涡旋机及其轴向背压动态控制方法、存储介质

IPC分类号 : F04C18/02I,F04C28/00I,F04C28/28I,F04C29/00I

申请号

CN201911241902.3

可选规格: 数量

库存1件

确认取消

￥30000; 库存1件

首页

立即咨询

看了又看

专利摘要

本发明提供了一种涡旋机及其轴向背压动态控制方法、存储介质，所述方法包括如下步骤：在涡旋机稳定运行状态下，采用迭代法确定使力评价指标总体最优的提前步数；设置转速增量，获取不同转速对应的最优提前步数，生成“转速‑提前步数”曲线；检测当前时刻的排气压力及转角值，结合“轴向气体分离力‑转角‑排气压力”曲线，获取当前时刻的轴向气体分离力；根据当前转角值确定当前转速，结合“转速‑提前步数”曲线，确定提前步数N0；结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N0的PID超前控制。上述方法可精确控制动涡盘的外部背压，从而平衡其内部气体分离力。

权利要求

1.一种轴向背压动态控制方法，适用于采用电磁机构抵消轴向气体分离力的涡旋机，其特征在于，包括如下步骤：

在涡旋机稳定运行状态下，等时间间隔采样当前转速下的实际电磁控制力，并与当前转速下各采样时刻的目标电磁控制力比较获得单个采样周期内两者之间的总体差值，采用迭代法确定使该总体差值最小的最优提前步数；设置转速增量，获取不同转速对应的最优提前步数，生成“转速-提前步数”曲线；

检测当前时刻的排气压力及转角值，结合“轴向气体分离力-转角-排气压力”曲线，获取当前时刻的轴向气体分离力；根据当前转角值确定当前转速，结合“转速-提前步数”曲线，确定提前步数N0；结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N0的PID超前控制。

2.根据权利要求1所述的轴向背压动态控制方法，其特征在于，判断涡旋机是否处于稳定运行状态的具体方法为：检测当前时刻实际电磁控制力，并将其与当前时刻的目标电磁控制力比较获得控制误差，当最近三个周期内控制误差均低于5％时，确定涡旋机处于稳定运行状态。

3.根据权利要求1所述的轴向背压动态控制方法，其特征在于，采用迭代法确定使实际电磁控制力F(k)与目标电磁控制力Fa(k)之间的总体差值最小的最优提前步数的具体方法为：

在k时刻对动涡盘输入电磁控制力F(k)＝Fa(k+N)，根据PID超前预测平衡优化性能指标判断当实际电磁控制力与目标电磁控制力之间的总体差值达到最小时N的取值即为N0；

其中，N为提前步数，设定单周期内的采样次数为k0，则提前步数N的取值范围为：N∈[0，k0]。

4.根据权利要求3所述的轴向背压动态控制方法，其特征在于，所述PID超前预测平衡优化性能指标minErr为：

其中，k为当前采样时刻，F(i)为i时刻对应的实际电磁控制力，Fa(i)为i时刻的目标电磁控制力。

5.根据权利要求4所述的轴向背压动态控制方法，其特征在于，设单周期内的总步数为x，每步长角度为y，则单周期内k取值范围为k∈[0，x/y-1]。

6.根据权利要求1所述的轴向背压动态控制方法，其特征在于，所述“根据当前转角值确定当前转速”的具体方法为：

其中，V为转速，θ(k)为k时刻的转角值，θ0为初始角度值，r为动涡盘的半径，t为转动角度θ(k)所消耗的时间。

7.根据权利要求1所述的轴向背压动态控制方法，其特征在于，所述“结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N0的PID控制”的具体方法为：设当前时刻k对应的目标电磁控制力为Fa(k)，则k时刻电磁机构实际对动涡盘输出的电磁控制力F(k)＝Fa(k+N0)。

8.一种涡旋机，包括动涡盘和静涡盘，其特征在于，还包括轴向力电磁控制机构，该轴向力电磁控制机构采用如权利要求1-7中任一项所述的轴向背压动态控制方法来抵消动涡盘与静涡盘之间的轴向气体分离力。

