【壓縮機(jī)網(wǎng)】在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造的時(shí)代背景下，我國(guó)制造業(yè)正進(jìn)一步在夯實(shí)基礎(chǔ)中不斷推進(jìn)變革。離心壓縮機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中一種極為常見(jiàn)和廣泛使用的設(shè)備，其制造和優(yōu)化控制運(yùn)行水平對(duì)工業(yè)制造的升級(jí)與變革起著非常重要的作用。離心壓縮機(jī)機(jī)理復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境多變，其建模、性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制等問(wèn)題極具挑戰(zhàn)性，相關(guān)理論研究有著非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　工業(yè)大數(shù)據(jù)泛指工業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)，既包括企業(yè)內(nèi)部制造系統(tǒng)所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，也包括企業(yè)外部的大量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)意義上的大數(shù)據(jù)主要指商業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的大數(shù)據(jù)，多為離散的相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)，因而采集這些數(shù)據(jù)的難度和工作量都很大。對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的關(guān)聯(lián)分析就可以獲取一些價(jià)值，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的主要思路是從海量的數(shù)據(jù)中找到各變量之間的聯(lián)系，根據(jù)得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)人們沒(méi)有認(rèn)識(shí)到的問(wèn)題。工業(yè)中的數(shù)據(jù)采集相對(duì)比較容易，但由于其各個(gè)參數(shù)之間還存在著內(nèi)在的機(jī)理等關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此分析難度較大，而且工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)分析的精度，結(jié)論的正確性和穩(wěn)定性也要求較高。因此，工業(yè)大數(shù)據(jù)分析其實(shí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科交叉的科學(xué)，需要全面而系統(tǒng)的進(jìn)行研究。

　　建立離心壓縮機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型能夠進(jìn)一步加深人們對(duì)離心壓縮機(jī)工作原理以及特性的理解。設(shè)計(jì)、制造人員可以利用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，大大縮短了設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造周期，降低了生產(chǎn)成本。對(duì)于控制工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，精確的數(shù)學(xué)模型是應(yīng)用各種先進(jìn)控制算法的前提，有了精確的數(shù)學(xué)模型，可以進(jìn)行各種離線(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的控制算法，從而保證離心壓縮機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。因此，建立精確的離心壓縮機(jī)模型對(duì)于減少生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制算法具有十分重要的意義。目前，離心壓縮機(jī)發(fā)展主要從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面進(jìn)行，大部分都是針對(duì)級(jí)中的主要部件葉輪、擴(kuò)壓器和渦殼等展開(kāi)，其模型計(jì)算都是基于流動(dòng)過(guò)程的描述：一元模型只能描述軸對(duì)稱(chēng)的流動(dòng)，而二元模型能夠預(yù)測(cè)軸方向和其它方向的流動(dòng)變化。這些模型源于應(yīng)用物料平衡，能量守恒和空氣動(dòng)力學(xué)方程的一般模型，能夠應(yīng)用于一般的壓縮機(jī)系統(tǒng)，也能描述軸流壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)喘振時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，這些都是基于壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換和損失的多種機(jī)理模型。利用從生產(chǎn)過(guò)程中收集的豐富數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模技術(shù)由于建模速度快、模型精度高，且對(duì)過(guò)程機(jī)理知識(shí)要求不高。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和集散控制系統(tǒng)應(yīng)用的快速發(fā)展使得大量的場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)，這就為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模提供了可能。現(xiàn)在，一些基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的方法有：偏最小二乘支持向量機(jī)，基于偏最小二乘的非線(xiàn)性方法，非線(xiàn)性時(shí)間序列的分析方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。

