一种基于软约束调整算法的高功率密度主机对中控制方法

摘要

本发明涉及一种基于软约束调整算法的高功率密度主机对中控制方法，本发明首先采集高功率密度主机气囊隔振装置横、垂位移以及各气囊压力，计算主机对中量，利用主机对中可控充要条件判断主机对中可控性；若判断主机对中不可控，则采用软约束调整算法对固定约束参数进行较小幅度的调整，并更新固定参数约束进行主机姿态控制，达到对中精度要求。本发明的方法能够提供主机运行过程中的对中可控性判断方法，精确预判主机对中不可控故障，利用软约束方法调整约束边界，避免基于固定参数约束的对中控制方法大输出扭矩工况下对中不可控故障，提高高功率密度主机对中可控性和稳定性，实现各种功率输出状态下稳定的对中姿态控制。

说明书

技术领域

本发明属于对中控制方法领域，特别涉及一种基于软约束调整算法的高功率密度主机对中控制方法。

背景技术

旋转机械的对中不良会造成振动故障，尤其在较高的临界转速下振动响应强烈，高压、高功率、高流量、大推重比等高参数条件下出现的故障较原有低参数条件更为显著。高功率密度主机单位质量所折合的输出功率高，具有轻重量、小体积、较高运行效率等优点，但存在振动噪声大、温度高等不足。利用气囊隔振装置可缓解高功率密度主机振动噪声大的问题，但功率与扭矩和转速呈线性关系，转速一定时，高功率密度主机扭矩成数十倍增长，导致主机气囊隔振装置的对中稳定性变差。高功率密度高参数下，现有基于固定控制约束参数的对中控制方法的对中可控性变差，极端情况下出现主机对中不可控状态，不能满足对中精度要求，高功率密度高参数下主机对中控制方法尚未见报道。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种基于软约束调整算法的高功率密度主机对中控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于软约束调整算法的高功率密度主机对中控制方法，高功率密度主机设置在主机气囊隔振装置上，通过改变主机气囊隔振装置中气囊压力能调节主机对中情况，包括以下步骤：

步骤1、采集高功率密度主机实时横位移、垂位移和各气囊压力，通过主机动力学方程计算主机对中量；

步骤2、预设气囊压力调整量、主机水平偏移量调整量、主机自转角调整量以及气囊垂向变形量调整量，带入符合对中可控要求的约束条件，判断采用符合对中可控要求的约束条件时，对中可控线性规划问题的线性目标函数最优解是否为0，若是则直接采用预设调整量对主机气囊隔振装置进行调整，对主机姿态进行控制，若否则转到步骤3；

步骤3、设置可接受的气囊压力下限和上限的最大调整量、主机水平偏移量最大调整量、主机自转角最大调整量以及气囊垂向变形量最大调整量，并代入符合对中可控要求的约束条件，求解对中可控线性规划问题，若线性目标函数的最优解等于0，表示主机气囊隔振装置正常，通过调整软约束可以实现使主机气囊隔振系统当前状态对中可控，转到下一步；否则判断主机装置对中无法可控，运行限位保护装置确保轴系安全运行；

步骤4、根据用户对调整气囊压力调整量、主机水平偏移量调整量、主机自转角调整量以及气囊垂向变形量调整量的容忍程度确定加权系数，根据加权系数确定权重系数，将权重系数带入对中可控线性规划问题，得到基于权重系数的对中可控线性规划问题，求解基于权重系数的对中可控线性规划问题中，线性目标函数的最优解等于0时，满足符合对中可控要求的约束条件的气囊压力最小调整量、主机水平偏移量最小调整量、主机自转角最小调整量以及气囊垂向变形量最小调整量，并利用这些调整量对主机气囊隔振装置进行调整，且主机气囊隔振装置中所有气囊的对应调整量均一致，进而对主机姿态进行控制。

进一步的，符合对中可控要求的约束条件为：

进一步的，步骤4中，基于权重系数的对中可控线性规划问题为：在满足符合对中 可控要求的约束条件的情况下，求得的最优解

进一步的，所述步骤1中的对中量包括计算多个对中状态分量，所述对中状态分量包括水平偏斜角、水平偏移量、竖直偏斜角、竖直偏移量和自转角。

进一步的，所述步骤1中，利用安装于高功率密度主机气囊隔振装置上的位移传感器，以基座为参考平面，测量高功率密度主机气囊隔振装置相对基座的位移变化，利用气囊隔振器内置的压力传感器测量压力。

本发明的有益效果为：本发明首先利用采用预设固定调整量的符合对中可控要求的约束条件，计算对中可控线性规划问题对中可控性，若判断对中不可控，则计算采用最大调整量时能否对中可控，判断主机气囊隔振装置是否正常，在判断主机气囊隔振装置正常的情况下，利用用户对各调整量的容忍程度确定加权系数，根据加权系数确定权重系数，将权重系数带入对中可控线性规划问题，求得使得对中可控时各调整量的最小值，并对主机对中不可控状态下的约束参量进行调整，通过调整较小约束边界实现对中不可控到对中可控的转化，有效的缓解主机对中不可控的问题，提高主机对中可控性；本发明采用符合对中可控要求的约束条件判断对中可控性方法，对主机当前状态对中可控性进行预判，避免基于固定控制约束参数的对中控制方法因无法识别主机对中不可控状态而执行无效控制进而陷入各对中量陷入震荡的情况，提高主机对中可靠性。

