用于气力输送的旁通自供气弯管结构及其供气控制方法与流程

本发明涉及气力输送，尤其涉及一种用于气力输送的旁通自供气弯管结构及其供气控制方法。

背景技术：

1、在粮食储运行业中，气力输送是一种通过产生压差形成定向气固两相流以输送散粮的技术，能够实现高效、密闭、连续的输送过程，但同时也会引起破碎率提高、能耗增大和管壁磨损等问题。在粮食出入仓时，气固两相流经过弯管时流向改变，粮食籽粒受惯性作用易向弯管外弧侧偏移并剧烈撞击管壁，使弯管成为籽粒破碎、能量损失和管壁磨损的主要发生区域。因此，优化弯管局部气流并调节运行状态，是提升弯管性能、实现粮食气力输送系统低损稳定运行的重要途径。

2、现有技术分别从旁通调气、外源气流气垫及压力反馈控制三方面调节弯管局部气流。专利文献cn113307037a通过旁通管路将部分弯管入口处气流调配至出口形成旋流，以改善弯管内颗粒运动，但其回气口位于弯管出口侧，没有作用于颗粒主要撞击区，且采用固定旁通结构，旁通供气量不能随输送工况主动调节，对颗粒主要撞击区的改善能力受限，同时缺乏适用于散粮工况的控制方法；专利文献cn211920164u通过外部补气增压装置向弯管外弧侧输入压缩空气，形成稳定气垫保护弯管管壁，但依靠外部补气形成气垫增加了额外供气能耗，且补气量未依据实际碰撞状态进行闭环调节；专利文献cn111377243b采用主管变频恒压反馈与支管pid恒压调节相结合的控制方法，并通过压力监管规则维持主管与支管之间的供气压差，但其控制目标主要是维持管路压力，未将弯管振动及其表征的碰撞频次和碰撞能量纳入反馈与运行点优化，且忽视了随管路压力变化产生的堵塞风险。

3、综上，现有方案均未实现以颗粒-管壁碰撞状态为反馈，并兼顾颗粒破碎与弯管磨损的自适应协同调控；且现有的旁通调气方案或不能作用于颗粒主要撞击区、不能主动调节，或依赖外部压缩气源而增加能耗。因此，有必要提供一种无需外部压缩气源、能够作用于颗粒主要撞击区、并可随输送工况变化主动调节旁通供气的弯管结构及相应的控制方法。

技术实现思路

1、为克服现有气力输送弯管技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种无需外部压缩气源、能够随输送工况主动调节旁通供气强度、兼顾颗粒破碎与弯管磨损并保证输送压力安全的用于气力输送的旁通自供气弯管结构及其供气控制方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种用于气力输送的旁通自供气弯管结构，包括依次相连的进直管段、弯管段和出直管段，还包括旁通管路，所述旁通管路的进气端位于进直管段的侧壁并与其相连通，旁通管路的出气端位于弯管段的外弧侧并与其相连通，所述进直管段的轴线与弯管段外弧侧内壁的相交点位于旁通管路与弯管段的相交面域的中部，从旁通管路的出气端进入弯管段的气流与弯管段的外弧侧内壁相切；所述进直管段与出直管段的内径相同，所述弯管段的内径小于进直管段和出直管段的内径，弯管段的内壁与进直管段内壁和出直管段内壁的连接部位通过斜面过渡连接。

4、进一步的是，所述旁通管路从进气端到出气端依次为平滑过渡连接的变径段、圆弧段和直线段，变径段的内径从进气端到圆弧段逐渐缩小，圆弧段和直线段的内径与变径段的小端内径相同。

5、进一步的是，所述弯管段中与旁通管路的出气端相连接的部位设有一段缩径段，缩径段的内径比弯管段其余部位的内径小。

6、进一步的是，所述弯管段中缩径段的内径为，弯管段其余部位的主管内径为，旁通管路的直线段的内径为，旁通管路的进气端与出气端的中心在进直管段轴线上投影的间距为，满足以下关系：

7、，

8、其中，为0.75~0.85，为2.5~3.5，为2.5~5.5。

9、进一步的是，为0.85，为3.22，为2.98。

10、进一步的是，所述旁通管路上设有调节阀。

11、进一步的是，所述进直管段正对旁通管路的进气端的部位设有压力传感器，所述弯管段上从与旁通管路相连的部位到与出直管段相连的部位之间的外弧侧和内弧侧设置有多个振动传感器；所述调节阀为电动球阀，所述压力传感器和所有振动传感器均与电动球阀的控制器电性连接。