　　一．離心壓縮機(jī)的機(jī)理模型及參數(shù)分析

　　（一）單機(jī)離心壓縮機(jī)模型

　　在理想狀態(tài)下，由能量守恒定律可知，葉輪產(chǎn)生的全部能量都轉(zhuǎn)化成被壓縮氣體壓力的提高。但是實(shí)際狀況并非如此，壓縮氣體壓力的提高和各部分的能量傳遞以及能量損失密切相關(guān)，其中對(duì)壓縮機(jī)特性起重要影響的是沖擊損失和摩擦損失，它們的共同作用決定了壓縮機(jī)的特性曲線(xiàn)，因而，我們要從以下多個(gè)方面進(jìn)行研究分析。

　　1.葉輪進(jìn)出口氣流速度

　　氣體進(jìn)入壓縮機(jī)葉輪后，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)的作用下，能量得到提高。在這個(gè)做功過(guò)程中，氣體的速度會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算葉輪對(duì)氣體的做功大小和計(jì)算沖擊損失時(shí)，就必須研究壓縮氣體速度的變化規(guī)律，而葉輪出氣口氣流速度的分析也與進(jìn)氣口的分析相同。

　　2.級(jí)中的能量損失

　　離心壓縮機(jī)的氣體壓縮過(guò)程主要存在兩種損失，即在葉輪和擴(kuò)壓器上的沖擊損失和在葉輪和擴(kuò)壓器上的摩擦損失。兩者在判斷壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)中，扮演了重要的角色。當(dāng)然也存在其它的損失，如進(jìn)氣損失、混合損失和漏氣損失，由于這些損失很小，在計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用中會(huì)被忽略。

　　由于流體沖擊在轉(zhuǎn)子和葉片擴(kuò)壓器上造成的沖擊損失在塑造壓縮機(jī)特性曲線(xiàn)時(shí)至關(guān)重要，目前應(yīng)用最廣泛的理論，一種是基于在切線(xiàn)方向上的動(dòng)能損失，另一種模型假設(shè)在葉道內(nèi)的氣體流動(dòng)是一個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程。對(duì)于離心壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，這兩種方法建立的沖擊損失模型的預(yù)測(cè)結(jié)果差異很小，主要的不同在于零損失發(fā)生時(shí)流體的入射角。第一個(gè)模型，零損失發(fā)生在流體的入射角和葉片的安裝角相等的情況下。第二個(gè)模型并不是這樣。用第一種方法建立的模型可以使得沖擊損失曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)于設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，且隨著質(zhì)量流量的平方變化而變化。當(dāng)質(zhì)量流量低于設(shè)計(jì)流量時(shí)，沖擊損失會(huì)比在質(zhì)量高于設(shè)計(jì)流量時(shí)大得多。這使得當(dāng)流量低于設(shè)計(jì)流量時(shí)，壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)比高于設(shè)計(jì)流量時(shí)的曲線(xiàn)形狀更陡峭一些。

　　3.離心壓縮機(jī)效率

　　離心壓縮機(jī)效率與理想狀態(tài)下的損失與渦輪損失、回流損失及擴(kuò)壓器將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力的能力有關(guān)。

　　渦輪損失發(fā)生的主要原因是流體不能利用徑向動(dòng)能流出擴(kuò)壓器。回流損失的發(fā)生是由于壓力梯度存在于葉輪尖端區(qū)域，流體不得不重新進(jìn)入葉輪，導(dǎo)致壓縮機(jī)對(duì)回流的流體進(jìn)行重新壓縮。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于有葉輪擴(kuò)壓器的壓縮機(jī)，渦流損失會(huì)比無(wú)葉擴(kuò)壓器的損失大一些，因?yàn)樵谟腥~擴(kuò)壓器的出口，有更大部分的動(dòng)能是徑向的。在擴(kuò)壓器中的減速升壓過(guò)程是否有效，主要取決于擴(kuò)壓器的物理結(jié)構(gòu)。

