پایان نامه:بررسی روشهای کنترل پدیده سرج در کمپرسورها
سمینار برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”
مهندسی برق – کنترل
عنوان :
بررسی روش های کنترل پدیده سرج در کمپرسورها
استاد راهنما :
دکتر محمد رضا جاهد مطلق
بهمن۱۳۸۵
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
| فهرست مطالب | |
| عنوان مطالب | شماره صفحه |
| چکیده | ۱ |
| مقدمه | ۲ |
| فصل اول : کلیات | ۳ |
| (۱-۱ هدف | ۴ |
| (۲-۱پیشینه تحقیق | ۴ |
| (۳-۱روش کار و تحقیق | ۵ |
| فصل دوم : آشنایی با کمپرسورها و پدیده سرج | ۶ |
| (۱-۲ مقدمه | ۷ |
| (۲-۲ اصول عملکرد کمپرسورها | ۷ |
| (۳-۲ توصیف عملکرد کمپرسورها | ۸ |
| (۴-۲ ناپایداری های فلو در کمپرسورها | ۹ |
| (۵-۲ رفتار دینامیکی کمپرسورها | ۱۲ |
| (۶-۲جلوگیری از سرج و RS | ۱۳ |
| فصل سوم : بررسی مدل ریاضی سیستم فشرده سازی | ۱۵ |
| (۱-۳ مقدمه | ۱۶ |
| (۲-۳ مقدمات لازم | ۱۷ |
| (۳- ۳ مدل کمپرسور در صورت قرار گرفتن ولو در خروجی آن | ۱۹ |
| (۴-۳ وضعیت تعادل | ۲۱ |
| (۵-۳ مدلی از نوع Moore-Greitzer برای کمپرسورهای با سرعت متغیر | ۲۵ |
| فصل چهارم : بررسی روش های کنترل سرج | ۳۵ |
| (۱-۴ مقدمه | ۳۶ |
| (۲-۴ کنترل سرج با بهره گرفتن از back stepping | ۳۹ |
| (۳-۴ کنترل سرج بر اساس Passivity | ۵۳ |
| (۴-۴ پایدار سازی سرج در کمپرسورهای سانتریفیوژ با بهره گرفتن از فیدبک مثبت | ۵۹ |
| فهرست مطالب | ||
| عنوان مطالب | شماره صفحه | |
| (۵-۴ پایدار سازی فعال سرج با تزریق هوا | ۶۷ | |
| ۷۴ | ||
| (۶-۴ استفاده از روش های کنترل غیرخطی برای کنترل یک کمپرسور محوری | ||
| ۸۱ | ||
| (۷-۴ کنترل جدولبندی بهره با شناسایی LPV برای کنترل سرج و RS | ||
| ۸۱ | ||
| (۸-۴ کنترل سرج و stall در موتورجت توسط فیدبک خروجی | ||
| ۸۸ | ||
| (۹-۴کنترل تطبیقی ناپایداری سرج در کمپرسور | ||
| ۹۲ | ||
| فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات | ۹۷ | |
| نتیجه گیری | ۹۹ | |
| پیشنهادات | ۹۹ | |
| پیوست ها | ۱۰۰ |
| فهرست مطالب | |
| عنوان مطالب | شماره صفحه |
| منابع و ماخذ | ۱۰۸ |
| فهرست منابع لاتین | ۱۰۸ |
| سایت های اطلاع رسانی | ۱۰۹ |
| چکیده انگلیسی | ۱۱۰ |
فهرست جدول ها
| عنوان | شماره صفحه | |
| ۱-۳ | : مدلهای موجود جهت سیستم های فشرده سازی با اعمال تغییرات لازم | ۳۴ |
| ۲-۴ | : پارامترها در مدلGreitzer | ۶۴ |
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
| ۱-۲ | : شماتیک یک کمپرسور سانتریفیوژ و یک کمپرسور محوری | ۸ |
| ۲-۲ | : نمودار مشخصه یک کمپرسور | ۹ |
| ۳-۲ | : سلولهایRotating Stall | ۱۰ |
| ۴-۲ | Rotating Stall : در مشخصه کمپرسور | ۱۱ |
| ۵-۲ | : مشخصه کمپرسور در سیکل سرج عمیق | ۱۲ |