9.根据权利要求8所述的一种涡旋机，其特征在于，所述轴向力电磁控制机构包括控制部件、检测部件及电磁组件；其中：

所述电磁组件，设置于动涡盘与静涡盘之间，用于产生电磁控制力以抵消动涡盘与静涡盘之间的轴向气体分离力；

所述检测部件，包括：压力检测件及转角检测件，所述压力检测件包括电磁控制力检测部件，及设置于涡旋机的排气口延伸管路处用于检测涡旋机排气口压力的排气压力检测部件；所述转角检测件设置于涡旋机的驱动轴处，用于检测动涡盘的转角信息；

所述控制部件，分别与所述检测部件及控制执行连接，控制部件根据检测部件的检测结果对电磁组件中的电流进行相应地调节，从而使得轴向电磁力抵消动、静涡盘间的轴向气体分离力。

10.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，该计算机程序被处理执行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的轴向背压动态控制方法的步骤。

说明书

技术领域

本发明涉及涡旋机轴向气体分离力控制技术，具体的说，是涉及一种涡旋机及其轴向背压动态控制方法、存储介质。

背景技术

涡旋机是一种借助于容积的变化来实现气体压缩的流体机械，其内部结构主要包括静涡盘、动涡盘、支架、偏心轴及防自转机构，其中，动涡盘与静涡盘偏心设置，随着动涡盘在偏心轴的驱动下转动，动涡盘与静涡盘之间的气体向中部汇聚或外围扩散，从而实现压缩机或膨胀机的功能。

相对于其他压缩机/膨胀机，涡旋机具有气体泄漏量少、体积小、重量轻，可持续工作时间长，且整机噪声低等优点，但由于涡旋机的动涡盘与静涡盘之间成上下扣合结构配合，两者之间的接触松紧度由装配决定，过松会导致气体泄漏，过紧会导致在工作前期磨损、发热严重，工作效率低，较长时间之后接触面仍然会逐渐变松，会引起泄露等引起不良后果，因此，现有的涡旋机结构中，将动涡盘设置为浮动状态，即动涡盘在旋转过程中在静涡盘和支架之间沿轴向浮动。当动涡盘高速转动时，其承受很大的轴向气体分离力作用，且该轴向气体分离力随主轴转角和气体压力变化，为此，一般情况下，通过在涡旋机中加设轴向气体分离力控制机构来平衡该轴向气体分离力。目前，常用的轴向气体分离力控制机构如下：

1)弹簧背压方案：即在涡盘(一般为动涡盘)背面安装弹簧，这种结构实施相对方便，但是压力不可调，且弹簧和涡盘也在大压力下摩擦对材料寿命具有较大挑战，也会带来弹簧工作面上摩擦损耗等问题；

2)推力轴承方案：即在涡旋盘背面安装推力轴承，实现机械定位；采用该结构对涡盘进行轴向位置固定，不能实现轴向间隙的自动补偿，难以在密封和小压力之间取得平衡，且很多场合(如高压机领域)难以找到合适的推力轴承；

3)气体背压腔方案：在涡盘背面施加一定的气体压力，背压腔中的压力以类似腔内气体变化的规律随着转角变动，这一结构虽然可以抵消较大幅度的腔内气体往外的轴向压力，但是两者的合力仍然有较大比重的残余，且合力与转角相关，仍旧有较大摩擦或者泄露的问题存在，不利于涡旋盘的稳定转动；

4)双涡旋体涡盘方案：在动涡盘的圆形板两侧设置涡旋型线几何参数相同的上、下两个涡旋体，相应地有两个静涡盘与之配合，如一个静涡盘与单涡旋体的动涡盘相配的相同，另一个静涡盘的涡旋体则直接在支架上产生，即支架体同时起到了静涡盘的作用。在这种结构的涡旋压缩机中，动涡盘的上、下涡旋体所受的轴向气体分离力大小相等、方向相反，故而动涡盘所受轴向气体分离力自动地得到完全平衡，但这种结构从理论角度来看，双涡旋体的两个动涡盘受到的轴向气体分离力可以巧妙的互相抵消；在抵消之后，实际实施过程中，静涡盘和动涡盘之的接触面的装配精度比较难控制，接触紧磨损和散热就多，接触松容易泄漏。若为固定安装，长时间工作后接触面的状态因磨损改变难以调整；若为轴向浮动安装，显然只能由静涡盘轴向浮动来实现，同样需要背压控制，且两个涡盘背压增加复杂度。

