流体机械及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种流体机械，尤其涉及一种流体机械及其控制方法。


背景技术：

2.空气压缩机(air compressor)是指用来压缩空气藉以提高气体压力的机械，其可为各类的工具、运输设备、提拉设备和抓举设备提供动力。因此，空气压缩机广泛地被用于机械制造、冶金、造船、电子、化工以及石油天然气等领域。
3.空气压缩机腔内的空气压力被希望维持在预期的压力带中，因此压力的控制机制是不可或缺的。一般来说，可以通过例如pi控制器(比例-积分控制器)或pid控制器(比例-积分-微分控制器)来对压力值进行控制。然而，在客户端的实际用量突然产生较大的变化的情况下，pi控制器或pid控制器将工作压力调升到较高的目标值的速度并不够迅速，导致腔内的压力值持续下降。
4.因此，需要提出一种解决方案，以在客户端实际用量产生变化时能够快速达到需求的目标工作压力值。


技术实现要素：

5.本发明是针对一种流体机械及其控制方法，具有快速达到需求的目标工作压力值的优点。
6.本发明的流体机械包括控制器、受控厂以及观察器。控制器用以依据流体的实际压力值与目标压力值之间的差值而产生第一信号。受控厂响应于第一信号与第二信号之间的第一差值产生输出信号。观察器包括反向模型。反向模型通过对受控厂的物理模型进行反运算而被建立。输出信号经过反向模型产生第三信号。第三信号经过滤波处理后产生前述第二信号。
7.本发明的流体机械的控制方法适用于空气压缩装置。流体机械包括控制器、受控厂以及观察器。流体机械的控制方法包括：由控制器依据流体的实际压力值与目标压力值之间的差值而产生第一信号；由受控厂响应于第一信号与第二信号之间的第一差值产生输出信号。其中，输出信号经过观察器的反向模型产生第三信号。反向模型通过对受控厂的物理模型进行反运算而被建立。并且，第三信号经过滤波处理后产生第二信号。
8.基于上述，本发明通过设置观察器来估测干扰量，并据此调整控制器所产生的第一信号。因此，本发明在面临外部干扰(例如客户端用量突增)时对于目标压力值具备较佳的追溯能力，并可进一步提升效率。
附图说明
9.图1示出本发明的流体机械的控制机制的方块示意图；
10.图2示出本发明的流体机械的控制方法的步骤示意图；
11.图3示出本发明一实施例的流体机械的控制机制的方块示意图；
12.图4示出本发明一实施例的流体机械的控制机制的方块示意图；
13.图5承接图3与图4，示出滤波器f所进行的滤波处理的步骤流程图；
14.图6承接图4，示出以限幅器sa2处理信号d3的步骤流程图；
15.图7示出流量随时间变化的曲线示意图；
16.图8示出压力随时间变化的曲线示意图；
17.图9示出压力随时间变化的曲线示意图。
具体实施方式
18.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
19.图1示出本发明的流体机械的控制机制的方块示意图。在本实施例中，流体机械可以是空气压缩机。请见图1，流体机械100包括非线性受控厂(plant)110、干扰观察器(observer)120、控制器c、运算器101以及运算器103。非线性受控厂110包括运算器102以及受控厂g。干扰观察器120包括反向模型g*、运算器104以及滤波器f。
20.在本实施例中，控制器c可以是闭回路控制器，一般为pi控制器(比例-积分控制器)或pid控制器(比例-积分-微分控制器)。控制器c用以依据流体(例如空气)的实际压力值与目标压力值的差值来产生信号s1，即流量控制信号。运算器101用以计算信号s1与信号s2的差值以产生信号s3。运算器102用以产生信号s4，其中信号s4为信号s3与外来干扰成分d(例如客户端用量突然改变)的总和。受控厂g响应于信号s4产生输出信号(对应实际压力值p)。以图1为例，马达频率命令(即信号s3)经过非线性受控厂110后实际呈现出压力(即实际压力值p)。因此，非线性受控厂110可包含整个系统，例如受控厂g包含压缩机(包括压缩装置、变频器以及马达)、空气筒、管路体积等。马达频率干扰(即干扰成分d)则可能包含机台产气设备、客户端所有用气设备以及其他非线性部分。在本实施例中，受控厂g的输入与输出可分别为流量与压力。