　　另外，離心壓縮機(jī)效率還要考慮運(yùn)行過(guò)程中的能量傳遞。離心壓縮機(jī)的級(jí)對(duì)有效氣體所消耗的總功，可以認(rèn)為是由葉輪對(duì)氣體做功，內(nèi)漏氣損失，輪阻損失三部分組成。葉輪對(duì)氣體做功換成氣體的能量，應(yīng)注意到能量守恒是在質(zhì)量守恒的前提下得到的，即要滿(mǎn)足連續(xù)條件，同時(shí)，要考慮對(duì)黏性氣體都是適用的。而在離心壓縮機(jī)中，從外面加入的熱量，以及向外界放出的熱量，通常可忽略不計(jì)。對(duì)于葉輪來(lái)說(shuō)，原動(dòng)機(jī)傳給葉輪的總功有理論能量頭、內(nèi)漏氣損失和輪阻損失，理論能量頭主要是以機(jī)械能的形式傳給氣體的。這些能量及損失在級(jí)內(nèi)不斷地進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，不斷地被壓縮和膨脹而需要一定的外功，這部分外功變成了熱量傳給氣體。

　　4.阻滯

　　當(dāng)流體在壓縮機(jī)系統(tǒng)中的某個(gè)橫斷面上達(dá)到聲速時(shí)，流體就會(huì)發(fā)生阻滯現(xiàn)象。阻滯流量取決于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，葉輪在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高時(shí)，所能承受的極限流量也會(huì)變大。

　　5.能量傳遞與壓力升高

　　由于流體的能量與質(zhì)量流量成正比，壓縮機(jī)壓力升高時(shí)，通過(guò)能量傳遞會(huì)對(duì)進(jìn)口溫度，比熱容等多個(gè)因素產(chǎn)生影響。為了建立流量壓力升高的模型，也要考慮喘振工況，其值決定了旋轉(zhuǎn)葉片在反方向提供給流體的阻力。在流量為負(fù)時(shí)，壓縮機(jī)可以認(rèn)作是偏正壓力的節(jié)流裝置。在壓縮機(jī)實(shí)際工作中，為了生產(chǎn)安全的需要，應(yīng)當(dāng)盡量避免進(jìn)入喘振區(qū)，同時(shí)，負(fù)流量在實(shí)際中無(wú)法測(cè)量，在工程上只需要畫(huà)出正流量時(shí)的出口特性曲線(xiàn)。

　　6.離心壓縮機(jī)的出口溫度

　　離心壓縮機(jī)通過(guò)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體做功，使氣體的壓力得到提高，同時(shí)氣體的溫度也隨之提高。如果在轉(zhuǎn)速一定，入口條件也一定的情況下，壓縮機(jī)的溫度比是一個(gè)定值。

　　7.離心壓縮機(jī)模型的仿真及入口參數(shù)的影響

　　反映離心壓縮機(jī)級(jí)的主要參數(shù)為壓力比、效率及流量。為了便于把級(jí)性能清晰地表示出來(lái)，常常在一定的進(jìn)口氣體狀態(tài)及某個(gè)轉(zhuǎn)速下，用不同流量時(shí)的級(jí)壓力或出口壓力、級(jí)效率與進(jìn)口流量表示出來(lái)。若忽略動(dòng)能的變化，葉輪對(duì)氣體所做的功主要用來(lái)提高氣體的壓力和克服流動(dòng)損失。所以，要知道不同流量下壓力提高的情況，還要知道不同流量下流動(dòng)損失的大小。在設(shè)計(jì)工況下，氣流方向基本上和葉片方向一致，分離沖擊損失小；當(dāng)流量增大或減小時(shí)，分離沖擊損失增大。離心壓縮機(jī)機(jī)理模型在仿真時(shí)，壓縮機(jī)的溫度、壓力、流量以及其它成分均來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)DCS讀取的過(guò)程數(shù)據(jù)。一般在設(shè)計(jì)工況附近，壓縮機(jī)有最高效率，流動(dòng)情況最完善；當(dāng)流量增大時(shí)，由于摩擦損失和沖擊損失明顯增大，級(jí)效率將下降；當(dāng)流量減小時(shí)，分離沖擊損失明顯減小。此外，由于流量減小，相對(duì)的漏氣損失和輪阻損失也增大，所以也使級(jí)效率降低。壓縮機(jī)性能不僅反映了級(jí)壓比、效率等與流量的關(guān)系外，也反映了級(jí)的穩(wěn)定工況范圍的大小。