公开号为CN110005611A的中国专利公开了一种涡旋机的电磁机构和相应的控制方法，该方案中通过动态的控制电磁机构产生轴向电磁力来抵消动涡盘的轴向分离力(轴向气体分离力)，其在一定程度上实现了对涡旋机轴向背压的控制，使涡旋机工作过程中保持低接触力的同时，改善密封性。但实际应用过程中，涡旋压缩机的轴向气体分离力是周期性动态变化的，平衡该轴向分离力所需的电磁力在高动态变化下其非线性特性，特别是在磁滞因素的影响下会随着主轴转动频率的提高逐渐变得不可忽略，带来明显的滞后性，而且轴向力控制系统采用力反馈控制，对于电磁压力的采样是周期采样，即该系统具有典型的离散系统特点，系统的运行轨迹总是会产生多个采样步数的滞后误差；这一问题在涡旋机转速升高或高速转动时，尤为突出。

基于上述问题，如何精确控制外部背压，平衡内部气体分离力是高性能轴向密封的主要技术难点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种涡旋机的轴向背压动态控制方法，该方法可精确控制动涡盘的外部背压，从而平衡其内部气体分离力。

本发明的第二目的是提供一种涡旋机，该涡旋机采用上述方法来控制轴向背压来控制动涡盘与静涡盘之间的轴向电磁控制力。

本发明的第三目的是提供一种存储介质，该存储介质存储有执行上述轴向背压动态控制方法的步骤的计算机程序。

基于上述目的，本发明的一个方面，提供一种轴向背压动态控制方法，适用于采用电磁机构抵消轴向气体分离力的涡旋机，该控制方法包括如下步骤：

检测当前时刻的排气压力及转角值，结合“轴向气体分离力-转角-排气压力”曲线，获取当前时刻的轴向气体分离力；根据当前转角值确定当前转速，结合“转速-提前步数”曲线，确定提前步数N₀；结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N₀的PID超前控制。

作为优选，判断涡旋机是否处于稳定运行状态的具体方法为：检测当前时刻实际电磁控制力，并将其与当前时刻的目标电磁控制力比较获得控制误差，当最近三个周期内控制误差均低于5％时，确定涡旋机处于稳定运行状态。

作为优选，采用迭代法确定使实际电磁控制力F(k)与目标电磁控制力Fa(k)之间的总体差值最小的最优提前步数的具体方法为：

在k时刻对动涡盘输入电磁控制力F(k)＝Fa(k+N)，根据PID超前预测平衡优化性能指标判断当实际电磁控制力与目标电磁控制力之间的总体差值达到最小时N的取值即为N₀；

其中，N为提前步数，设定单周期内的采样次数(总跟踪步数)为k₀(在数字控制系统中一个周期实际由多个采样点组成，总的跟踪点数可定义为总跟踪步数)，则提前步数N的取值范围为：N∈[0，k₀]。

作为优选，所述PID超前预测平衡优化性能指标minErr为：

其中，k为当前采样时刻，F(i)为i时刻对应的实际电磁控制力，Fa(i)为i时刻的目标电磁控制力。

作为优选，设单周期内的总步数为x，每步长角度为y，则单周期内k取值范围为k∈[0，x/y-1]。

作为优选，所述“根据当前转角值确定当前转速”的具体方法为：

其中，V为转速，θ(k)为k时刻的转角值，θ₀为初始角度值，r为动涡盘的半径，t为转动角度θ(k)所消耗的时间。

作为优选，所述“结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N₀的PID控制”的具体方法为：设当前时刻k对应的目标电磁控制力为Fa(k)，则k时刻电磁机构实际对动涡盘输出的电磁控制力F(k)＝F_a(k+N₀)。

