[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von Turbokompressoren von der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere
geeignet für die sogenannte Punmpgrenzregelung zum Verhindern des Pumpens eines Kompressors.
Das kann aber auch bei anderen Regelungen wie z.B. Anti-Choke-Regelung, Turbindendrehzahlregelung
usw. angwendet werden.
[0002] Ein Verfahren der genannten Art für die Pumpgrenzregelung ist aus der Veröffentlichung
"Turbolog- das elektronische Regelsystem für GHH-Turbomaschinen" in Nachrichten für
den Maschinebau Heft Nr. 3, Mai 82 sowie auch aus der US-PS 41 42 838 bekannt. Ein
Verfahren der genannten Art, bei der die Differentiation durch Subtrahieren des verzögertem
vom unverzögerten Signal realisiert wird, ist auch aus DE-PS 28 28 124 bekannt. Unter
Pumpen wird ein instabiles Verhalten eines Turbokompressors verstanden, bei dem stoßweise,
bzw. periodisch das Fördermedium von der Druckseite zur Saugseite zurückströmt. Dieses
Verhalten tritt bei zu kleinem Durchsatz bzw. zu hohem Druckverhältnis zwischen Kompressoreingang
und -ausgang auf. Die sogenannte Pumpgrenzlinie trennt im Kennfeld des Kompressors
den stabilen vom instabilen Bereich. Die Pumpgrenzregelung sorgt dafür, daß bei Annäherung
des momentanen Arbeitspunktes an die Pumpgrenzlinie bzw. eine in einem Sicherheitsabstand
parallel zu dieser verlaufende Abblaselinie ein Abblas- oder Umblasventil am Kompressorausgang
geöffnet wird. Es ist bei diesem Verfahren auch bekannt, in Abhängigkeit von der Lage
des Arbeitspunktes das Regelverhalten des das Stellsignal für das Abblasventil erzeugenden
Reglers dadurch zu verändern, daß bei Überschreiten der Abblaselinie die Regelverstärkung
nicht-linear erhöht wird.
[0003] Bei Regelungen dieser Art stößt die Verwendung von Reglern mit einem das Eingangssignal
differenzierenden Regelanteil auf verschiedene Schwierigkeiten. Eine dieser Schwierigkeiten
ist die Tatsache, daß ein Istsignal, welches aus dem Durchfluß abgeleitet wird, einen
sehr hohen überlagerten Rauschpegel aufweist und deshalb eine Differenzierung nur
schwer zuläßt. Diese Schwierigkeit ist weniger ausgeprägt, wenn das Istwertsignal
vom Enddruck abgeleitet wird.
[0004] Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung eines Regelers mit Differentialanteil ist
die Tatsache, daß in dem aus Druckverhältnis und Durchsatz gebildeten Kompressorkennfeld
die Kennlinien konstanter Drehzahl und/oder konstanter Leitschaufelstellung gekrümmt
sind. In der Nähe der Pumpgrenz verlaufen dieser Kompressorkennlinien sehr flach,
weit im Kennfeld dagegen steil. Dies hat zur Folge, daß die Änderung des Kompressorenddrucks
in der Nähe der Pumpgrenze nur sehr gering ist. Demzufolge hat auch der Differentialanteil
des Reglers in der Nähe der Pumpgrenze die geringste Wirkung. Dies ist jedoch gerade
der Bereich des Kennfeldes in dem ein Differentialanteil des Reglers am nötigsten
gebraucht würde, um ein schnelles Ansprechen zu erreichen, weil der Kompressor in
diesem Bereich am meisten gefährdet ist.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der angegebenen Art so weiterzubilden,
daß es die Möglichkeit einer auch und gerade in der Nähe der Pumpgrenzlinie wirksamen
und gegen Rauschen möglichst unempfindlichen Regelung mit Differentialverhalten bietet.
[0006] Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich
auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.
[0007] Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird gemäß der ersten Alternative der Vorteil erzielt,
daß die differenzierende Wirkung gezielt dann erhöht werden kann, wenn sich der Arbeitspunkt
nahe der Pumpgrenzlinie befindet, so daß hier auch kleine Ist-Wertsignaländerungen
zu einem raschen Ansprechen des Regelers führen können. Gemäß der zweiten Alternative
wird der Vorteil erzielt, daß die differenzierende Wirkung selektiv bei Annäherung
des Arbeitspunktes an die Pumpgrenzlinie, also in der "gefährlichen" Richtung, genutzt
werden kann.