21.信号s5表示经侦测得到的输出信号，其中包含噪声，以运算器103与噪声成分n来表示。反向模型g*是通过对受控厂g的物理模型进行反运算而被建立的。信号s5经过反向模型g*产生信号s6。在本实施例中，反向模型g*的输入与输出可分别为压力与流量。运算器104用以计算信号s6与信号s3的差值，以产生信号s7。滤波器f用以对信号s7进行滤波处理以产生信号s2。
22.图2示出本发明的流体机械的控制方法的步骤示意图，其中流体机械可以是空气压缩机。请同时参见图1与图2，流体机械100可包括前述的控制器c、受控厂g以及观察器120。首先由控制器c依据流体的实际压力值与目标压力值之间的差值而产生第一信号(相当于信号s1)(步骤s210)。接着，由受控厂g响应于第一信号与第二信号之间的差值(相当于信号s4，即信号s2与信号s3之间的差值以及干扰成分d的总和)产生输出信号(步骤s220)。最后，受控厂g输出信号(对应实际压力值p)。经感测得到的信号s5(包括实际压力值p与感测过程中掺入的噪声成分n)通过观察器120的反向模型g*产生第三信号(相当于信号s6)。其中，反向模型g*是通过对受控厂g的物理模型进行反运算而被建立，并且第三信号经运算后再经滤波处理以产生第二信号(相当于信号s2)(步骤s230)。下面将以图3来详细说明本发明的流体机械的控制机制。
23.图3示出本发明一实施例的流体机械的控制机制的方块示意图。请见图3，流体机械300可包含控制系统310与物理系统320。在控制系统310中，运算器105用以计算经感测的流体的实际压力值p(带有噪声成分n)与目标压力值pc的差值，以产生信号pe。控制器c用以依据信号pe来产生信号y1(相当于图1的信号s1)。运算器101用以计算信号y1与信号y2(相当于图1的信号s2)的差值。运算器101的运算结果经过限幅器sa1后被传输至压缩设备e(即信号y)。设置限幅器sa1的目的在于使运算器101的运算结果不会超出压缩设备e允许的最低值与最高值，也就是将运算器101的运算结果限制在一个数值区间。在本实施例中，限幅器sa1可以指饱和限制器，并且压缩设备e允许的最低值与最高值是指马达频率的最低值与最高值。
24.压缩设备e的输入与输出可分别为马达频率与流量。然而本发明不以此为限，在其他实施例中，压缩设备e的输入还可以是转速、流量或电流等。受控厂g接收压缩设备e的输出。其中，压缩设备e的输出可能受到外部干扰，例如其他机台或客户端的用量的变化。在图3中，受到干扰的压缩设备e的输出(相当于图1中的信号s4)可以运算器102与干扰成分d来表示。受控厂g可响应于压缩设备e的输出(流量，包含干扰成分d)以产生输出压力。可通过传感器(图未示)来感测输出压力，经感测的实际压力值p被传输至运算器105。运算器105可计算经感测的实际压力值p与目标压力值pc之间的差值。运算器105的运算结果将做为控制器c的输入。
25.同时，观察器120接收经感测的实际压力值p(带有噪声成分n)。观察器120中的反向模型g*是通过对受控厂g的物理模型进行反运算而被建立。经感测的实际压力值p经过反向模型g*产生信号yd。运算器104用以将信号yd减去信号y以产生估测干扰量d1。估测干扰量d1是针对受控厂g的输入信号中的干扰成分d进行估测的量。估测干扰量d1经滤波器f进行滤波处理后产生信号d2。需说明的是，经感测的实际压力值p(带有噪声成分n)可能因为反向模型g*的处理而被放大，因此需要滤波器f去抑制估测干扰量d1中的噪声成分。在本实施例中，滤波器f可以是低通滤波器。信号d2经增益值kd调整其大小后产生信号y2(相当于图1的信号s2)。