12、进一步的是，所述电动球阀的控制器被配置为：包括基于压力传感器的压力反馈控制通道和基于振动传感器的运行点优化控制通道，以及指令合成与执行通道；所述压力反馈控制通道以采样周期运行，根据压力传感器的压力设定值与压力反馈值的偏差，生成阀位动态补偿量；所述运行点优化控制通道以优化更新周期运行，，根据压力反馈值和振动传感器的振动信号计算碰撞状态评价指标和闭环性能指标，优化更新名义阀位；所述指令合成与执行通道将名义阀位与阀位动态补偿量合成为合成阀位指令，以驱动电动球阀的执行机构动作。

13、另外，本发明还提供一种用于气力输送的旁通自供气弯管结构的供气控制方法，采用上述用于气力输送的旁通自供气弯管结构，包括以下步骤：

14、s1：设置压力设定值、采样周期、优化更新周期、允许阀位集合和压力控制偏差上限，从已知安全阀位中选取初始名义阀位，建立闭环性能指标和压力约束函数的初始高斯过程代理模型；

15、s2：每经过一个采样周期，读取压力传感器的压力反馈值并计算压力控制偏差，由滤波超扭曲控制生成阀位动态补偿量，与当前名义阀位合成为合成阀位指令；

16、s3：对合成阀位指令实施安全监督、模式切换、阀位指令限幅和阀位指令速率限制，形成受限阀位指令并驱动电动球阀达到实际阀位，改变旁通管路的流量并修正压力反馈值；

17、s4：记录各振动传感器的振动信号，每完成一个优化更新周期，计算碰撞事件计数指标、振动能量指标、闭环性能指标和压力约束函数，并将本周期观测结果加入高斯过程样本集；

18、s5：更新目标函数代理模型、压力约束代理模型、安全集和可达安全集，在可达安全集内选取下一优化更新周期的名义阀位；

19、s6：重复步骤s3至s5，当压力控制偏差、名义阀位变化量和闭环性能指标变化量连续满足收敛条件时判定进入稳态运行；当工况发生变化时，重新更新名义阀位并收敛至新的安全运行点。

20、进一步的是，在步骤s2中，压力控制偏差定义为：

21、，

22、式中：为第个采样时刻的压力控制偏差，单位为；为压力设定值，单位为；为压力传感器在第个采样时刻获得的压力反馈值，单位为；

23、采用具有一阶滤波状态的滤波超扭曲控制器来生成阀位动态补偿量，其连续形式按采样周期进行离散化，写为：

24、，

25、式中：为滤波状态，为滤波状态随时间变化的速率；为滤波增益，；为符号函数；

26、阀位动态补偿量由下式生成：

27、，

28、式中：为阀位动态补偿量；为超扭曲积分状态，是积分状态随时间变化的速率；和为控制增益，并且，，各增益的取值根据实际阀位对压力反馈值的作用方向和动态响应确定；

29、对阀位动态补偿量进行限幅：

30、，

31、式中：为限幅后的阀位动态补偿量；为阀位补偿限值；表示将输入限制在区间内；

32、在第个优化更新周期内，合成阀位指令为：

33、，

34、式中：为合成阀位指令；为第个优化更新周期采用的名义阀位；

35、在步骤s3中，合成阀位指令依次经过阀位指令限幅和阀位指令速率限制：

36、，

37、，

38、式中：为幅值受限的阀位指令；和分别为允许的最小阀位和最大阀位，为受限阀位指令；为允许的最大阀位变化率，单位为；为采样周期，单位为；电动球阀根据使实际阀位跟随受限阀位指令；

39、在步骤s4中，第个优化更新周期为：

40、，

41、式中：为第个优化更新周期的时间范围；

42、在弯管段上选择四个测点安装振动传感器，运行点优化控制通道在该周期内处理各振动传感器的信号，对第个测点的滤波振动信号进行事件识别，定义碰撞事件计数指标为：

43、，

44、式中：为第个优化更新周期内第测点的碰撞事件计数指标；为识别出的候选振动事件数；为第个候选事件的特征幅值；为第测点的事件识别阈值；为示性函数；只表示满足判据的振动事件数量，不等同于未经标定的真实碰撞计数；

