量与PID控制模块21的设定点之差的函数。速度控制模块40的过程变量是原始的(流量)2/压头过程变量的导数，并且是在微分模块22中确定的。为了确定速度控制模块40的增益，需要在模块85中确定反冲击阀门12的流量特性。然后用阀门流量特性和过程测量的结果来校正反冲击阀门12的响应，这种响应是模块86中的过程状态的函数。系统响应的增益常数是用模块86的输出产生的。在模块88中把增益常数和校正后的过程响应相乘，用来控制速度控制模块40的增益值。

以下要举例说明PID控制模块21和速度控制模块40之间的相互作用。在本例中假设输出信号选择器25(图2)仅仅从PID控制模块21(图2)和速度控制模块40(图2)接收输入信号，因此，两个控制模块21和40的输出信号中总有一个被选中作为输出信号选择器25的输出信号，用来控制反冲击阀门12(图2)的阀门开度。假设将PID控制模块21的设定点校正到一百(100.0)。如果控制变量的值小于或是等于100.0，PID控制模块21就打开反冲击阀门12(图2)。如果控制变量大于100.0，PID控制模块21就关闭反冲击阀门12。

另一方面，用速度控制模块40对控制变量接近PID控制模块21的设定点的速度进行控制。在本例中假设多重模块控制器20(图2)具有(10.0)秒的闭环响应时间。速度控制模块40的设定点是用以下公式来设定的： $S_R=\frac{(\mathrm{CV}-S_{\mathrm{PID}})}{10.0}$ 控制变量的值处在105.0到200.0的范围之内，SR是速度控制模块40的设定点，SPID是PID控制模块21的设定点，CV是控制变量。如果控制变量超过了200.0，就把设定点设定在最大值10.0，如果控制变量降低到105.0以下，就设定在最小值0.5。

为了便于说明，在图6中表示了由多重模块控制器20来控制的动态压缩机11(图1)的压缩机特性线图。压缩机特性线图的纵轴表示多变压头，横轴是动态压缩机11的实际流量。由冲击线70划分出冲击区域73和稳定工作区域74。在稳定工作区域74中有一条与冲击线70相隔一个选定的安全余量的冲击控制线71，它对应着PID控制模块21的选定的设定点。在本例中假设与冲击线70对应的控制变量值是90.0。

在图6的压缩机特性线图中，点A，B，C，D，和E分别对应着150.0，140.0，130.0，95.0和100.0的控制变量值。假设动态压缩机11的初始工作点是点A。在点A上，速度控制模块40的设定点是5.0。假设工作点以每秒4.0的速度从点A移动到点C。速度控制模块40最初不会对这种移动作出响应，因为该速度低于它的设定点。然而，一旦工作点越过了点B，控制变量就下降到140.0以下，而速度控制模块40的设定点则降低到4.0以下。这时，速度控制模块40就开始工作，并且产生一个打开反冲击阀门12的输出信号，因为它的设定点在此时已经低于控制变量的衰减速度。同时，由于控制变量仍然高于PID控制模块21的设定点，PID控制模块21产生一个关闭反冲击阀门12的输出信号。在这种情况下，输出信号选择器25就选择速度控制模块40的输出信号，并且开始用速度控制模块40打开反冲击阀门12，以便对控制变量的衰减速度进行控制。显而易见，由于控制变量和压缩机特性线图上的工作点位置之间存在着对应的数学关系，对控制变量的变化速度的控制就相当于对工作点接近冲击控制线71或是冲击线70的速度进行控制。

当工作点到达点C时，速度控制模块40的设定点下降到3.0。如果工作点停留在点C上，控制变量就稳定在130.0，而速度控制模块40就会开始关闭反冲击阀门12.然而，如果工作点继续从点C移向点D，使控制变量以大于速度控制模块40设定点的速度下降，速度控制模块40就会持续打开反冲击阀门12，以便对控制变量的衰减速度进行控制。