26.图4示出本发明一实施例的流体机械的控制机制的方块示意图。对于图4中的组件的说明可以参见图3中同名组件的说明，于此不再赘述。相较于图3，图4增加了限幅器sa2。请见图4，信号d2经增益值kd调整其大小后产生信号d3。信号d3经过限幅器sa2后产生信号y2(相当于图1的信号s2)。限幅器sa2的作用在于使信号y2不会超出一个预设的数值区间。在本实施例中，限幅器sa2可以指饱和限制器。
27.举例来说，限幅器sa2的上限值与下限值分别为60与-60。当限幅器sa2的输入(即信号d3)为10时，限幅器sa2输出为10。当限幅器sa2的输入为20时，限幅器sa2输出为20。也就是说，当限幅器sa2的输入值介于上限值与下限值之间时，限幅器sa2输出与输出是相同的。然而，当限幅器sa2的输入为70时，限幅器sa2输出被限制在上限值，即60。当限幅器sa2的输入为-70时，限幅器sa2输出被限制在下限值，即-60。限幅器sa1的作用相同于限幅器sa2。
28.进一步地，在一实施例中，限幅器sa2的数值区间的上限值与下限值并非固定不变的，而是可被动态地调整的。举例来说，限幅器sa1的上限值与下限值分别为60与24，限幅器sa2的上限值与下限值分别为60与-60。控制器c前次的输出记为y1*，观察器120前次的输出
记为y2*。若y1*与y2*的差值高于限幅器sa1的上限值或低于限幅器sa1的下限值，则限幅器sa2可以自动调整其上限值与下限值。具体来说，当y1*与y2*的差值高于限幅器sa1的上限值时，通过调整限幅器sa2的上限值与下限值，使限幅器sa2输出的y2大于上次输出的y2*(期望y1-y2的计算结果减小)。例如，在y1*为75且y2*为10的情况下，限幅器sa2的上限值与下限值可分别被调整为60与10。当y1*与y2*的差值低于限幅器sa1的下限值时，通过调整限幅器sa2的上限值与下限值，使限幅器sa2输出的y2小于上次输出的y2*(期望y1-y2的计算结果增大)。例如，在y1*为5且y2*为10的情况下，限幅器sa2的上限值与下限值可分别被调整为10与-60。
29.图5承接图3与图4，示出滤波器f所进行的滤波处理的步骤流程图。请同时参见图3、图4以及图5，流程开始于步骤s401。首先，由滤波器f自运算器104读入估测干扰量d1(步骤s402)。在控制机制启动并且初次进行滤波处理的情况下(步骤s403)，滤波器f直接以估测干扰量d1做为滤波处理后的滤波值d2(步骤s404)并将滤波值d2输出(步骤s405)。之后，估测干扰量d1被储存至第一存储器d1*，滤波值d2被储存至第二存储器d2*。至此结束第一次计算(步骤s407)。
30.接着，由滤波器f自运算器104再次读入估测干扰量d1(步骤s402)。在本实施例中，运算器104是依据时间间隔周期性地计算信号yd与信号y的差值。也就是说，滤波器f两次获得估测干扰量d1的时间点相距时间间隔，记做δt。在非第一次计算的情况下(步骤s403)，滤波器f读入其截止频率f(与通过频带相关)、时间间隔的长度信息、第一存储器d1*的数据以及第二存储器d2*的数据(步骤s408)，并依据上述数据计算系数k(步骤s409)。具体来说，控制电路150可以计算公式(1)以得到系数k。系数k被储存起来。后面会用到的第一比例与第二比例是基于系数k来决定的。
[0031][0032]