| : ۶-۲ شروع پدیده سرج در یک کمپرسور با اندازه گیری فشار خروجی آن | ۱۲ | |
| ۱-۳ | : مدل سیستم فشرده سازی | ۱۷ |
| ۲-۳ | : مشخصه کمپرسور مدل MG3 | ۱۹ |
| ۳-۳ | : سیستم کمپرسور با CCV | ۲۰ |
| : ۴-۳ مشخصه های کمپرسور و تراتل ولو | ۲۲ | |
| : ۵-۳ نقشه مربوط به سیستم فشرده سازی | ۲۵ | |
| : ۱-۴ اثر تغییر بار کمپرسور | ۳۷ | |
| : ۲-۴ تفاوت بین اجتناب از سرج و کنترل فعال سرج | ۳۸ | |
| : ۳-۴ ساختار اتصال فیدبک منفی سیستم اکیدا پسیو توسط یک سیستم پسیو | ۵۱ | |
| : ۴-۴ کمپرسور در وضعیت سرج است و درζ =۲۰۰ کنترلر وارد مدار می شود. | ۵۲ | |
| : ۵-۴ کمپرسور در وضعیت سرج است و درζ =۲۰۰ کنترلر وارد مدار می شود(اغتشاشات | ۵۲ | |
| هم در نظر گرفته شده اند) | ||
| : ۶-۴ اغتشاشاتی که منجر به سرج گردیده اند و توسط کنترل تطبیقی حذف شده اند. | ۵۳ | |
| : ۷-۴ سیستم حلقه بسته∑ς۱ς ۲ | ۵۷ | |
| : ۸-۴ سیستم حلقه بسته∑ς۱ς ۲ بااغتشاشات | ۵۸ | |
| : ۹-۴ مقایسه بین نتایج شبیه سازی با کنترلـر طراحـی شـده از روش backstepping | ۵۸ | |
| (خط چین) و روش پسیویتی(خطوط پررنگ) | ||
| : ۱۰-۴ شماتیک توربین گازی | ۶۳ | |
| : ۱۱-۴ مدل سیستم فشرده سازی | ۶۳ | |
فهرست شکلها
عنوان شماره صفحه
| : ۱۲-۴ بلاک دیاگرام مربوط به مدل خطی شده سیستم فشرده سازی | ۶۵ |
| : ۱۳-۴ نتایج شبیه سازی برای سیستم غیرخطی فشرده سازی | ۶۶ |
| : ۱۴-۴ نتایج پیاده سازی عملی سیستم | ۶۶ |
| : ۱۵-۴ دیاگرام سیستم | ۶۷ |
| : ۱۶-۴ دیاگرام سیستم | ۶۹ |
| : ۱۷-۴ بلوک دیاگرام سیستم کنترل برای برآورده شدن محدودیت های طراحی | ۷۲ |
| : ۱۸-۴ توابع وزنی و توابع تبدیل | ۷۳ |
| : ۱۹-۴ توابع وزنی و توابع تبدیل نزدیک ناحیه سرج(با کنترلر و بدون کنترلر) | ۷۳ |
| : ۲۰-۴ اثر کنترلر LQR بر روی V o برای α = ۰٫۱ | ۸۰ |
| : ۲۱-۴ فلوهای جرمی اندازه گیری شده در ۸ ناحیه اطراف محـیط کمپزسـور و سـیگنال | ۸۰ |
| کنترل اعمالی | |
| : ۲۲-۴۴ مشخصه کمپرسور با در نظر گرفتن اثر تخلیه و کنتورهای راندمان | ۸۱ |
| : ۲۳-۴ مشخصه کمپرسور با در نظر گرفتن اثر کنترل فعال | ۸۲ |
| : ۲۴-۴ محدودیت ناحیه کاری در طول مدت دور گرفتن کمپرسور | ۸۲ |
| : ۲۵-۴ پاسخ گذرا باسیکل سرج کلاسیک | ۸۴ |
| : ۲۶-۴ فلوی جرمی کمپرسور | ۸۷ |
| : ۲۷-۴ میزان افزایش فشار در کمپرسور | ۸۷ |
| RS : 28-4 | ۸۷ |
| : ۲۹-۴ نتایج شبیه سازی ناشی از اعمال فیدبک خروجی به سیستم | ۹۲ |
| : ۳۰-۴ مشخصه های کمپرسور و تراتل ولو | ۹۳ |
| : ۳۱-۴ کاربرد کنترلر:شکل سمت راست:نتایج تجربی، شکل سمت چپ:نتایج شبیه سازی | ۹۵ |
چکیده:
ناپایداری های آئرودینامیکی فلو می توانند کمپرسور را بطور جدی آسیب رسانند و ناحیه عملکرد سیستم را محدود نمایند بنابراین بایستی برای اجتناب از آنها چاره ای اندیشید.