如果工作点越过了冲击控制线71上的点E，控制变量就会降到PID控制模块21的设定点100.0以下。PID控制模块21在此时开始工作，并且产生一个打开反冲击阀门12的输出信号，以便对控制变量进行控制。把PID控制模块21的输出信号与速度控制模块40的输出信号进行比较，选用两个输出信号当中较大的一个来控制反冲击阀门12。如果工作点停留在点E上而不是继续接近冲击线70，控制变量的变化速度就会低于速度控制模块40在点E上的设定点0.5。速度控制模块40在此时产生一个关闭反冲击阀门12的输出信号。同时，PID控制模块21产生一个打开反冲击阀门12的输出信号，以便使控制变量移向它的设定点100.0。在这种情况下是由PID控制模块21来控制反冲击阀门12。

反冲击阀门12的控制在PID控制模块21和速度控制模块40之间的切换是根据控制变量的变化速度，控制变量值，速度控制模块40和PID控制模块21的调节，以及系统的动态特性来决定的。如果工作点正在缓慢移动，但是在冲击控制线71左边，PID控制模块21就会获得对反冲击阀门12的控制权。另一方面，如果工作点非常靠近冲击控制线71，但是正在以足够高的速度向冲击线70移动，速度控制模块40就会获得对反冲击阀门12的控制权。

以下要结合图7来说明用本发明来防止动态压缩机11(图1)受到冲击的方法。为了通过控制动态压缩机11的流量来防止冲击，把一个反冲击阀门12(图1)连接到动态压缩机11上。对反冲击阀门12的阀门开度进行控制，在动态压缩机11外围调节旁路的输出流量，以便增加通过动态压缩机11的流量。为了准确地控制反冲击阀门12的开度，需要测量压缩机11的流量，压力和温度等等过程状态(步102)。过程测量的结果被用来产生一个控制变量，它可以代表压缩机11在压缩机特性线图中的工作点(步103)。

在步105根据控制变量103来执行闭环PID控制。该步中有一个用104表示的设定点，它决定了对过程变量进行控制的那个点。按照本发明的最佳实施方案，设定点104就是冲击控制线71(图5)，在步105中，在主要冲击控制线71和冲击线70(图5)之间的区域内对反冲击阀门12进行控制。在此时采用PID控制功能来产生第一输出信号(步106)，用来控制反冲击阀门12的输出。

为了避免发生冲击，需要监视工作点向冲击线的接近速度(步107)。最好是把步105中用于控制工作的同一个过程输入信号作为步107的输入，并且用步107直接产生这一过程信号的时间导数。用这一时间导数来指示压缩机工作点向冲击线70或是冲击控制线71的接近速度。

按照本发明的指导，可以通过对接近速度执行第二闭环PID操作来直接控制这种接近速度(步108)。步108的PID也有一个用108’来表示的设定点，用它和作为过程变量的速度信号共同产生一个误差信号，并且通过步108的PID来产生一个能够控制反冲击阀门12的输出信号。按照最简单的方式，设定点108’是一个固定值，它代表了工作点向冲击控制线接近的最大允许速度。或者是可以采用图2的设定点调节模块24。

在步108中采用了PID控制和上述的积分器的组合，用来产生一个能够把设定点与过程变量之间的误差减少到零的输出信号。该输出信号代表了流率控制PID所要求的反冲击阀门开度，用方框109来表示输出信号的产生。然后在第一和第二输出信号之间进行选择(步110)，并且选用对应着反冲击阀门12的较大开度的输出信号来控制反冲击阀门12的阀门开度(步111)。因此，如果选中了第一输出信号，就用步105的第一PID操作来控制反冲击阀门12，对控制变量进行控制。另一方面，在工作点向冲击控制线71高速接近的情况下，步108的第二PID就会产生大于第一PID控制的输出信号。在这种情况下，第二PID操作就接管反冲击阀门12的控制工作，并且打开阀门以便控制接近速度。

本发明的上述实施例仅仅是为了解释和说明。其目的并不是把本发明限制在具体说明的范围。按照上述指导还可以实现显而易见的变更或修改。上文中选用的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实用价值，以便使本领域的技术人员在特定的场合适当地采用本发明的各种实施例及其修改形式。按照公平，合法和合理的原则，所有的此类修改和变更都处在附加的权利要求书所限定的本发明的范围之内。

Claims (27)

