氣體流量控制方法技術

本發明專利技術提供一種氣體流量控制方法，其基于高精度調壓閥和多噴管進行控制調節，其包括搭建控制系統，確定位置閉環調節的PID控制參數，根據流量調節大小確定壓力閉環時PID控制參數，計算出調壓閥后總壓P，計算出調壓閥閥芯位移值L，制定控制策略，設置控制參數和目標值等步驟。本發明專利技術采用先是進行位置閉環調節，再進行壓力閉環調節，能夠提高空氣流量調節精度，使流量調節的速度快且無超調，對設備影響小。解決了有限氣源條件下氣罐快速排氣溫度、壓力的耦合變化對流量調節有較大影響，解決了整個系統非線性因素的影響，使空氣流量控制更加穩定，解決了系統背壓對流量調節擾動因素。

Gas flow control method

The invention provides a method for controlling the gas flow, the high precision of the pressure regulating valve and nozzle control regulation based on the construction of control system, PID control parameters determine the position closed-loop adjustment, adjust the size according to the flow determine the pressure closed loop PID control parameters, calculate the total pressure of the pressure regulating valve P, calculate the adjustment pressure valve spool displacement L control strategy, set the control parameters and the target value. The invention adopts the position closed loop regulation, and then the pressure closed loop regulation can improve the air flow regulation precision, and the flow regulation speed is fast without overshoot, and the influence on the equipment is small. To solve the coupling changes tank quick exhaust temperature and pressure under the condition of limited source have great influence on the flow regulation, solves the problem of the whole system of nonlinear factors, so that the air flow control is more stable, to solve the system back pressure on the flow regulation disturbance factors.