ناپایداری سرج عبارتست از نوسانات یکبعدی که منجر به افـزایش فـشار و فلـوی جرمـی کمپرسـور مـی گردد.سرج ناحیه کاری سیستم را به شدت تحت تاثیر قرار داده و راندمان آن را کاهش می دهد و نهایتـا منجر به آسیب جدی کل سیستم می گردد. این پدیده در نرخ های فلوی جرمـی کـم کمپرسـور رخ مـی دهد و نتیجه آن ایجاد نوسانات با دامنه بزرگ در فشار و نرخ فلوی جرمی خروجی از کمپرسور است.
تاکنون کارهای زیادی برای حذف مشکل سرج انجام شده است و بیشتر این کارها بر اساس کـار گرایتـزر
(۱۹۷۶) و موره (۱۹۸۶) می باشند. زیرا این افراد اولین کسانی بودند که مدلهای دینامیکی را برای آنـالیز و طراحی سیستم های کنترل جهت سیستم های فـشرده سـازی و پایدارسـازی آنهـا ، پیـشنهاد نمودنـد و مدلهای ارائه شده توسط آنها بطور گسترده ای مورد استفاده و بهـره بـرداری سـایر محققـین ایـن زمینـه کاری قرار گرفته است. در این مجموعه هدف ما بررسی مدلهای مختلف و همچنین کنترلرهای بکار رفتـه جهت کنترل پدیده های ناپایداری فلو در کمپرسورها می باشد.
مقدمه:
کمپرسورها به دلیل کاربرد گسترده ای که در صنایع مختلف برای فشرده سازی و انتقال گازها دارند از اهمیت ویژه ای بر خوردارند. پدیده سرج که یک ناپایداری فلو در کمپرسورها به حساب می آید، ناحیـه عملکرد سیستم فشرده سازی را محدود می نماید و مانع از دستیابی به حـداکثر رانـدمان کمپرسـور مـی شود. لذا کنترل این پدیده از مدتها قبل در کـانون توجـه محققـان قـرار گرفتـه اسـت. تـاکنون روشـهای مختلفی جهت کنترل این ناپایداری در کمپرسورهای محوری و گریز از مرکز پیـشنهاد گردیـده اسـت. بـا توجه به کاربرد کمپرسورهای محوری در موتورهای جت و هواپیما، بیشتر کارهـا در زمینـه کنتـرل سـرج مربوط به کمپرسورهای محوری می باشد، در این مجموعه ما روش های نوین کنترل سرج در کمپرسورهای محوری و سانتریفیوژ را که مبتنی بر کنترل فعال می باشند بررسی می نماییم.
فصل اول: کلیات
(۱-۱ مقدمه
در این مجموعه هدف ما بررسی مدلهای مختلف و همچنین کنترلرهای بکار رفته جهـت کنتـرل پدیـده های ناپایداری فلو در کمپرسورها می باشد. ناپایداری های آئرودینامیکی فلو می توانند کمپرسور را بطـور جدی آسیب رسانند و ناحیه عملکرد سیستم را محدود نمایند بنابراین بایستی برای اجتناب از آنهـا چـاره ای اندیشید.
ابتدا مدلهای استخراج شده برای سیستم های فشرده سازی محوری و گریز از مرکز را معرفی می نماییم، سپس به بررسی روش های مختلف ارائه شده تا کنون برای کنترل ناپایداری سرج در کمپرسورهای محوری و گریز از مرکز می پردازیم، نهایتا مقایسه روش های مختلف با یکدیگر و نتیجه گیری پایانی را می آوریـم و در انتها چند مدل تجاری کنترلرهای آنتی سرج را معرفی می نماییم.
