کنترل کننده پسگام مدلغزشی برای کنترل فعال ناپایداری موج فشاری در کمپرسورهای گریز از مرکز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی برق و کامپیوتر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 استاد، گروه مهندسی برق و کامپیوتر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی نوین، دانشکده فناوری‌های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی، نمین، ایران

چکیده

موج فشاری یک ناپایداری دینامیکی در کمپرسور است که توسط نوسانات چرخه حدی تعیین می‌شود و منجر به اعوجاجات با دامنه بزرگ در دبی حجمی و فشار می‌شود. این حالت یک مد کارکرد ناپایدار سیستم کمپرسوری است که در دبی­های پایین اتفاق می­افتد، عملکرد و کارآیی کمپرسور را محدود میکند و منجر به صدمه به کمپرسور و ملحقات به واسطه­ی بارهای حرارتی و مکانیکی بزرگ می­شود. امروزه استفاده از روشهای کنترل فعال برای افزایش دامنه عملکرد کمپرسور بسیار مورد توجه قرار گرفته است، اما حضور اغتشاشات و نایقینی­ها با دامنه نامشخص کنترل فعال موج فشاری را با چالشهایی مواجه می­کند. در این مقاله‏ برای مقابله با ناپایداری موج فشاری در حضور اغتشاشات نامعلوم یک روش کنترل پسگام مدلغزشی پیشنهاد می­شود. یک استراتژی جدید تطبیقی مبتنی بر کنترل پسگام طراحی می شود که نیازی به آگاهی از حد بالای عدم قطعیت پارامتری و اغتشاش ندارد. اثبات پایداری با استفاده از نظریه لیاپانوف انجام می­شود. کنترل کننده پیشنهادی می‌تواند اثرات نامعینی و عدم قطعیت در ویژگی‏های کمپرسور و دریچه گاز و دینامیک‏های مدل نشده را پوشش‏دهد‏ و علاوه بر این در برابر اغتشاشات متغیر با زمان در دبی و فشار اعمال شده به سیستم مقاوم است. نتایج شبیه سازی انجام شده در محیط MATLAB ضمن نشان دادن مزیت و توانمندی الگوریتم ارائه شده بیانگر این نکته است که کنترل کننده پیشنهادی علاوه بر مقاوم بودن، قادر به تضمین پایداری سیستم در حضور اغتشاش و نامعینی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  • Iura and Rannie W. D., Observations of propagating stall in sxial-flow compressors, Research Report, California Institute of Technology, Pasadena, CA, 1953.
  • Mazzawy, R. S., Surge-induced structural loads in gas turbines. J. Eng. Power. Vol 102, No. 1, pp. 162–168, 1980.
  • Bøhagen, B. and Gravdahl, J. T., Active surge control of compression system using drive torque. Automatica, Vol. 44, No. 4, pp. 1135-1140., 2008.
  • Shiriaev A. S., Johansson R., Robertsson A. and Freidovich, L. B., Criteria for global stability of coupled systems with application to robust output feedback design for active surge control. In proc. IEEE Control Applications (CCA) & Intelligent Control (ISIC), Petersburg, Russia, pp. 1021-1026, Oct. 2009
  • Sheng H., Huang W., Zhang T. and Huang X., Robust adaptive fuzzy control of compressor surge using backstepping. Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 39, pp. 9301-9308., 2014.
  • Xie C. and Marrani H. I., Design of a robust LMI-based model predictive control method for surge instability in interconnected compressor systems in the presence of uncertainty and disturbance. Systems Science & Control Engineering, Vol. 9, No. 1, pp. 358-368, 2021.
  • Gu H., Yang J. Y. and Taleb Ziabari M., A New Robust LMI-based MPC for Compressor Surge Instability in the Presence of Actuator Saturation and Pipe Effects., Journal of Electrical Engineering & Technology, published online, 2023.
  • Emmons H. W., Pearson C. E. and Grant H. P., Compressor surge and stall propagation. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, Vol. 77, 4, pp. 455-467, 1955.
  • Greitzer E. M., Surge and rotating stall in axial flow compressors. Part I: Theoretical compression system model, ASME J. Engineering for Power, Vol. 98, No. 2, pp.191–198, 1976.
  • Greitzer E. M., Surge and rotating stall in axial flow compressors. Part II: experimental results and comparison with theory, ASME J. Engineering for Power, Vol. 98, No. 2, pp.199–217, 1976.
  • Moore F. K. and Greitzer E. M., A theory of post-stall transient in axial compression systems: Part I: development of equations, ASME J. Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 108, pp.68–76, 1986.
  • Gravdahl J. T. and Egeland O., Compressor surge and rotating stall: modeling and control. Springer Science & Business Media., 2012.
  • شریفی ن. تحلیل عددی معادلات مور-گرایتزر برای اجتناب از بروز ناپایداری‌های سرج و واماندگی گردان در کمپرسورهای محوری،. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د 51، ش 4، ص 183-191، 1400
  • جهانبخشی ا. ، احمدی ندوشن، ا.، مطالعه عددی پدیده سرج با مدل توربولانسی k-å در کمپرسورهای جریان محوری. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د 48، ش 3، ص 37-46، 1397
  • Fink D. A., Cumpsty N. A. and Greitzer E. M., Surge dynamics in a free-spool centrifugal compressor system. ASME Turbomach., Vol. 114, No. 2, pp. 321-332, 1992.