[0008] Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
Fig. 1 schematisch und sehr vereinfacht das Schema einer Abblaseregelung gemäß der
1. Alternative;
Fig. 2 den Aufbau eines PID-Reglers gemäß der zweiten Alternative und
Fig. 3 den Verlauf des Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Eingangssignal eines Verzögerers.
[0009] Gemäß Fig. 1 wird auf der Ansaugseite eines Kompressors K von einem ersten Istwertgeber
1 die Druckdifferenz vor und hinter einer Drosselblende erfaßt, welche gleichzeitg
eine Maß für den Ansaugvolumenstrom, bzw. den Kompressordurchsatz ist. Vom einem zweiten
Istwertgeber 3 wird der Enddruck P₂ am Kompressorausgang erfaßt. Ein Rechner 11 mit
zugehörigem Speicher 13 bildet aus den Istwerten die Koordinaten des Arbeitspunktes
in dem durch den Druchsatz sowie das Enddruck/Saugdruck-Verhältnis bestimmten Kennfeld
und vergleicht sie mit einer im Kennfeld vorgegebenen, abgespeicherten Abblaselinie
A. Im allgemeinen Fall müssen also End- und Saugdruck erfaßt werden. Vereinfachend
kann aber davon ausgegangen werden, daß der Saugdruck konstant ist und deshalb nicht
ständig gemessen wird. Abhängig vom Enddruck bzw. dem Druckverhältnis wird ein Sollwertsignal
für den Durchfluß erzeugt, welches im Subtrahierglied 5 mit Istwert verglichen und
hieraus ein Eingangssignal für einen Regler 7 gebildet wird. Der Regler 7 hat einen
Proportionalteil 7a, einen Differentialteil 7b und einen Integralteil 7c. Die Reglerausgangsgröße
dient als Stellsignal für ein Abblaseventil 9 am Kompressorausgang. Bei Annäherung
des Arbeitspunktes des Kompressors an die Abblaselinie A wird durch entsprechendes
Öffnen des Abblaseventils 9 der Durchsatz erhöht bzw. der Enddruck erniedrigt.
[0010] Im Speicher 13 ist ferner für jeden Arbeitspunkt die Steigung der durch diesen Arbeitspunkt
verlaufenden Kompressorkennlinie K konstanter Drehzahl und/oder konstanter Schaufelstelung,
oder auch konstanter Drossel klappenstellung im Eintritt gespreichert. Auf dem Wert
der zum momentanen Arbeitspunkt gehörenden Steigung der Kompressorkennlinie erzeugt
ein Steuerglied ein Steuersignal, durch welches die für die Differenzierung im Differentialteil
7b wirksame Zeitkonstante T
D geändert wird, und zwar so, daß die differenzierende Wirkung der Zeitkonstante proportional
zur Steigerung der Kompressorkennlinie ist. Hierdurch wird erreicht, daß der Differentialanteil
des Reglers 7 im gesamten Kennfled etwa gleiche Wirksamkeit hat.
[0011] Anstatt in Abhängigkeit von der Steigung der Kompressorkennlinie kann die Differenzierzeitkonstante
T
D auch in Abhängigkeit vom Abstand des momentanen Arbeitspunktes von der Abblaselinie
variiert werden, und zwar wiederum so, daß die differenzierende Wirkung mit kleiner
werdendem Abstand zwischen Abblaselinie und Arbeitspunkt vergrößert wird und umgekehrt.
[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Größe der differnzierenden Wirkung,
d.h. der Anteil des Differentialteils 7b im Vergleich zum Proportionalteil 7a und
Integralteil 7c des Reglers verändert werden. Insbesondere kann die Größe der differenzierenden
Wirkung in Abhängigkeit von der Steigung der Abblaselinie oder vom Wert des Enddrucks
angepaßt werden. Es ist ferner möglich, den Differentialanteil 7b abhängig von einem
Grenzwert im Reglerausgang zu oder abzuschalten. Z.B. kann der Differentialanteil
7b abgeschaltet werden, wenn das Reglerausgangssignal 100 % oder die Regeldifferenz
einen anderen vorgegebenen Wert, der einem bestimmten Abstand von der Abblaselinie
entspricht, erreicht.
[0013] Der Differntialanteil 7b des Reglers kann auch so ausgebildet sein, daß er in einer
Richtung, z.B. bei steigendem Eingangssignal wirksam ist, also nur positives, aber
kein negatives Ausgangssignal abgeben kann.