本发明的另一个方面，提供一种涡旋机，该涡旋机包括动涡盘和静涡盘，此外，还包括轴向力电磁控制机构，该轴向力电磁控制机构采用如上所述的轴向背压动态控制方法来抵消动涡盘与静涡盘之间的轴向气体分离力。

作为优选，所述轴向力电磁控制机构包括控制部件、检测部件及电磁组件；其中：

所述电磁组件，设置于动涡盘与静涡盘之间，用于产生电磁控制力以抵消动涡盘与静涡盘之间的轴向气体分离力；

本发明的再一个方面，提供一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序被处理执行时，实现上述的轴向背压动态控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

在动态电磁力控制上，提出的提前PID跟踪方法及提前步数量确定方法、不同频率时提前量N数据库的建立方法、根据提前量数据库和实时速度信息以自适应调整提前量的方法，使电磁机构在不同转速下均可实现动态电磁力的快速无滞后跟踪，实现高动态性能。

采用基于力闭环的涡旋机轴向背压控制策略，结合自适应提前量的提前跟踪PID动态电磁力控制方法，不需要计算实际电磁气隙，不需要建立复杂电磁数学模型，通过电磁吸力、排气口压力、角度和速度信息，即可获得精确高动态背压，实现高性能轴向气体分离力平衡，使得涡旋机涡卷之间实现高性能轴向近零摩擦力动态接触密封。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例中轴向背压动态控制方法的流程图；

图2是本发明实施例中电磁机构的结构及轴向气体分离力、轴向电磁控制力的平衡示意图；

图3是本发明实施例中“转速-提前步数”曲线的获取流程图；

图4是本发明实施例中对电磁机构的轴向电磁控制力进行提前控制的流程图；

图5是本发明实施例中轴向分离力、排气口压力和转角的关系图；

图6(a)是频率为50Hz时，常规PID跟踪曲线图；

图6(b)是本发明实施例中频率为50Hz时，最优预测提前跟踪控制曲线图；

图6(c)是本发明实施例中不同频率下系统步数迭代寻优曲线；

图7是本发明实施例中PID闭环算法流程。

其中，1、静涡盘底板；2、第一铁芯；3、电磁线圈；4、第二铁芯；5、压缩腔；6、静涡盘；7、动涡盘；8、电磁控制力检测件。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，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。

一种轴向背压动态控制方法，适用于采用电磁机构抵消轴向气体分离力的涡旋机，如图1所示，该控制方法包括如下步骤：

S1：在涡旋机稳定运行状态下，等时间间隔采样当前转速下的实际电磁控制力，并与当前转速下各采样时刻的目标电磁控制力比较获得单个采样周期内两者之间的总体差值，采用迭代法确定使该总体差值最小的最优提前步数；设置转速增量，获取不同转速对应的最优提前步数，生成“转速-提前步数”曲线；

作为一种优选的实施方案，判断涡旋机是否处于稳定运行状态的具体方法为：检测当前时刻实际电磁控制力，并将其与当前时刻的目标电磁控制力比较获得控制误差，当最近三个周期内控制误差均低于5％时，确定涡旋机处于稳定运行状态。

作为一种优选的实施方案，采用迭代法确定使实际电磁控制力F(k)与目标电磁控制力Fa(k)之间的总体差值最小的最优提前步数的具体方法为：

在k时刻对动涡盘输入电磁控制力F(k)＝Fa(k+N)(即：如图7所示，在k时刻，具体实施的PID闭环控制算法中，闭环前的期望目标为提前了N个步数的Fa(k+N))，根据PID超前预测平衡优化性能指标判断当实际电磁控制力与目标电磁控制力之间的总体差值达到最小时N的取值即为N₀；

其中，N为当前提前步数，设定单周期内的总跟踪步数(在数字控制系统中一个周期实际有多个点组成，总的跟踪点数可定义为总跟踪步数)为k₀，则提前步数N的取值范围为：N∈[0，k₀]。