1.一种控制系统，用于避免动态压缩机中的冲击，压缩机在一个压缩机特性线图中具有一个可以确定的可变工作点，这种特性线图包括一个稳定区域，一个冲击区域，把两个区域分开的一条冲击线，以及在稳定区域内靠近但是离开冲击线的一条冲击控制线，该控制系统包括以下组合：

连接到压缩机的一个选择响应反冲击阀门，用于可控制地增加压缩机流量；

一个多重模块控制器，用于接收代表压缩机工作点的一个控制变量，并且产生一个用来控制反冲击阀门的控制信号；多重模块控制器包括

一个比例-积分-微分控制模块，用来响应控制变量而产生一个第一输出信号，对处在冲击控制线和冲击线之间的压缩机工作点施加控制作用；

一个闭环速度控制模块，它响应一个代表工作点向冲击控制线的接近速度的信号，产生一个对压缩机工作点施加控制作用的第二输出信号，用于限制其接近速度；以及

一个输出信号选择器，用于有选择地将第一或第二输出信号作为控制信号连接到反冲击阀门。

2.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于，多重模块控制器包括一个响应控制变量的微分模块，用于产生一个代表工作点向冲击控制线的接近速度的速度信号，以及把速度信号连接到速度控制模块的装置。

3.按照权利要求2所述的控制系统，其特征在于，比例-积分-微分控制模块是一个闭环控制器，它把空制变量作为其过程输入，并且具有一个对应着冲击控制线的设定点。

4.按照权利要求3所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块包括一个闭环比例-积分-微分控制器，它把速度信号作为其过程输入，并且具有一个对应着工作点向冲击控制线接近的最大允许速度的设定点。

5.按照权利要求4所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块具有一个辅助积分器，用来根据零流率误差来可控制地增加输出，促使过程输入和没定点之间的流率误差信号变成零。

6.按照权利要求5所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块的积分器包括一个处在闭环比例-积分-微分控制器的反馈路径中的微分算子。

7.按照权利要求4所述的控制系统，其特征在于，输出信号选择器包括一个连接到比例-积分-微分控制模块和速度控制模块的高速信号选择器，并且把要求反冲击阀门最大开度的输出信号作为控制信号提供给反冲击阀门。

8.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块具有一个设定点调节器，用于按照控制变量与比例-积分-微分控制模块的设定点的接近程度来调节速度控制模块的设定点。

9.按照权利要求8所述的控制系统，其特征在于，当控制变量与比例-积分-微分空制模块的设定点之间的差缩小时，设定点调节器就降低速度控制模块的设定点。

10.按照权利要求8所述的控制系统，其特征在于，当控制变量与比例-积分-微分模块的设定点之间的差小于一个预定值时，设定点调节器就产生一个非零的最小值。

11.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于，第一和第二输出信号各自对应着反冲击阀门的一种阀门开度，而所述的输出信号选择器是一个高速信号选择器，用于选择对应着最大阀门开度的输出信号。

12.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于，比例-积分-微分控制模块和速度控制模块各自具有一条从输出信号选择器接收控制信号的输出跟踪线，以及一条用来指示由所述的哪个模块来控制反冲击阀门的跟踪控制线，用没有控制反冲击阀门的那个模块来跟踪控制信号。

13.按照权利要求1所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块具有一个增益调节器，根据动态压缩机的过程状态来调节速度控制模块的增益。

14.一种控制系统，用于避免动态压缩机中的冲击，压缩机在一个压缩机特性线图中具有一个可以确定的可变工作点，这种特性线图包括一个稳定区域，一个冲击区域，分开所述区域的一条冲击线，以及在稳定区域内靠近但是离开冲击线的一条冲击控制线，该控制系统包括以下组合：

连接到压缩机上并且响应一个电控制信号的一个反冲击阀门，用于可控制地增加压缩机流量；

一个多重模块控制器，用于响应代表压缩机工作点的一个控制变量，用来产生所述控制信号；多重模块控制器包括：

响应所述控制变量的一个闭环比例-积分-微分控制模块，当所述工作点处在冲击控制线和冲击线之间时，对压缩机的工作点施加控制作用；

一个闭环速度控制模块，它响应一个代表工作点向冲击控制线的接近速度的信号，当这-接近速度超过了给定量时，就对压缩机特性线图中处在任何位置的压缩机工作点施加控制作用；以及