[0014] Die Steuerung der Differenzierzeitkonstante braucht nicht exakt nach Maßgabe der
tatsächlichen Kennliniensteigung zu erfolgen. Vielmehr sind Vereinfachungen möglich.
[0015] Eine Vereinfachung ergibt sich dann, wenn die Steigung der Kennlinien von einer
der Kennfeldkoordinaten, also vom Druck oder vom Druchfluß abhängt, und die Kennlinien
nur zu größeren Durchflüssen bzw. Drücken parallel verschoben sind. Dies ist dann
der Fall, wenn die Kennlinien 2 im Bereich kleinerer Drehzahlen oder Leitschaufelstellungen
relativ steil in die Pumpgrenze münden, im oberen Bereich dagegen flacher. Auch wenn
die Kennlinien nicht ganz deckungsgleich sind, ist doch in vielen Fällen eine Annäherung
durch Parallelverschiebung einer Kennlinie zulässig.
[0016] In diesem Fall hängt die Steigung der Kennlinie und damit die Größe von der Differenzierzeitkonstante
T
D nur noch vom Druck P bzw. Druckfluß Vab. Der Verlauf der Kennlinie kann entweder
in einem Digitalspeicer abgelegt sein oder aber auch analog in einem Funktionsgeber
14 vorgegeben sein, der in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist. Der Eingang dieses
Funktionsgebers ist der Druck, der Ausgang direkt die Größe T
D.
[0017] Weitere Vereinfachungen sind dadurch möglich, daß die Funktion nicht ideal im Funktionsgeber
nachgebildet wird, sondern in Annäherung durch Geradenabschnitte. Der einfachste
Fall ist eine Gerade aus zwei Abschnitten Diese läßt sich sehr einfach dadurch realisieren,
daß ab einem vorgegebenen Druck der Wert für T
D auf einen anderen Wert umgeschaltet wird.
[0018] Als weitere Ausgestaltung ist denkbar, daß abhängig vom Durchfluß zwischen verschiedenen
Steigungen umgeschaltet wird. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß auf einen
weiteren Funktionsgeber mit einer anderen Funktion umgeschaltet wird, ober daß nur
einzelne Parameter, z.B. die Verstärkung im gesamten Bereich oder der Knickpunkt,
variiert werden.
[0019] Es gibt andere Kompressorkennfelder, bei denen die Steigung der Kennlinien in der
Nähe der Pumpgrenze stets gleich oder zumindest ähnlich ist. In diesem Fall ist es
möglich, die Differenzierzeitkonstante T
D abhängig vom Abstand zwischen Arbeitspunkt und Pumpgrenze oder Abblaselinie zu variieren.
Der Abstand zwischen Abblaselinie und Arbeitspunkt liegt z.B. als Regeldifferenz
der Abblaseregelung (Pumpgrenzregelung) vor.
[0020] In diesem Fall kann z.B. der die Größe T
D liefernde Funktionsgeber 14 abhängig von der am Subtrahierglied 5 anliegenden Regeldifferenz
verstellt werden. Selbstverständlich sind auch für diesen Funktionsgeber Vereinfachungen
möglich, angefangen von einer einfachen Umschaltung der Größe T
D zwischen zwei Werten über mehrere Geradenabschnitte bis hin zu einem Polygonzug.
[0021] Anstatt die Differentiation im Regler selbst vorzunehmen, kann sie auch außerhalb
des Reglers erfolgen. Aus DE-PS 28 28 142 ist es bekannt, zur Erfassung der Änderungsgeschwindigkeit
eines Ist-Wertes diesen Istwert, bzw. seine Diferenz zum Sollwert, einmal unverzögert
und einmal verzögert einem Subtrahierglied zuzufürhen, so daß man die Differenz aus
dem unverzögerten und verzögerten Ist-Wert als "quasi-differenziertes" Signal erhält.
Ein solches Verfahren kann auch im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden, wobei
das "quasi-differenzierte" Signal einem nur Proportional- und Integralverhalten aufweisenden
Regler zugeführt wird und in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes die bei
der Gewinnung des "quasidifferenzierten" Signals verwendete Verzögerungszeit verändert
wird.