(۲-۱ پیشینه تحقیق
مدل دینامیکی به دست آمده برای کمپرسور های محوری و سانتریفیوژ بر اسـاس مـدل دو حالتـه بـا پارامترهای lumped طبق مدل ارائه شده توسط گرایتزر می باشد [۱۰]کـه مبنـای طراحـی کنترلرهـای آنتی سرج از گذشته تا کنون برای این کمپرسورها می باشد. در روشـهای قـدیمی کنتـرل سـرج تکنیـک مورد استفاده، اجتناب از سرج بود. در این روشها از ابزارهای مختلفـی بـرای دور نگـه داشـتن نقطـه کـار کمپرسور از ناحیه ای که در آن سرج رخ می دهد، استفاده می گردید. از نظر عملی خطـی بـه نـام خـط کنترل سرج در فاصله ای دورتر از خط سرج ترسیم می شود تا بدین وسیله یک حاشیه اجتنـاب از سـرج در منحنی مشخصه کمپرسور به دست آید. این روش ما را مطمئن می سازد که نقطه کـار سیـستم خـط سرج را قطع نمی کند و لذا پدیده سرج به وقوع نمی پیوندد. این روش ناحیه کاری کمپرسور را به ناحیـه ای که سیستم در وضعیت حلقه باز در آن ناحیه پایدار است، محدود کرده و لذا رانـدمان کـل سیـستم را محدود می کند.
روش های مبتنی بر کنترل فعـال سـرج، کـه ناپایـداریهایی را کـه منجـر بـه سـرج مـی شـوند حـذف نمایند، می توانند ناحیه عملکرد پایدار سیستم را به آنسوی خط سرج سیـستم گـسترش دهنـد و ناحیـه کاری پایدار سیستم را وسیعتر نمایند. براساس مدل خطی شـده سیـستم، اپـشتاین۱ ، فـوکس ویلیـام۲ و
گرایتزر ، روش کنترل فعال جهت حذف سرج ارائه داده اند. کنترلر فیدبک مثبت استاتیک خروجی توسط فرنک ویلمز[۲] ۳جهت کنترل سرج با محرک ولو تخلیه فلوی جرمی، مورد استفاده گردیـد کـه توانـست حدود ۷ درصد در فلوی جرمی نقطه سرج بهبود ایجاد نماید. این روش بر اساس تکنیکهای جایابی قطـب با بهره گرفتن از مدل خطی شده گرایتزر با دو متغیر حالت بود که در آن از تغییرات سرعت کمپرسور و اثرات دما، صرف نظر شده بود.
- Epstein
- Ffowcs William
- Frank Willems
روش گام به عقب توسط گراودهال [۱] جهت استخراج یک قانون کنترل سرج برای مـدل گرایتـزر بـا در نظر گرفتن اغتشاشات متغیر با زمان، مورد استفاده قرار گرفت.
مساله کنترل دوشاخگی۱ در مقالات کنگ، گو، اسپارکس و بندا[۶] [۱۴] ۲براساس مـدل گرایتـزر مـورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
کنترل غیر خطی سرج در[۴] برای کمپرسور محوری طراحـی گردیـده اسـت. کنتـرل فیـدبک اسـتاتیک خروجی در [۷] برای کمپرسور محوری پیشنهاد گردیده است.
کنترل جدولبندی بهره با شناسایی LPV در [۹] جهت دستیابی به ماکزیمم راندمان کمپرسـور و حـذف سرج و RS بکار رفته است.
در کلیه روش های معرفی شده در بالا فرض بر این است که مدل سیستم مشخص و معلوم می باشد یعنـی مشخصه های کمپرسور و ولو موجود می باشـند. بلانچینـی و گیاناتاسـیو۳ در [۱۵] حـالتی را کـه در آن مشخصه های تراتل ولو و کمپرسور و همچنین پارامتر گرایتزر نامشخص هستند، در نظر گرفته اند. آنهـا از یک روش ساده جهت کنترل سرج اسـتفاده نمودنـد کـه در آن ورودی کنتـرل موقعیـت تراتـل ولـو و خروجی اندازه گیری فشار کل در ورودی کمپرسور می باشد. برای این سیستم یک قانون کنترل تطبیقـی مقاوم گین بالا به نام ردیاب λ طراحی شده است .
(۳-۱ روش تحقیق
در این مجموعه ما پس از معرفی مدل دینامیکی متداول جهت طراحی و تحلیل سیستم های فـشرده سازی به معرفی روش های مختلف کنترل فعال پدیده سـرج در کمپرسـورهای محـوری و گریـز از مرکـز و نهایتا مقایسه این روشها با یکدیگر می پردازیم.