　　（二）機(jī)理模型參數(shù)辨識(shí)

　　離心壓縮機(jī)在進(jìn)行仿真時(shí)，僅僅使流量變化，而固定了其它的入口條件，如溫度、壓力、介質(zhì)成分、轉(zhuǎn)速等。測(cè)試時(shí)，隨機(jī)取一段時(shí)間段的過(guò)程數(shù)據(jù)，雖然測(cè)試點(diǎn)與機(jī)理模型的距離很大，但測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該在穩(wěn)定工況范圍內(nèi)，該機(jī)理模型中的一些參數(shù)值的選擇對(duì)模型影響較大，和實(shí)際情況難免有不同程度的偏差。因此，在獲得現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法辨識(shí)這些參數(shù)，以得到更加準(zhǔn)確的模型。

　　1.遺傳算法

　　遺傳算法是借鑒生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜尋優(yōu)算法，其之所以能夠增強(qiáng)解決問(wèn)題的能力，是因?yàn)槠渥匀谎莼^(guò)程就是一個(gè)學(xué)習(xí)與優(yōu)化的過(guò)程，其核心思想是生物進(jìn)化過(guò)程，本身是一個(gè)自然的，并行發(fā)生的、穩(wěn)健的優(yōu)化過(guò)程。遺傳算法對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，將問(wèn)題域中的可能解看做是群體的個(gè)體或染色體，并將每一個(gè)個(gè)體編碼成符號(hào)串形式，根據(jù)預(yù)定的目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每個(gè)可能解進(jìn)行評(píng)價(jià)，來(lái)確定搜索方向；借用生物遺傳學(xué)的觀(guān)點(diǎn)和基本術(shù)語(yǔ)：基因、個(gè)體、群體、適應(yīng)度、編碼、解碼等，通過(guò)對(duì)群體反復(fù)進(jìn)行選擇、交叉、變異等遺傳學(xué)操作，不斷得到更優(yōu)的群體，同時(shí)以全局并行搜索方式來(lái)搜索優(yōu)化群體中的最優(yōu)個(gè)體，得到滿(mǎn)足要求的最優(yōu)解。

　　2.參數(shù)辨識(shí)

　　辨識(shí)就是在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從一組給定的模型中，確定一個(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型，實(shí)質(zhì)就是從一組模型類(lèi)中選擇 一個(gè)模型，按照某種準(zhǔn)則，使之能最好地?cái)M合所關(guān)心的實(shí)際過(guò)程。以離心壓縮機(jī)參數(shù)辨識(shí)的數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)歸約。

　　數(shù)據(jù)校正主要是處理空缺值，平滑噪聲數(shù)據(jù)，識(shí)別，刪除孤立點(diǎn)。其方法有空缺值處理和誤差處理。

　　數(shù)據(jù)集成是將眾多數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，解決語(yǔ)義模糊性并整合成一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，一是模式集成，將小同信息源中實(shí)體匹配來(lái)進(jìn)行模式集成；通常借助數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別；二是冗余數(shù)據(jù)集成往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余；三是數(shù)據(jù)量綱的沖突，由于工業(yè)工程中出現(xiàn)的工程單位不同或數(shù)值上相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，需要選擇適當(dāng)?shù)囊蜃舆M(jìn)行標(biāo)度，可以有效地改善建模的效果。

　　數(shù)據(jù)歸約技術(shù)可以用來(lái)得到數(shù)據(jù)集的歸約表示，與非歸約數(shù)據(jù)比較，接近于保持原數(shù)據(jù)的完整性，其處理數(shù)據(jù)所需的時(shí)間和內(nèi)存資源更少，并產(chǎn)生相同或者幾乎相同的分析結(jié)果。