附图说明

图1为本发明的主要步骤示意图;

图2为本发明实现的流程图；

图3为本发明的位移传感器测点布置示意图；

图4为未采用对中可控性分析及对中不可控故障自愈调控方法对中控制过程；

图5为采用对中可控性分析及对中不可控故障自愈调控方法对中控制过程。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

其中，1-1、1-2、1-3、1-4为垂向位移传感器，1-5、1-6、1-7为横向位移传感器，2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11、2-12为压力传感器，3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8为限位保护装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“顺时针”“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，一种基于软约束调整算法的高功率密度主机对中控制方法，包括以下步骤：

（1）采集高功率密度主机气囊隔振装置横、垂位移以及各气囊压力，通过基于固定约束参数的对中控制方法计算对中量，利用对中可控充要条件判断对中可控性。

（2）若判断为对中不可控，采用软约束调整算法调整固定控制约束，通过求解线性规划问题求得当前状态对中可控的各约束边界最小调整量。

（3）利用更新的固定控制约束，再次利用基于固定控制约束参数的对中控制方法进行主机姿态控制，达到对中精度要求。

进一步地，如图3所示，步骤（1）采集高功率密度主机气囊隔振装置横垂位移、各气囊压力，通过计算对中量，利用对中可控充要条件判断对中可控性，具体过程如下，

（a）利用安装于高功率密度主机气囊隔振装置上位移传感器，以基座为参考平面，测量高功率密度主机气囊隔振装置相对基座的位移变化，利用气囊隔振器内置的压力传感器测量压力，垂向位移传感器1-1、1-2、1-3、1-4测量高功率密度主机气囊隔振装置相对基座的垂向位移变化，横向位移传感器1-5、1-6、1-7测量高功率密度主机气囊隔振装置相对基座的横向位移变化，压力传感器2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11、2-12测量气囊压力，位移传感器与压力传感器布置如图2所示。

（b）利用基于固定约束参数的对中控制方法计算对中量，可监测的对中状态分量包括水平偏斜角、水平偏移量、竖直偏斜角、竖直偏移量、自转角。

（c）利用对中可控充要条件判断对中可控性，其中对中可控充要条件为对中可控 线性规划问题（LP）满足如下要求：在c=

其中，

进一步地，若判断为对中不可控，即说明采用预设固定参数无法使得对中可控，因此采用软约束调整算法调整固定控制约束，通过求解线性规划问题求得当前状态对中可控的各约束边界最小调整量，具体如下：

A.首先判断主机气囊隔振装置是否故障，即判断在当前情况下通过调整能否实现 对中可控，设置可接受的软约束气囊压力最大调整量

B. 若min V=0，表示主机气囊隔振装置正常，通过调整软约束可以实现使主机气 囊隔振系统当前状态对中可控，约束边界的调整量越小越能够保证较高的对中控制精度， 通过求解以下线性规划问题求解当前状态对中可控的各约束边界最小调整量

相对应的，

求解得到各约束边界最小调整量后，利用这些调整量对主机气囊隔振装置进行调整，且主机气囊隔振装置中所有气囊的对应调整量均一致，进而对主机姿态进行控制。

为验证本文提出的主机气囊隔振装置对中可控性分析与对中不可控故障自愈调控方法，针对某高功率密度主机进行了实验。主机重约50t，采用12个额定承载8t，固有频率约5Hz的气囊隔振器进行斜置30°支撑。气囊隔振器与传感器布置与编号如图3所示。

实验中，将主机工作状态由55rpm（315KW）逐渐提升至70rpm（800KW）和115rpm（13500KW），一组采用本文提出的对中可控性与对中不可控故障自愈调控方法，而另一组不采用，分别运用对中控制装置进行对中控制。未采用对中可控性分析及对中不可控故障自愈调控方法时对中控制过程如图5所示。从图4可以看出，在中低速的工况下，气囊隔振装置具有较高的对中控制精度，气囊垂向位移也均在目标范围内；但到了115rpm的高输出工况下，自转角和水平偏移量之间冲突增大，无法同时被控制在目标范围内，最终水平偏移量也未能被控制在目标范围内，1#和2#垂向位移传感器数值也超过了对中目标要求，因此使得气囊隔振装置频繁开启与关闭限位保护装置，各对中量陷入震荡之中。同时，还可以看到竖直偏移量与水平偏移量和自转角有较强的耦合性，在高功率输出状态的对中控制过程中产生较大变化。

相同实验工况下，初始对中目标相同，并在对中控制前先进行对中可控性判断和对中不可控故障自愈调控方法再进行对中控制。由于气囊压力和垂向位移传感器垂向位移变化初始目标范围已经很大，不希望对其进行调整，接受对自转角和水平偏移量目标范围进行调整，取Hpmin 、Hpmax 和 Hz较大的值，而取Hxc和Hβ较小的值。其对中控制过程如图5所示。从图5可以看出，不仅在中低速的工况下气囊隔振装置能够正常完成对中控制，到了高输出工况，系统通过在线判定装置对中不可控并通过对中不可控故障自愈调控方法调整水平偏移量和自转角，使得其状态对中可控，并最终将各目标量控制在调整过后的目标范围内，过程中没有启动限位保护装置，不会对隔振效果产生负面影响，修复固定约束参数下主机对中不可控故障。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。