在步骤s410中，滤波器f基于系数k对第一存储器d1*的数据以及第二存储器d2*的数据进行插值(interpolation)运算。滤波器f基于系数k来决定进行插值运算的第一比例与第二比例。在本实施例中，第一比例等于1减去系数k后的值，第二比例等于系数k。换句话说，第一比例与第二比例的和为1。滤波器f可以在计算第一存储器d1*的数据与第一比例(1-k)的乘积、第二存储器d2*的数据与第二比例(k)的乘积，并对前述两个乘积运算结果进行加总，以得到滤波值d2并将其输出(步骤s404～s405)。接着，同样以估测干扰值d1更新第一存储器d1*，并以滤波值d2更新第二存储器d2*。至此第二次计算结束(步骤s407)。
[0033]
由于滤波值d2是依据第一存储器d1*与第二存储器d2*中所储存的前次估测干扰值及前次滤波值来计算，因此滤波器f可使压力控制更稳定(压力最终会停在一个值)。详细来说，观察器120的存在即可以提升整体的追溯性与强健性，滤波器f作为辅助以进一步提升稳定性。
[0034]
图6承接图4，示出以限幅器sa2处理信号d3的步骤流程图。请同时参见图4与图6，流程开始于步骤s501。由限幅器sa2读入其最大输出值y2max、最小输出值y2min以及信号d3(步骤s502)。接着，由限幅器sa2判断信号d3是否小于或等于最大输出值y2max(步骤s503)。若否，则以最大输出值y2max做为输出(信号y2)(步骤s506)。若是，由限幅器sa2进一步判断信号d3是否大于或等于最小输出值y2min(步骤s504)。若否，则以y2min做为输出(信号y2)
(步骤s507)。若是，则以信号d3做为输出(步骤s505)。在输出信号y2后(步骤s508)，结束流程(步骤s509)。
[0035]
图7示出流量随时间变化的曲线示意图。请见图7，线601与线603表示客户端的使用的流量，即目标流量(单位为cmm)变化。线602表示在未使用本发明的情况下空气压缩机排出的流量随时间变化的情况。线604表示在使用本发明的情况下空气压缩机排出的流量随时间变化的情况。如果空气压缩机排出的流量与目标流量相同时，客户端的压力会稳定在目标压力值。由图7可以看出，目标流量同样都是在时间点t上升，然而在未使用本发明的情况下，流量追溯到目标流量的速度明显较慢。相对地，在使用本发明的情况下流量追溯到目标流量的速度明显较快。也就是说，当客户用量突增时目标流量也会被调升，然而传统的pi或pid控制器因追溯速度较慢而无法应对这种状况。反观，本发明具有较好的追溯速度。
[0036]
图8示出压力随时间变化的曲线示意图。请见图8，线701与线703表示由低频至高频的压力命令变化。线702表示在未使用本发明的情况下实际压力响应随时间变化的情况。线704表示在使用本发明的情况下实际压力响应随时间变化的情况。由图8可以看出，在低频的情况下，实际压力响应可跟上压力命令。然而，在高频的状况下，线702显示压力响应无法满足高频压力命令的变动。反观，线704(使用本发明)显示压力响应较能满足高频压力命令的变动。
[0037]
图9示出压力随时间变化的曲线示意图。请见图9，线801与线803表示固定的压力命令。线802表示在未使用本发明的情况下面对不同的流量变异的压力追溯情形。线804表示在使用本发明的情况下面对不同的流量变异的压力追溯情形。其中，流量变异随时间由缓慢转为快速。由图9可以看出，相较于未使用本发明的情况，本发明面对不同的流量变异的情况具有更好的压力追溯能力。
[0038]
综上所述，本发明通过设置观察器来估测干扰量，并据此调整控制器所产生的第一信号。因此，在面临外部干扰(例如客户端用量突增)的情况下，由于本发明对于目标压力值具备较佳的追溯能力，因此控制系统的强健性被提高，控制性能也可获得改善。本发明不限于压力控制应用，也可应用于阀开度控制、转速控制以及电流控制等应用。
[0039]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。