高壓氣體壓力及流量控制系統(tǒng)的研究

高壓氣體壓力及流量控制系統(tǒng)的研究

0自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，高壓氣體的應(yīng)用越來越受到重視。但由于氣體的可壓縮性遠(yuǎn)大于液體的可壓縮性,氣體壓力特別是高壓氣體壓力更是難以精確控制。傳統(tǒng)流量控制是通過改變流量控制閥的閥內(nèi)流道的最小截面積,從而改變流動(dòng)阻力的辦法來實(shí)現(xiàn)的。理論上,改變節(jié)流通道的面積,可線性調(diào)節(jié)流量。但流量不只和節(jié)流面積有關(guān),實(shí)際上,節(jié)流面積的改變,也必然會(huì)使閥前后的壓差發(fā)生變化。這就導(dǎo)致相對(duì)開度和相對(duì)流量之間的關(guān)系是不一定的,非線性的。通過調(diào)節(jié)閥芯開度的方式來調(diào)節(jié)流量不僅不夠精確,而且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)需要在同一個(gè)系統(tǒng)中對(duì)壓力和流量都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。針對(duì)這種情況,構(gòu)建了一個(gè)高壓氣體壓力及流量控制系統(tǒng)。1壓力伺服閥的工作原理如圖1所示,系統(tǒng)主要由高壓氣源、減壓閥、電磁比例閥、壓力伺服閥、壓力傳感器、節(jié)流孔板、控制系統(tǒng)(工業(yè)計(jì)算機(jī))等硬件組成。高壓氣源經(jīng)截止閥、高壓氣瓶后被分為2路:一路經(jīng)減壓閥減壓后,輸入電磁比例閥,經(jīng)調(diào)壓后輸入壓力伺服閥,作為壓力伺服閥的先導(dǎo)氣源來控制壓力伺服閥的閥芯的開合;另一路直接輸入到壓力伺服閥調(diào)壓,然后經(jīng)節(jié)流孔板或截止閥輸出。節(jié)流孔板前后各裝一個(gè)壓力傳感器,輸出信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后將控制量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),通過數(shù)據(jù)采集卡的DA口輸出給電磁比例閥。電磁比例閥是通過電信號(hào)控制氣體壓力的裝置,它根據(jù)接收到的電信號(hào)來輸出相應(yīng)的氣壓。由于電磁比例閥的最大工作壓力很低,不能直接接入高壓氣體,所以在電磁比例閥之前設(shè)一減壓閥,以提供穩(wěn)定的低壓氣體。系統(tǒng)中,電磁比例閥根據(jù)工控機(jī)發(fā)送過來的電信號(hào),輸出指定壓力的氣體到壓力伺服閥。壓力伺服閥為氣體先導(dǎo)式伺服閥,根據(jù)電磁比例閥輸送過來的低壓氣體來控制閥芯的開合,進(jìn)而控制輸出氣體的壓力高低。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制時(shí),將與節(jié)流孔板并聯(lián)的截止閥打開,則氣體經(jīng)截止閥以穩(wěn)定的壓力輸出;而進(jìn)行流量控制時(shí),將截止閥關(guān)閉,壓力伺服閥輸出的氣體經(jīng)節(jié)流孔板后,即可以穩(wěn)定的流量輸出。2壓力控制量的設(shè)計(jì)壓力控制流程如圖2所示。系統(tǒng)中工控機(jī)將壓力傳感器1或2采集到的壓力值與給定的壓力值相比較,得到誤差,然后對(duì)此誤差進(jìn)行比例、積分并相加,得到壓力控制量,將此控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給電磁比例閥,從而達(dá)到控制輸出壓力的目的。壓力控制量的計(jì)算公式為u(k)=Kp[e(k)+βTTI∑j=0ke(j)](1)u(k)=Κp[e(k)+βΤΤΙ∑j=0ke(j)](1)式中:β為根據(jù)實(shí)際情況確定的閾值,;u(k)為應(yīng)輸出的壓力值;e(k)為設(shè)定壓力與實(shí)際壓力之間的差值。采用此方法,既可保證避免過大的超調(diào),使系統(tǒng)有較快的響應(yīng),又可保證系統(tǒng)的控制精度。