　　過(guò)程數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要分為三個(gè)步驟：第一步是將排除壓縮機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)等非正常數(shù)據(jù)；第二步是將DCS系統(tǒng)讀數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠讀取利用的數(shù)據(jù)；第三步是選取穩(wěn)定的工況數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)中，有很多信息重復(fù)的地方，需要進(jìn)一步的選取。流量要覆蓋所有工況的測(cè)點(diǎn)，尤其極端工況，要特別注意流量選擇時(shí)，要取相同數(shù)目的流量值，保證流量范圍的平均性，避免參數(shù)辨識(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏重。

　　3.參數(shù)分析

　　（1）葉輪葉片安裝角

　　離心壓縮機(jī)的葉輪是離心壓縮機(jī)中唯一對(duì)氣流做功的元件。氣體在葉輪葉片的作用下，做高速旋轉(zhuǎn)，受旋轉(zhuǎn)離心力的作用以及在葉輪里的擴(kuò)壓流動(dòng)，使它通過(guò)葉輪后的壓力得到提高，對(duì)葉輪的要求之一是當(dāng)氣體流過(guò)葉輪時(shí)，氣體在葉輪上的沖擊損失要小，而葉輪葉片安裝角的大小對(duì)沖擊損失影響較大，會(huì)影響到壓縮機(jī)的模型。

　　（2）擴(kuò)壓器葉片安裝角

　　擴(kuò)壓器在壓縮機(jī)中是一個(gè)與葉輪幾乎同等重要的部件，其葉片安裝角對(duì)于提高壓縮機(jī)級(jí)效率和級(jí)壓比、改變最佳工況點(diǎn)位置以及擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍起著十分重要的作用。

　　（3）沖擊損失系數(shù)

　　當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，一般邊界層不易分離，沖擊損失小，當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，邊界層易分離，沖擊損失大，所以，沖擊損失的大小與沖角的正負(fù)關(guān)系很大。

　　（4）葉輪面積調(diào)節(jié)系數(shù)

　　高壓比、高轉(zhuǎn)速離心葉輪是離心壓縮機(jī)的關(guān)鍵部位，具有單級(jí)壓比高、體積小的特點(diǎn)。離心葉輪是環(huán)列葉柵，黏性、擴(kuò)壓引起的分離和二次流使葉輪內(nèi)氣體的流動(dòng)變得復(fù)雜，由于葉輪是一個(gè)整體，各幾何參數(shù)的變化均反映在面積的變化上。

　　（5）壓比調(diào)節(jié)系數(shù)

　　由于現(xiàn)場(chǎng)的工況隨時(shí)改變，僅僅通過(guò)機(jī)理推導(dǎo)并不能準(zhǔn)確得出實(shí)際壓比與入口質(zhì)量流量的關(guān)系，因此，需要根據(jù)獲得的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)辨識(shí)壓比系數(shù)的大小，以獲得準(zhǔn)確的模型和性能曲線(xiàn)。

　　4.遺傳算法的設(shè)計(jì)

　　用遺傳算法進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，就是在已知模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用遺傳算法來(lái)優(yōu)化模型參數(shù)。選擇操作采取隨機(jī)均勻分布的方法，交叉操作采用分散的方法，變異操作采用高斯變異算子。設(shè)計(jì)遺傳算子的步驟中，第一步進(jìn)行初始化，設(shè)置進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器，最大進(jìn)化代數(shù)；隨機(jī)生成相應(yīng)系統(tǒng)模型參數(shù)，形成初始群體；第二步進(jìn)行個(gè)體評(píng)價(jià)，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算群體中，一組參數(shù)的適應(yīng)度值，經(jīng)過(guò)遺傳操作，將選擇、交叉、變異算子作用于群體，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到下一代群體，以算法進(jìn)行過(guò)程中得到的具有最大適應(yīng)度的個(gè)體作為最優(yōu)解輸出，終止計(jì)算，該最優(yōu)解就是所要辨識(shí)的系統(tǒng)模型參數(shù)。

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