一种涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型构建方法

技术领域

本发明涉及空压机建模领域，特别是一种涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型构建方法。

背景技术

涡旋空压机具有工作压力范围宽、结构紧凑、能耗低、噪音小等特点，在工业领域极具发展潜力，并在制冷、燃料电池等领域得到广泛运用。建立合理有效的模型并获取其工作过程中的状态参数，对涡旋空压机的设计验证研究以及工业价值的提升尤为重要。

然而，涡旋盘压缩腔中的性能变化难以通过实验测定，目前涡旋空压机性能预测主要借助机理模型或数值模拟软件，传统机理模型计算量复杂庞大，而采用计算流体力学的方式虽能准确预测各压缩腔中气体状态参数的变化规律，但在迭代优化过程中需要重复建模，消耗的算力及时间较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型构建方法，该方法基于电路比拟，将涡旋盘压缩腔容积及其变化率相关的压缩腔内部状态参数表征为RC环节中电容、电阻，并参考喷嘴流量模型引入与泄漏修正系数，建立涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型离散化的状态方程和观测方程，实现涡旋空压机压缩腔的流量、压差估计，为涡旋空压机精准控制提供基础。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型构建方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据涡旋盘几何理论，以及压缩腔控制容积的热力学特性、气体状态方程，建立压缩腔的简化温度模型、涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型及理论质量流量模型；

步骤S2、将转速n

在本发明一实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11、将压缩腔简化为绝热模型，且认为内部间隙非常小，暂时忽略泄漏对其产生的影响，简化后的控制容积温度T随主轴转角θ的变化率如下：

其中，R

步骤S12、利用全导数获取涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型如下：

其中，P

角速度ω与转速n

根据气体状态方程及涡旋盘几何理论，化简后的涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型如下：

步骤S13、根据涡旋盘几何理论及吸入压缩腔的内部气体容积，涡旋空压机压缩腔内理论质量流量模型如下：

上式为涡旋空压机压缩腔内理论质量流量模型。

在本发明一实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21、将步骤S12中涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型的各项展开，由于一组几何尺寸下的涡旋空压机压缩腔的容积V

其中，

步骤S22、将压缩腔内的压力P

其中，U、I分别为电压、电流，C为电容，R为内阻，则压缩腔理论压力模型表示为：

其中，

考虑到压缩腔之间存在泄漏间隙，根据喷嘴模型中流量与压差的关系，引入与泄漏通道面积相关的泄漏修正系数

其中，ψ为流量修正系数，ε为临界压比折合系数，A

综上，将涡旋盘压缩腔模型以单RC环节的电路状态方程进行表征：

输出方程为：

其中，P

步骤S23、将涡旋盘压缩腔模型动态方程进行离散化，状态变量为：

x

系统输入量为：

u

状态方程为：

观测方程为：

式中，w和ν表示系统噪声，Q

综上，本发明基于电路比拟的思想，将涡旋盘压缩腔容积及其变化率相关的压缩腔内部状态参数表征为RC环节中电容、电阻，并参考喷嘴流量模型引入与泄漏修正系数，建立涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型离散化的状态方程和观测方程，实现涡旋空压机压缩腔的流量、压差估计，为涡旋空压机精准控制提供基础。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明结合电路元件特性，将涡旋空压机压缩腔的压力、流量模型与电路模型进行类比，仅需根据涡旋盘尺寸计算容积相关参数，就可估计不同转速下涡旋盘压缩腔内压力、流量状态，在保证模型精度前提下的简化了建模过程，为涡旋空压机的控制提供模型基础。

2、本发明所构建涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型具有可拓展性，可通过若干电路元件组成的电路描述多个压缩腔连续运行时的性能变化。

3、本发明根据泄漏模型中流量与压差的关系，引入与泄漏通道面积相关的泄漏修正系数对压缩腔压差及流量进行修正，提高了状态估计精度。

附图说明

图1为本发明实施例的方法原理框图。

图2为本发明实施例的涡旋空压机压缩腔压力估计值与参考值对比图。

图3为本发明实施例的涡旋空压机压缩腔流量估计值与参考值对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型构建方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、根据涡旋盘几何理论，以及压缩腔控制容积的热力学特性、气体状态方程，建立压缩腔的简化温度模型、涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型及理论质量流量模型。

步骤S2、将转速n

具体的，本实施例以回转半径、齿厚、齿高分别为15.61mm、4.62mm、53.54mm，由圆渐开线型线构成的单涡圈涡旋盘的压缩腔为例进行分析。

步骤S11、将压缩腔简化为绝热模型，且认为内部间隙非常小，暂时忽略泄漏对其产生的影响，简化后的控制容积温度T随主轴转角θ的变化率如下：

其中，R

步骤S12、利用全导数获取涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型如下：

其中，P

角速度ω与转速n

根据气体状态方程及涡旋盘几何理论，化简后的涡旋空压机压缩腔内气体理论压力模型如下：

步骤S13、根据涡旋盘几何理论及吸入压缩腔的内部气体容积，涡旋空压机压缩腔内理论质量流量模型如下：

在本实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21、将步骤S12中模型中压缩腔内气体理论压力模型的各项展开，将除压缩腔压力P

其中，

步骤S22、将压缩腔内的压力P

其中，U、I分别为电压、电流，C为电容，R为内阻。则压缩腔理论压力模型可表示为：

其中，

考虑到压缩腔之间存在泄漏间隙，根据喷嘴模型中流量与压差的关系，引入与泄漏通道面积相关的泄漏修正系数

其中，ψ为流量修正系数，ε为临界压比折合系数，A

综上，将涡旋盘压缩腔模型以单RC环节的电路状态方程进行表征：

输出方程为：

其中，P

步骤S23：将涡旋盘压缩腔模型动态方程进行离散化，状态变量为：

x

系统输入量为：

u

状态方程为：

观测方程为：

式中，w和ν表示系统噪声，Q

本实施例中采用扩展卡尔曼滤波算法对涡旋空压机压缩腔等效模型的流量与压力进行估计，但不限于其他状态估计算法，所估计的压缩腔理论流量的均方根误差为719.05Pa，所估计的压缩腔理论流量的均方根误差为2.3801g/s。

如图2所示，本实施例给出了由圆渐开线型线构成的单涡旋动/静盘在转速为4336r/min时的压缩腔压力估计值与参考值对比图。

如图3所示，本实施例给出了由圆渐开线型线构成的单涡旋动/静盘在转速为4336r/min时的压缩腔流量估计值与参考值对比图。

综上，本发明基于电路比拟的思想，将涡旋盘压缩腔容积及其变化率相关的压缩腔内部状态参数表征为RC环节中电容、电阻，并参考喷嘴流量模型引入与泄漏修正系数，建立涡旋空压机压缩腔状态估计等效模型离散化的状态方程和观测方程，实现涡旋空压机压缩腔的流量、压差估计，为涡旋空压机精准控制提供基础。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。