作为一种优选的实施方案，所述PID超前预测平衡优化性能指标minErr为：

其中，k为当前采样时刻，F(i)为i时刻对应的实际电磁控制力，Fa(i)为i时刻的目标电磁控制力。

S2：检测当前时刻的排气压力及转角值，结合“轴向气体分离力-转角-排气压力”曲线(该曲线的获取方法在公开号为CN110005611A，名称一种涡旋机的电磁机构及其控制方法这一专利申请中具有说明，在此不再赘述)，获取当前时刻的轴向气体分离力；根据当前转角值确定当前转速，结合“转速-提前步数”曲线，确定提前步数N₀；结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N₀的PID超前控制。

作为一种优选的实施方式，所述“根据当前转角值确定当前转速”的具体方法为：

其中，V为转速，θ(k)为k时刻的转角值，θ₀为初始角度值，r为动涡盘的半径，t为转动角度θ(k)所消耗的时间。

作为一种优选的实施方式，所述“结合当前时刻的轴向气体分离力，对动涡盘进行提前步数为N₀的PID控制”的具体方法为：设当前时刻k对应的目标电磁控制力为Fa(k)，则k时刻电磁机构实际对动涡盘输出的电磁控制力F(k)＝F_a(k+N₀)。

需要说明，在一些优选的实施方案中，步骤S1在离线状态下完成，在线控制过程中执行步骤S2，另，上述控制过程可以是在线状态下连续进行(即涡旋机在线运行状态下，根据程序流程连续流转进行轴向背压的动态控制和调整)的，也可以是以中断的方式间隔进行(即涡旋机在线运行状态下，每隔一段时间进行轴向背压的动态控制和调整)。

下面以图2所示结构为例，来说明本发明内容，需要说明，本实施例所示的控制方法可用于如图2所示结构电磁机构，也可以用于其他力闭环反馈的不同拓扑形式的电磁机构。

图2所示结构采用安装在静涡盘上的环形电磁铁，实现用于平衡气体分离力的动态电磁力结构，剖面示意图如下所示：

该涡旋机包括动涡盘和静涡盘，特别地，还包括轴向力电磁控制机构，该轴向力电磁控制机构采用如上所述的轴向背压动态控制方法来抵消动涡盘与静涡盘之间的轴向气体分离力。

作为一种优选的实施方式，所述轴向力电磁控制机构包括控制部件、检测部件及电磁组件；优选地：

如图2所示，静涡盘6设置于静涡盘底板1上，电磁组件设置于动涡盘和静涡盘之间，该电磁组件包括电磁线圈3、第一铁芯2及第二铁芯4，具体地：第一铁芯2设置于动涡盘7和静涡盘6之间，电磁线圈3设置于第一铁芯2与动涡盘7之间，，第二铁芯4设置于动涡盘7边缘，且第一铁芯2与第二铁芯4正对，从而可通过调整电磁线圈中的电流方向及大小，调整第一铁芯2与第二铁芯4之间的电磁力F(即轴向控制力)以抵消动涡盘7与静涡盘7之间压缩腔5内产生的轴向气体分离力Fa1-Fa3；

所述检测部件，包括：压力检测件及转角检测件，所述压力检测件包括如图2中所示的电磁控制力检测件8，及设置于涡旋机的排气口延伸管路处，用于检测涡旋机排气口的排气压力检测件(图中未标出)，所述转角检测件(图中未标出)设置于涡旋机的驱动轴处，用于检测动涡盘的转角信息；需要说明，电磁控制力检测件8所述检测的电磁控制力包括电磁吸力和电磁压力。

实际应用中，以涡旋机为例，其轴向力电磁平衡系统中存在以铁芯磁滞为主要原因的一定程度的延时，速度或者频率较快时尤其明显，对动态跟踪性能造成严重影响，而常规PID无法消除该延时量，因此，本实施例的目的在于提供一种超前预测PID控制方法，以消除该延时量带来的控制误差。根据上述的轴向背压动态控制方法，首先计算最优提前步数N₀，针对系统最优提前步数N₀的选择需要一个评判标准，以完成系统提前步数的最佳值确定。