  • Epstein A. H., Williams J. F. and Greitzer E. M., Active suppression of aerodynamic instabilities in turbomachines. Journal of Propulsion and Power, Vol. 5. No. 2, pp. 204-211, 1989.
  • Williams J. F., and Huang X. Y., Active stabilization of compressor surge. Journal of Fluid Mechanics, Vol. pp. 204, 245-262., 1989.
  • Pearson W. N., An Expert System for the Performance Control of Rotating Machinery. D. Thesis, Edinburgh Napier University, Edinburgh, 2000.
  • Nakagawa K., Fujiwara M., Nishioka T., Tanaka S. and Kashiwabara Y., Experimental and numerical analysis of active suppression of centrifugal compressor surge by suction-side valve control. JSME International Journal Series B Fluids and Thermal Engineering, Vol. 37, No. 4, pp. 878-885, 1994.
  • Pinsley J. E., Guenette G. R., Epstein A. H. and Greitzer, E. M., Active stabilization of centrifugal compressor surge. Journal of Turbo machinery 113, pp.723-732, 1991.
  • Blanchini F., Giannattasio P., Micheli D. and Pinamonti P., Experimental evaluation of a high-gain control for compressor surge suppression. ASME J. Turbomach., Vol. 124, No. 1, pp. 27-35, 2002.
  • Gravdahl J. T. and Egeland O., Compressor surge control using a close-coupled valve and backstepping," in Proc. American Control Conference Albuquerque, New Mexico, pp. 2398-2406, June 1997.
  •  Simon J. S. and Valavani L., A Lyapunov based nonlinear control scheme for stabilizing a basic compression system using a close-coupled control valve. In Proc. the 1991 American Control Conference, Boston, MA, pp. 982-986, June 1991.
  • Dussourd J. L., Pfannebecker G. W. and Singhania S. K., An experimental investigation of the control of surge in radial compressors using close coupled resistances, ASME J. Fluids Engineering, Vol. 99, pp. 64-76, 1977.
  • Simon J. S., Valavani L., Epstein A. H and Greitzer E. M., Evaluation of approaches to active compressor surge stabilization. ASME Turbomachinery, Vol. 115, pp. 57-67, 1993.
  • Arnulfi G. L., Giannattasio P., Micheli D. and Pinamonti P., An innovative device for passive control of surge in industrial compression system, ASME J. Turbo machinery, Vol. 123, pp. 473-782, 2001.
  • Bartolini G., Muntoni A., Pisano A. and Usai, E., Compressor Surge Suppression by Second-Order Sliding Mode Control Technique, 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea, July 2008.
  • Wang C., Shao C. and Han Y., Centrifugal compressor surge control using nonlinear model predictive control based on LS-SVM. In IEEE 3rd Int. Symp. on systems and control in aeronautics and astronautics, pp. 466-471, Harbia, China, June 2010
  • Blanchini F. and Giannattasio P., Adaptive control of compressor surge instability, Automatica, Vol 38, No 8, pp.1373 – 1380, 2002
  • Willems F., Heemels W. P. M. H., De Jager B. and Stoorvogel, A. A., Positive feedback stabilization of centrifugal compressor surge, Automatica Vol 38, No 2, pp. 311–318, 2002
  • Sheng H., Chen Q., Li J., Li Z., Wang Z. and Zhang T., Robust adaptive backstepping active control of compressor surge based on wavelet neural network, Aerospace Science and Technology 106, pp. 106139, 2020.
  • Arthur K. M., Basu H. and Yoon S. Y., Stabilization of compressor surge in systems with uncertain equilibrium flow,  ISA transactions, Vol. 1, No. 93, pp.115-24, 2019
  • Sheng H., Qian C. H. E. N., Zhang, J. and Zhang T., A high-safety active/passive hybrid control approach for compressor surge based on nonlinear model predictive control, Chinese Journal of Aeronautics. Vol. 36 No. 1, pp. 396-412, 2023
  • Fu L., Fu X. and Taleb Ziabari M., Finite-time adaptive sliding mode control for compressor surge with uncertain characteristic in the presence of disturbance, Systems Science & Control Engineering., Vol. 9, No 1, pp. 369-79, 2021

[35] محمدی پ.، جدی م.، شیخ‌الاسلام ف.، غیور م.، بهبود محدوده عملکرد کمپرسورهای گریز از مرکز گازی با تغییر خط کنترل سرج با استفاده از کنترل فعال برمبنای منطق فازی، روش‌های هوشمند در صنعت برق،  د3 ، ش 9،  ص 51-56، 1391

 [36] Willems F.و Valve Selection for Compressor Surge Control, Phd Thesis, Eindhoven University of Technology (TUE) Faculty of Mechanical Engineering Section Systems and Control, Eindhoven, 1998.

 [37] Taleb Ziabari M., Jahed-Motlagh M. R., Salahshoor K., Ramezani A. and Moarefianpur A., Robust adaptive control of surge instability in constant speed centrifugal compressors using tube-MPC. Cogent Engineering, Vol. 4, No. 1, pp. 1339335, 2017