45、第测点的振动能量指标定义为：

46、，

47、式中：为无量纲振动能量指标；为振动加速度参考值，单位为；为经预处理后的第测点振动加速度，单位为；该指标用于表征测点振动强度，不等同于离散元法中的接触能；

48、四测点指标经归一化后合成为：

49、，

50、式中：和分别为归一化碰撞事件计数指标和归一化振动能量指标；和分别为第测点的参考值；为第测点的权重，；

51、闭环性能指标定义为：

52、，

53、式中：为第个优化更新周期的闭环性能指标，数值越小表示综合性能越好；、和分别为碰撞事件计数、振动能量和压力跟踪项的权重；为压力归一化参考值，单位为；

54、压力约束函数定义为：

55、，

56、式中：为压力约束函数；为允许的压力控制偏差上限，单位为；当时，表示该优化更新周期满足压力约束；

57、运行点优化控制通道采用一维安全贝叶斯运行点优化，分别对闭环性能指标和压力约束函数建立高斯过程代理模型；令分别表示目标函数和约束函数，则其后验均值和后验方差为：

58、，

59、，

60、式中：为第个优化更新周期在阀位处的后验均值；为已有样本数；为阀位与已有样本点之间的核函数向量；为已有样本点的核矩阵；为观测噪声方差；为单位矩阵；为已有观测值向量；为后验标准差；为阀位处的先验核函数值；后验标准差用于表征代理模型在该阀位处的预测不确定性；

61、在步骤s5中，目标函数和约束函数的置信界定义为：

62、，

63、式中：和分别为下置信界和上置信界；为第个优化更新周期的置信系数；

64、在约束方向取为安全的条件下，安全集定义为：

65、，

66、式中：为第个优化更新周期的安全集；阀位集合；为压力约束代理模型的上置信界；采用上置信界判断，可在考虑模型不确定性的情况下筛选满足压力约束的候选阀位；

67、安全修正集合和可达安全域分别定义为：

68、，

69、，

70、式中：为第个优化更新周期的安全修正集合；为候选名义阀位修正量；优化更新周期内允许的最大名义阀位变化量；是安全可达域，也就是可以调整的安全阀位的集合；和的含义同前；

71、在可达安全集内，以目标函数下置信界作为采集函数，下一名义阀位可按下式确定：

72、，

73、式中：为下一优化更新周期的名义阀位；表示使后面括号内采集函数取得最小值时所对应的阀位；和分别为闭环性能指标代理模型的后验均值和后验标准差；该控制方法在安全范围内兼顾当前性能预测和未知阀位的探索价值；若内不存在满足更新条件的候选阀位，则保持。

74、本发明的有益效果是：

75、1.本发明通过在弯管段的外弧侧设置连通进直管段与弯管段的旁通管路，并将弯管段的内径设置为小于进直管段和出直管段的内径，从而通过减小弯管段流通截面积调整旁通管路进气端与出气端之间的静压分布，形成旁通驱动压差，使部分气体能够在不依赖外部压缩气源的情况下经旁通管路返回弯管段，实现旁通自供气，能够在颗粒主要撞击区形成气流-颗粒混合垫层，以降低粮食颗粒与颗粒之间以及颗粒与弯管段内壁之间的碰撞能量，从而同时降低颗粒破碎风险和管壁冲蚀、磨蚀风险。

76、2.通过在旁通管路上设置调节阀，在进直管段和弯管段上分别设置与调节阀电性连接的压力传感器和振动传感器，使调节阀能够根据输送工况改变旁通管路的气流量，克服了固定旁通结构不能主动调节回气强度的问题，使旁通气流与主管压力、颗粒运动状态相适应，实现管道输送压力与颗粒碰撞强度的协同控制。

77、3.旁通管路的气流量采用双时间尺度闭环控制系统进行调节，压力反馈控制通道以较短采样周期抑制压力扰动，运行点优化控制通道以较长优化更新周期降低碰撞状态评价指标，双时间尺度闭环控制能够兼顾压力动态稳定性和长期低损运行要求，提高粮食颗粒输送的平稳性。