一个选择装置，用来在比例-积分-微分控制模块和速度控制模块之间传递反冲击阀门的控制工作。

15.按照权利要求14所述的控制系统，其特征在于，所述选择装置包括一个连接到比例-积分-微分和速度控制模块的高速信号选择器，把要求反冲击阀门最大开度的那个模块的输出作为控制信号输出。

16.按照权利要求14所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块是一个比例-积分-微分控制器，它具有一个响应工作点向冲击控制线的接近速度的过程输入，以及一个对应着允许的最大接近速度的设定点。

17.按照权利要求16所述的控制系统，其特征在于，包括一个设定点调节器，用来建立速度控制模块的设定点，并且按照压缩机的工作点与冲击控制线之间的距离来改变允许的最大接近速度。

18.按照权利要求16所述的控制系统，其特征在于，速度控制模块的比例-积分-微分控制器被修改以包括一个对接近过程输入的速度积分的积分项，以便用流率控制器把过程输入和设定点之间确定的速度误差信号减少到零。

19.在动态压缩机中防止冲击的一种方法，动态压缩机在一个压缩机特性线图中具有一个可以确定的可变工作点，这种特性线图包括由一条冲击线分开的冲击区域和稳定区域，以及在稳定区域内离开冲击线的一条冲击控制线，该方法包括以下步骤：

提供一个开度可以调节的反冲击阀门，用来增加通过动态压缩机的流量；

检测动态压缩机的过程状态，产生一个代表动态压缩机工作点的控制变量；

操作第一闭环比例-积分-微分，产生用来控制反冲击阀门的第一输出信号，以控制所述冲击线和所述冲击控制线之间的所述工作点；

监视工作点向冲击控制线的接近速度；

操作第二闭环比例-积分-微分，产生用来控制反冲击阀门的第二输出信号，用来控制接近速度；

在第一和第二输出信号当中选择一个控制信号；以及

按照该控制信号来调节反冲击阀门的开度。

20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括按照控制变量和冲击控制线之间的差来调节第二闭环比例-积分-微分的设定点。

21.按照权利要求20所述的方法，其特征在于，调节设定点的步骤在控制变量和冲击控制线之间的差缩小时就降低第二闭环比例-积分-微分的设定点。

22.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括按照动态压缩机的过程状态对第二闭环比例-积分-微分的增益进行调节的步骤。

23.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，在选择输出信号的步骤中选择第一和第二输出信号中较大的一个。

24.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，操作第二闭环比例-积分-微分的步骤还包括在比例-积分-微分过程中确定一个积分值，用来实现零误差。

25.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述选择步骤中确定一个有效的比例-积分-微分，把它的输出信号作为控制信号，并且确定一个无效的比例-积分-微分，它的输出信号没有被选中，并且还包括一个跟踪步骤，跟踪没有被选中的比例-积分-微分，使它的输出信号与控制相适应，以便在比例-积分-微分之间进行传递。

26.在动态压缩机中防止冲击的一种方法，动态压缩机在一个压缩机特性线图中具有一个可以确定的可变工作点，这种特性线图包括由一条冲击线分开的冲击区域和稳定区域，以及在稳定区域内离开冲击线的一条冲击控制线，该方法包括以下步骤：

提供一个开度可以调节的反冲击阀门，用来增加通过动态压缩机的流量；

检测动态压缩机的过程状态，产生一个代表动态压宿机工作点的控制变量；

用所述控制变量作为一个过程变量，把冲击控制线作为一个设定点，对反冲击阀门执行一个第一闭环比例-积分-微分控制，以控制所述冲击控制线和所述冲击线之间的所述工作点；

监视所述工作点朝着冲击控制线的接近速度；

在高速接近的情况下把接近速度作为一个控制变量，通过执行一个第二闭环比例-积分-微分控制来控制反冲击阀门。

27.按照权利要求26所述的方法，其特征在于，对速度执行闭环比例-积分-微分控制的步骤中还包括结合着比例-积分-微分的操作执行一种积分操作，从而实现零误差。

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