离心式压缩机的磁悬浮喘振控制研究

摘要

喘振是压缩机、鼓风机等流体机械在流量减小到一个极限值时发生的一种不稳定状态，严重危害设备的稳定运行。本文针对磁悬浮离心式压缩机的喘振控制问题，提出了通过磁悬浮推力轴承改变压缩机的半开式叶轮与蜗壳之间的叶尖间隙来抑制压缩机喘振。这种控制方式具有无需附加额外喘振控制执行器，增加稳定运行范围，响应快以及没有效率损失等优点。
　　首先建立了压缩机模型以及叶尖间隙与压缩机压升之间的影响方程，为便于设计控制器进行了系统模型线性化，经分析，线性化误差在允许范围内。
　　其次设计了采用变叶尖间隙策略的质量流量反馈喘振控制器，进行了Matlab/Simulink仿真验证了其喘振控制的有效性。针对质量流量反馈控制易受作动器带宽限制影响的问题，设计了PID的喘振控制器。仿真结果表明基于PID的喘振控制器控制效果优于简单的质量流量反馈控制。针对实际情况下的流量信号检测的缺陷，提出采用扩展卡尔曼滤波利用压强信号估计流量信号的方法。结合 PID喘振控制器，仿真结果表明卡尔曼滤波能够较精确的估计出流量信号，将估计的质量流量信号引入控制器后具有抑制喘振的效果。为了研究精确的磁悬浮推力轴承系统模型对喘振控制仿真结果的影响，根据对实际磁悬浮推力轴承-转子系统的实验扫频结果建立数学模型，两种工况的仿真结果验证了PID喘振控制器与精确的磁悬浮推力轴承系统模型联合仿真能够得到理想的喘振控制仿真结果。
　　最后为了探究磁悬浮推力轴承系统能否提供喘振控制所需要的位置控制性能，设计了用于磁悬浮推力轴承悬浮的PID控制器，并且进行了位置跟踪实验和悬浮于不同位置的稳定性实验。为了增加系统对不确定性的鲁棒性设计了H∞鲁棒控制器。先建立了磁悬浮推力轴承系统各环节模型，采用混合灵敏度设计法设计了H∞控制器。同样进行位置跟踪实验和悬浮于不同位置的稳定性实验，实验结果表明 H∞控制的位置跟踪误差小于现有参数的 PID控制。悬浮于不同位置受冲击载荷后位移变化H∞控制大于PID控制；恢复稳定过程中的振荡PID控制大于H∞控制。跟据实验结果 H∞控制与 PID控制的位置跟踪性能以及悬浮于不同位置的稳定性满足磁悬浮压缩机运行和喘振控制的需求。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1压缩机的不稳定工况

1.2压缩机的喘振控制国内外研究现状

1.3磁悬浮离心式压缩机的喘振控制国内外研究现状

1.4课题背景及研究意义

1.5本文主要研究内容

第二章 压缩机系统的建模

2.1引言

2.2压缩机系统Greitzer模型

2.3叶尖间隙的影响

2.4整个系统的线性化

2.5本章小结

第三章 喘振控制器设计及仿真研究

3.1质量流量反馈法喘振控制

3.2基于PID控制的喘振控制仿真

3.3基于卡尔曼滤波的压强反馈喘振控制

3.4喘振模型与AMTB系统辨识模型联合仿真

3.5本章小结

第四章 磁悬浮推力轴承位置控制研究

4.1磁悬浮轴承性能ISO标准

4.2磁悬浮轴承-转子系统试验台

4.3基于PID控制的位置跟踪性能

4.4 H∞控制器的设计

4.5基于H∞控制的轴向位置跟踪性能

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文主要工作总结

5.2后续研究与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文