[0022] Während in der beschriebenen Ausführungsform die Lage des Arbeitspunktes durch Erfassung
des Enddruckes und des Durchsatzes bestimmt wird, können für die Erfassung des Arbeitspunktes
bzw. für die Definition des Kennfeldes auch andere Größen, wie das Druckverhältnis
zwischen End- und Saugdruck, die Drehzahl, die Leitschaufelstellung, die Leistung,
das Eingangssignal des Reglers oder das Ausgangssignal eines Prozeßreglers herangezogen
werden. Insbesondere kann das Kennfeld durch andere Parameter, wie z.B. die adiabate
Förderhöhe und den Ansaugvolumenstrom bestimmt werden. In jedem Fall hat die Pumpgrenzlinie
einen eindeutigen Verlauf im Kennfeld.
[0023] Nachfolgend soll eine Variante beschrieben werden, bei der die differenzierende Wirkung
des Reglers ebenfalls beeinflußt wird, allerdings nicht durch Veränderung der Zeitkonstanten,
sondern durch Zufügen weiterer Funktionsblöcke. Die hier beschriebene Variante eignet
sich insbesondere für Regelungen, bei denen eines der Eingangssignale mit Signalrauschen
behaftet ist, d.h. dem Eingangssignal ist ein hochfrequentes Rauschsignal mit kleiner
Amplitude überlagert. Eine direkte Differenzierung dieses Eingangssignals hätte deshalb
unter Umständen zur Folge, daß das Rauschsignal erheblich verstärkte werden würde.
[0024] Die nachteiligen Wirkungen derartiger Rauschsignale lassen sich erheblich reduzieren,
wenn die Differenzierung nur in einer Richtung, bei einer Pumpgrenzregelung z.B.
in Richtung kleinerer Durchflußsignale, erfolgt.
[0025] In Fig. 2 ist ein modifizierter PID-Regler dargestellt, bei dem die Unterdrückung
der difernzierenden Wirkung in der nichtgewollten Richtung durch die Einführung eines
Begrenzers 19 am Ausgang des Differenziergliedes 7b erreicht wird. Der Begrenzer 19
ist so ausgelegt, daß nur die Signale des Differenziergliedes durchgelassen werden,
die eine Verlagerung des Arbeitspunktes in Richtung des Stabilitätsbereiches bewirken.
[0026] Bei einer derartigen Anordnung werden alle Signaländerungen in Richtung z.B. kleinerer
Durchflüsse dirfferenziert, d.h. auch die Signaländerungen, die ihre Ursache lediglich
in Signalrauschen haben. Um den durch das Rauschen bedingten Einfluß auf das Differenzierglied
weiter zu vermindern, kann vor das Differenzierglied ein einseitig wirkender Verzögerer
17 eingefügt werden.
[0027] In Fig. 3 ist die Wirkungsweise des Verzögerers 17 anhand eines möglichen Eingangssignals
und des daraus folgenden Ausgangssignals dargestellt. Der einseitig wirkende Verzögerer
ist ein Bauelement, dessen Ausgangssignal in einer Richtung (z.B. in Richtung fallen
der Signale) dem Eingangssignal zunächst unverzögert folgt, bis das Eingangssignal
ein relatives Minimum erreicht. Ein anschließendes Ansteigen des Eingangssignals,
auch wenn es schnell erfolgt, führt zu einem relativ langsamen Ansteigen des Ausgangssignals,wobei
die Anstiegsrate durch eine vorgegebene, ggf. einstellbare Zeitkonstante bestimmt
wird. Das Ausgangssignal des Verzögerers 17 folgt also dem Eingangssignal in dieser
Richtung nur verzögert. Sobald das Eingangssignal wieder den Signalpegel des Ausgangssignals
erreicht, folgt das Ausgangssignal dem Eingangssignal, bis ein neuer Minimalwert
eingenommen wird. Das Ausgangssignal des Verzögerers 17 verbleibt also stets auf oder
in der Nähe des kleinsten Eingangswertes. Der verbleibende Rauschanteil wird durch
diese Anordnung wesentlich reduziert, da nur noch kurzzeitige Signaländerungen, die
immer dann auftreten, wenn die Eingangsgröße einen neuen, noch kleineren Minimalwert
annimmt, an die Differenzierschaltung weitergegeben werden.
[0028] Es ist erforderlich, daß der Verzögerer 17 eine endliche Zeitkonstante in Richtung
steigender Signale hat, um dem System Gelegenheit zu geben, nach einem einmaligen
Erreichen eines extremen Minimalwertes wieder den Normalwert zu erreichen bzw. um
den Ausgang des Verzögerers 17 dem Anstieg des Nutzsignales nachzuführen. Um den
geringen Einfluß der ansteigenden Flanke des Aus gangssignals des Verzögerers 17,
die vom Differenzierglied 7b registriert wird, auf die Stellgröße zu vermeiden,
kann dem Differenzierglied 7b der schon vorher erwähnte Begrenzer 19 nachgeschaltet
werden.
