[发明专利]一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法

摘要

本发明涉及一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法，针对燃料电池用高速离心压缩机工作高度的变化对压缩机模型和流量控制的影响，提出一种高速离心压缩机在变高度下的建模及流量控制方法。首先建立变高度下的离心压缩机入口空气压力和入口空气密度模型，建立变高度条件下的离心压缩机静态和动态模型，基于压缩机的静态和动态模型，采用super‑twisting的滑模原理对压缩机流量进行平滑跟踪控制。有益效果是：离心压缩机在变高度下的建模方法考虑了高度变化对离心压缩机模型的影响，在变高度下的流量控制方法，实现了压缩机流量的平滑控制，减小了高度变化对流量波动的影响。

主权项

一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立变高度下的离心压缩机入口空气压力和入口空气密度模型：高度h≤11000m时，压缩机入口压力模型为$p_h=p_0{(1+\frac{L}{T_0}(h-h_0\left)\right)}^{\frac{-g_0{M}_a}{RL}}$式中，p_h为当前高度下的空气压力，p₀为海平面空气压力，L为温度递减率，T₀为海平面温度，h为海平面以上的高度，h₀为大气层底部的高度，R为气体常数，g₀为重力加速度，M_a为空气摩尔质量；高度11000m≤h≤20000m时，压缩机入口压力模型为$p_h=p_s\·e^{(-g_0{M}_a(h-h_s\left)\right)/(R\·T_s)}$式中，p_s为大气层底部压力，h_s为大气层底部高度，T_s为大气层底部温度，p_s为11000m≤h≤20000m时的值；在变高度下的空气密度模型为${\mathrm{\ρ}}_a\left(h\right)=\frac{p_h\·M_a}{{\mathrm{ZRT}}_h}(1-x_v(1-\frac{M_v}{M_a}\left)\right)$式中，Z为压缩因子，T_h为空气温度，M_v为水蒸气的摩尔质量，x_v为水蒸气的摩尔分数，气体视为理想气体；所述x_v和相对湿度有关，表示为：式中，H为空气的相对湿度，p_v为水蒸气分压，p_sv为饱和水蒸气分压，实际计算过程中将相对湿度设定为一个常量；步骤2、依据压缩机的入口空气压力和入口空气密度模型，建立变高度条件下的离心压缩机静态和动态模型：超高速离心压缩机静态模型表征了压缩机的流量、压力和转速之间的关系，静态模型表示为$p_{cp}({\mathrm{\ω}}_{cp},m_{cp})=p_h\·{(1+\frac{\mathrm{\η}({\mathrm{\ω}}_{cp},m_{cp}){\mathrm{\Δh}}_{ideal}}{T_h\·c_p})}^{\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ}-1}}$式中，η(ω_cp,m_cp)为压缩效率，Δh_ideal为理想比焓，c_p为恒定压力下的比热容，c_v为恒定体积下的比热容，κ＝c_p/c_v为比热容比；实际气体增加的焓表示为η(ω_cp,m_cp)Δh_ideal＝Δh_t‑Δh_i‑Δh_f‑Δh_oth式中，Δh_t为总的焓增加量，Δh_i为冲击损耗引起的焓变，Δh_f为摩擦损耗引起的焓变，Δh_oth为其他损耗引起的焓变；损耗引起的焓变表示为

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