本实施例方式中优选系统最小方差的性能评价方法，在涡旋机一个运算周期内，系统不断采样k时刻电磁吸力F(k)大小，并且与目标电磁控制力Fa(k)比较，PID超前预测平衡优化性能指标取minErr为：

系统提前步数N的值在阈值中不断的迭代寻优，以minErr值作为依据，确定系统最适合的超前预测步数N的值，具体的迭代方式如图3所示：

如图3所示，初始化转速V₀和采样步数N，为了明确不同时刻对应的位置关系，确定k＝0时对应的初始位置，确定在一定工况下系统的最大提前步数量的阈值N_max(若总跟踪步数为360，则其取值范围为0-359，与目标压缩机最大延时时间和频率有关)；当系统开始运行时，系统依据k时刻反馈量与目标值的误差进行PID运算并保存涡旋机主轴转角一周期内的误差，其中，单个采样周期内k取值范围为0-359(本实施例中以总跟踪步数为360为例进行阐述，实际总跟踪步数可根据控制精度和快速性的需要折中选取)；

依据公式(1)提前跟踪PID控制器最优化性能指标，由最近三次系统误差值相差不能超过5％判断系统是否为稳定状态，系统稳定时保存当系统稳定时保存当前指标，系统提前步数N迭代加一，其中，N取值范围为0-359。当系统迭代完成搜索不同转速下系统误差minErr值，找到误差最小值，确定该值对应的N值为最优提前步数，根据转速增量V_Δ找出不同转速V对应的N值并生成对应的“速度-最优提前步数”曲线(N_max根据实际要求设置)。

图3中三个循环变量的意义(流程图从上到下的顺序)

(1)分析在固定转速的情况下一个周期内不同时刻k时的跟踪误差，并判断是否稳定(每个固定N，k值都会从0到k_max值循环)；

(2)在固定转速的情况下，从不同的采样步数N值中选出最优采样步数(每个固定转速n，N值寻优参数都会从0到N_max值循环寻找)；

(3)扫描不同转速，目的是为了在不同转速的情况下，选出对应的最优提前步数N₀。

上述过程执行过程中，可将“速度-最优提前步数”曲线及相关参数保存至系统内存中，当系统启动时，首先从处理器内存中寻找是否有与当前工况配合的最优提前步数N₀，当N₀存在时，即可直接调用当前N₀值进行超前预测PID运算，从而提高系统运算速度。

如图4所示，本实施例所述的轴向背压动态控制方法，从整体来说是进行曲面的提前跟踪，转速变化时提前跟踪步数N也变化，图4说明了如何算出转速并且在“速度-N值”表中找出对应的最优提前步数N₀，然后得到k时刻跟踪的轴向分离力f_p[θ(k+N)]，下文结合图4对轴向背压动态控制方法的步骤进行详细说明：

初始化相关参数，若单周期内的总步数为x，每步长角度为y，则单周期内k取值范围为k∈[0，x/y-1]；如设定每周期内的总步数n＝360°，则每步长角度为1°，则单周期内k取值范围为k∈[0，359]；确定k＝0时涡旋机对应的角度为初始角度θ₀，刷新曲线族F(θ，p)；因为涡旋机在实际工况下，轴向分离力、排气口压力和转角的关系是曲面的关系图5所示，故需要先测量气体压力，查找或者插值曲线族，确定当前气体压力下目标跟踪曲线，即轴向分离力和转角关系曲线；通过测量k时刻的角度θ(k)，确定该时刻转过的角度为θ(k)-θ₀，根据公式：推算出转速，从“速度-N值”表查取对应N值，再求出每步长角度θ_△，根据公式θ(k+N)＝(k+N)·θ_△确定提前跟踪目标转角的位置，再从轴向分离力和转角的关系曲线上找到此时的轴向气体压力f_p[θ(k+N)]，即k时刻轴向分离力需要用大小为f_p[θ(k+N)]的电磁力平衡，运行PID使提前跟踪曲线达到准确跟踪的目的，并实时修改PWM占空比更新曲线族。