[0029] Da Signalrauschen durch eine hohe Frequenz gekennzeichnet ist, können verbliebende
kurzzeitige Regelimpulse, die ihre Ursache im Signalrauschen haben, durch die Einfügung
eines zusätzlichen Totzeitgliedes 21 am Ausgang des Differenziergliedes 7b, wirksam
unterdrückt werden.
[0030] Das Totzeitglied 17 bewirkt, daß nur die Signale weitergegeben werden, deren Signallängen
die Totzeit überschreiten. Für die Ausgestaltung des Totzeitgliedes 21 sind dabei
zwei Alternativen vorgesehen: Bei der ersten Alternative wird das Signal für die Dauer
der Totzeit blockiert und erst danach unverzögert auf den Ausgang weitergegeben.
Bei der zweiten Alternative wird das Signal um die Totzeit verzögert weitergegeben,
wenn es während der gesamten Totzeit am Eingang angestanden hat. Dies hat den Vorteil,
daß der Signalverlauf des Differenziergliedes während der Totzeit nicht verlorengeht,
sondern um die Totzeit verzögert auf die Stellgröße aufaddiert wird.
[0031] Beide Ausgestaltungen bewirken, daß Signale, die innerhalb der Totzeit wieder verschwinden,
unterdrückt werden und die Stellgröße nicht beeinflussen.
1. Verfahren zum Regeln eines Turbokompressors, bei dem einem Regler ein Eingangssignal,
das vom laufend erfaßten Istwert mindestens einer Betriebsgröße, insbesondere Durchfluß,
Förderdruck und/oder Druckverhältnis abgeleitet ist, zugeführt wird und der Regler
durch ein eine Differentiation oder gleichwertige, die Änderungsgeschwindigkeit erfassende
Operation einschließendes Verarbeiten des Eingangssignals ein Ausgangssignal zum
Steuern mindestens einer Betriebsgröße, insbesondere zum Steuern eines Ab- oder Umblaseventils
am Kompressorausgang, erzeugt, und bei dem das Regelverhalten des Reglers in Abhängigkeit
vom Arbeitspunkt geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der differenzierenden Wirkung in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes
und/oder von der Richtung der Lageänderung des Arbeitspunktes geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Differentiation maßgebliche Zeitkonstante in Abhängigkeit von mindestens
einer Kennfeldkoordinate des Arbeitspunktes geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Arbeitpunkt gehörende Steigung der Kompressorkennlinie konstanter Drehzahl
oder konstanter Schaufelstellung erfaßt und die Differenzierzeitkonstante in Abhängigkeit
von der Steigung, insbesondere umgekehrt proportional zur Steigung der Kompressorkennlinie
verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Arbeitspunktes von einer im Kennfeld vorgegebenen Abblaselinie
erfaßt und die Differenzierzeitkonstante in Abhängigkeit von dem Abstand verändert
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Differentialanteils des Regelverhaltens relativ zum Proportional-
und Integralanteil in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße verändert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Differentialanteils in Abhängigkeit von der Steigung der im Kennfeld
vorgegebenen Abblaselinie verändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Differentialanteils des Regelverhaltens in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
des Reglers verändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal des Differentialteils des Reglers richtungsabhängig verzögert
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal des Differentialteils des Reglers richtungsabhänig begrenzt
wird.
10. Regler für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Differentialteil
und ggf. einem Proportionalteil und/oder einem Integralteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Differentialteils (7b) mittels eines Steuergliedes (15)
steuerbar ist, und daß dem Steuerglied (15) ein eine Ortskoordinate des Arbeitspunktes
im Arbeitskennfeld repräsentierendes Signal von einem Koordinatenrechner (13) zuführbar
ist.
11. Regler für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Differentialteil
und ggf. einem Proportionalteil und/oder einem Integralteil, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differentialteil (7b) des Reglers ein Verzögerungsglied (17) mit richtungsabhängig
unterschiedlichen Zeitkonstanten vorgeschaltet ist.
12. Regler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differentialteil (7b) des Reglers ein Signalbegrenzer (19) mit richtungsabhängig
unterschiedlichen Begrenzungswerten nachgeschaltet ist.
13. Regler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differentialteil (7b) des Reglers ein Totzeitglied (21) nachgeschaltet ist.