實(shí)驗(yàn)中,輸入壓力為60MPa,輸出壓力為20MPa,氣壓反饋圖如圖3所示。圖中直線為給定壓力值,曲線為實(shí)際壓力值。由圖3可知,輸出壓力值經(jīng)2s左右穩(wěn)定在20MPa,波動(dòng)小于0.5MPa,誤差范圍為±2.5%。3流量控制方法設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積流量為V,Fn為節(jié)流孔板的有效面積,單位為mm2;γ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的重度,以N2為例,其值為1.16kg/m3;pH為壓力伺服閥輸出的氣壓值,即壓力傳感器1反饋的值;pL為經(jīng)過節(jié)流孔板后輸出的氣壓,即壓力傳感器2反饋的值,則當(dāng)pH=(1～1.89)pL的亞音速范圍時(shí),根據(jù)壓力計(jì)算流量的公式為V=FnpHγ02gRTHkk?1[(pLpH)2k?(pLpH)k+1k]???????????????????????√(2)V=FnpΗγ02gRΤΗkk-1[(pLpΗ)2k-(pLpΗ)k+1k](2)當(dāng)pH≥1.89pL,處于音速范圍時(shí),流量為V=Fnpnγ0(2k+1)1k?12gRTHkk+1???????√(3)V=Fnpnγ0(2k+1)1k-12gRΤΗkk+1(3)式中:k為等熵指數(shù),對(duì)于雙原子氣體,k=1.40;TH為N2在輸送管道中的溫度;g為重力加速度;pn=(2k+1)1k?1pHpn=(2k+1)1k-1pΗ;R為氣體特性常數(shù),簡(jiǎn)稱氣體常數(shù),其值因氣體種類而異,對(duì)于N2,R=30.28?？刂屏髁勘仨毤磿r(shí)根據(jù)壓力傳感器的反饋值以及上述公式進(jìn)行計(jì)算,得到當(dāng)前流量值并與目標(biāo)值進(jìn)行比較,再根據(jù)PID算法進(jìn)行計(jì)算,輸出控制信號(hào)控制電磁閥進(jìn)而控制伺服閥的輸出壓力,通過壓力比的變化來調(diào)節(jié)流量。由式(3)可知,當(dāng)pH≥1.89pL時(shí),流量將與pL無關(guān),與pH成線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中,由于節(jié)流孔板的有效面積Fn難以確定,需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。首先在出口處安裝流量計(jì),通入氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄傳感器1和2測(cè)得的壓力值及流量計(jì)測(cè)得的流量值,根據(jù)式(2)或式(3)進(jìn)行計(jì)算,即可得到Fn的值。改變輸出氣壓值,進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),對(duì)得到的Fn取平均值,即可得到節(jié)流孔板的有效面積。流量控制流程如圖4所示。對(duì)流量進(jìn)行控制時(shí),工控機(jī)將2個(gè)壓力傳感器采集到的壓力值通過壓力與流量的關(guān)系式計(jì)算出當(dāng)前流量值,將實(shí)際流量值與目標(biāo)值相比較,得到誤差,然后對(duì)此誤差進(jìn)行比例、積分、微分并相加,得到流量控制量,再通過計(jì)算得出應(yīng)該輸出的壓力值,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給電磁比例閥,進(jìn)而控制壓力伺服閥的輸出壓力,通過控制節(jié)流孔板兩邊的壓差達(dá)到控制流量的目的。流量控制量的計(jì)算公式為u(k)=KP{e(k)+βTTI∑j=0ke(j)+TDT[e(k)?e(k?1)]}(4)u(k)=ΚΡ{e(k)+βΤΤΙ∑j=0ke(j)+ΤDΤ[e(k)-e(k-1)]}(4)式中:β為根據(jù)實(shí)際情況確定的閾值,;u(k)為應(yīng)輸出的流量值;e(k)為設(shè)定流量與實(shí)際流量之間的差值。實(shí)驗(yàn)中給定