其中，图4中循环回路的意义：在调试过程中，判断更新后的初始角度θ₀是否有变化，如果可以手动调整或者程序实现。需要说明，图4中“设置PWM模块参数初始值，设置PID模块中断时间等参数”步骤可以是：直接采用系统预设参数，也可在线更改。

模拟实验平台关键参数如下表1所示：

表1模拟实验平台关键参数

分别采用常规PID控制器与带自适应提前步数的PID控制器，对涡旋压缩机动静涡盘之间轴向平衡力曲线进行跟踪，如图7所示，本发明实施例中PID闭环算法流程图，是在传统PID伺服控制系统的基础上增加提前补偿环节e^Nk，采用k+N时刻目标位置所需的力F_a(k+N)来跟踪k时刻的控制量F_a(k)，并与PID模型的传递函数PID(k)、驱动电路模型的传递函数F_1Circuit(k)、电磁铁模型的传递函数F_2EleDevice(k)和反馈量F(k)组成一个闭环控制系统，通过系统不断迭代优化，实现对涡旋压缩机动静涡盘之间轴向平衡力曲线的稳定跟踪。

当目标曲线频率50Hz时，在常规PID控制时曲线跟踪能力如下图6(a)所示，可以看出系统存在明显的相位滞后的现象。当系统步数提前跟踪算法控制介入时，系统寻优至最优位置如图6(b)所示。图6(c)为不同频率下寻找最优提前步数的迭代寻优曲线，当气体压力为16Mpa，系统旋转频率为50Hz时，经过算法演算后可以得到控制量最优提前步数N为20，因为此时误差minErr最小，约为3.2％。目标曲线频率不同时，所需的最优提前步数也有所改变，如当目标曲线频率为30Hz时，系统最优提前步数N变为17，此时误差minErr最小，约为2％。

由图6(a)和图6(b)可以看出，采用提前跟踪控制可以有效地提高系统曲线跟踪效果，由图6(c)可以看出，除了最优提前量的差异，频率变化时，系统控制误差评价占比也有所变化。

本实施例还提供一种涡旋机，该涡旋机包括动涡盘和静涡盘，还包括轴向力电磁控制机构，该轴向力电磁控制机构采用上述的轴向背压动态控制方法来抵消动涡盘与静涡盘之间的轴向气体分离力。

作为一种优选的技术方案，所述轴向力电磁控制机构包括控制部件、检测部件及电磁组件；其中：

检测部件，包括压力检测件及转角检测件，所述压力检测件包括如图2中8所示的电磁控制力检测件，及设置于涡旋机的排气口延伸管路处，用于检测涡旋机排气口的排气压力检测件(图中未标出)，所述转角检测件设置于涡旋机的驱动轴处，用于检测动涡盘的转角信息；

电磁组件，包括固定于动涡盘上的第一磁路铁芯和固定于静涡盘上的第二磁路铁芯，励磁线圈固定在两铁芯之间；

所述控制部件，分别与所述检测部件及电磁组件连接，控制部件根据检测部件的检测结果对电磁组件中的电流进行相应地调节，从而使得轴向电磁力抵消动、静涡盘间的轴向气体分离力。

在动态电磁力控制上，提出的提前PID跟踪方法及提前步数量确定方法、不同频率时提前量N数据库的建立方法、根据提前量数据库和实时速度信息以自适应调整提前量的方法，使电磁机构在不同转速下均可实现动态电磁力的快速无滞后跟踪，实现高动态性能。采用基于力闭环的涡旋机轴向背压控制策略，结合自适应提前量的提前跟踪PID动态电磁力控制方法，不需要计算实际电磁气隙，不需要建立复杂电磁数学模型，通过电磁吸力、排气口压力、角度和速度信息，即可获得精确高动态背压，实现高性能轴向气体分离力平衡，使得涡旋机涡卷之间实现高性能轴向近零摩擦力动态接触密封。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

涡旋机及其轴向背压动态控制方法、存储介质专利购买费用说明