【技術實現步驟摘要】
氣體流量控制方法
目前常用的有限氣源空氣流量調節方案可分為兩大類：一類直接調節，另一類為節流方式調節。直接調節一般采用流量調節閥直接以流量計采集信號為反饋信號，通過智能PID控制算法產生控制信號，驅動調節閥進行流量調節，此方法系統結構比較簡單，但是受現有氣體流量計精度和閥門前后氣流擾動大小的影響，精度偏差在5％以上，流量控制精度不高。另一類為節流方式為多管組配合減壓閥和節流孔板，根據管道組合的方式，減壓閥將氣源壓力降至所需壓力，在通過節流孔板節流的作用，精確的控制空氣流量，此種方法控制系統相對簡單，但是設備結構比較復雜，無法消除溫度對流量帶來的影響，所能調節流量的工作狀態有限，不能進行大范圍空氣流量調節。
技術實現思路
本專利技術提供一種有限氣源條件下的高精度氣體流量控制方法，采用高精度調壓閥和多個噴管組合的方式，通過調節調壓閥后總壓來進行大范圍的空氣流量調節。本專利技術的氣體流量控制方法基于高精度調壓閥和多噴管進行控制調節，其包括：步驟一、搭建控制系統：控制系統包括主控計算機、高精度壓力傳感器、溫度傳感器、可編程控制器，主控計算機負責向可編程控制器輸入所要調節的目標值并儲存傳感器數據，可編程控制器配備有模擬量采集模塊用于采集傳感器數值，同時可根據調節目標值和當前傳感器測量值通過智能PID控制算法產生控制信號，控制電液伺服油缸推動調壓閥芯運動完成總壓調節；步驟二、確定位置閉環調節的PID控制參數：在帶氣動載荷下進行調壓閥位置閉環調節，即打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使壓力傳感器數值調壓閥前管道靜壓P1和氣源靜壓P2相等，氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節調壓閥的開度，在調壓閥總行程內設定一個位移值L1為調壓閥位置校準的目標值，以調壓閥位移傳感器位移值L0為反饋值，調節PID控制參數，使調壓閥定位精度能夠到達小于0.5％，記錄當前智能PID控制算法產生控制信號I1，關閉調壓閥和氣源截止閥；步驟三、擬合當前噴管壓力恢復曲線：打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，使用步驟二得到的位置閉環調節的PID參數，以調壓閥位移傳感器位移值L0為反饋值進行閉環控制，使調壓閥位置以等差數列進行變化，直至閥門開度繼續增大時閥后壓力變化很小時關閉調壓閥和氣源截止閥，同時記錄下氣源壓力P2、調壓閥后總壓P0和調壓閥位移傳感器位移值L0數據，擬合出較為準確的噴管壓力恢復曲線，即氣源壓力和調壓閥后總壓的比值與閥門開度的關系；步驟四、根據流量調節大小確定壓力閉環時PID控制參數：在有限氣源的情況下，根據試驗時間需求時，確定壓力閉環時PID控制參數；步驟五、計算出調壓閥后總壓P：根據空氣動力原理由目標流量值G和實測總溫T0的值計算得到理論值的總壓P；步驟六、計算出調壓閥閥芯位移值L：根據第二步得到的壓力恢復曲線計算出調節調壓閥后總壓P所對應的調壓閥閥芯位移值L，即在已知實測壓力值P2、調壓閥后總壓P和調壓閥總行程，可計算出調壓閥閥芯位移值L；步驟七、制定控制策略：采用的是先將調壓閥進行位置閉環控制，當調壓閥芯位置進入位置誤差帶后轉入壓力閉環調節；步驟八、設置控制參數和目標值：根據步驟二、步驟四得到的PID控制參數分別作為位置閉環時和壓力閉環的控制參數，根據步驟六得到的調壓閥閥芯位移值L作為位置閉環的目標值，根據空氣動力學原理在已知流通面積A和空氣流量G的情況下，根據當前總溫測量值T0就有一個調壓閥后總壓P0與之對應，由于溫度在氣體流通時會發生變化，所以調壓閥總壓設定值是一個隨溫度變化而改變的變量。壓力閉環控制時就以這個變量作為目標值；步驟九、根據控制策略對氣體流量進行控制：打開氣源截止閥，打開氣源截止閥，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節調壓閥的開度，使調壓閥閥芯位置進入指定誤差帶后，延遲時間進入調壓閥壓力閉環調節。優選所述步驟四中確定壓力閉環時PID控制參數的方法，根據不同流量范圍的噴管進行選擇，以保證系統不超調。優選小流量噴管時，氣源為正常工作壓力范圍時，根據所述步驟三得到噴管壓力恢復曲線，計算出調壓閥位置校準的目標值L1，所對應的當前氣源壓力下的調壓閥后總壓值，將此壓力值設置為目標值，當壓力閉環調節系統到達穩態時智能PID控制算法產生的輸出為控制信號I2，I2應近似等于所述步驟二得到的PID控制算法產生控制信號I1，調壓閥在帶氣動載荷下進行位置閉環到達位置目標值附近某一數值時，閥芯所受的作用力達到平衡，閥芯停止運動，壓力閉環達到穩態時也應受力平衡，據此初步得出壓力閉環時PID控制參數，打開氣源截止閥，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調整調壓閥開度，修改此參數使得壓力控制精度達到0.5％。優選大流量噴管時，在有限氣源情況下，氣源壓力會產生劇烈變化，如果采用調節小流量選取PID控制參數的方法，在調節開始時所設定的參數暫時滿足初始狀態下調節需求，隨著氣源壓力快速變化時初始控制參數所產生的輸出無法滿足調節要求，調壓閥芯開啟的速度無法跟隨氣源的變化速度，如果單一增大PID控制能力，會出現超調或震蕩的情況。這時就應根據氣源變化情況在初始PID控制參數進行實時增益補償，使得補償后PID控制算法產生的輸出可以滿足因氣源劇烈變后調節需求。優選延遲時間根據設備所能產生的背壓和所需調節空氣流量的大小決定。總壓控制部分主要由氣源壓力傳感器、總壓傳感器和高精度調壓閥構成，調壓閥采用液壓伺服油缸驅動，控制原理是選用高精度壓力傳感器采集總壓，控制器采用智能PID控制算法產生控制信號，控制電液伺服油缸推動主調壓閥芯運動速度和位置完成總壓調節。同時由于噴管流動分離少、均勻性好，其流量調節精度更高，可達到1％以內。本專利技術與現有技術相比的有益效果是：1、空氣流量調節精度高，流量調節的速度快且無超調，對設備影響小。2、解決有限氣源條件下氣罐快速排氣溫度、壓力的耦合變化對也會對流量調節有較大影響；3、解決整個系統非線性因素的影響，使空氣流量控制更加穩定(比如氣源壓力劇烈變化)；4、解決系統背壓對流量調節擾動因素。附圖說明圖1是本專利技術流程圖。圖2是控制系統結構示意圖。具體實施方式本專利技術公開一種高精度調壓閥和多個噴管組合的方式進行空氣流量調節方法，根據空氣動力學原理，流通通道內的空氣流量G與流動總壓P0、總溫T0、流通面積A和速度系數λ具有一定的函數關系，要達到控制高精度氣體流量，精確控制調壓閥后總壓就是解決問題的關鍵，主要解決有限氣源條件下氣罐快速排氣溫度、壓力的耦合變化對流量調節有較大影響，整個系統也會有更強的非線性(比如氣源壓力劇烈變化)，系統背壓對流量調節擾動因素。流量調節的速度快且無超調，對設備影響小。控制系統原理：根據空氣動力原理，流通通道內的空氣流量G與調壓閥后總壓p0、總溫T0、流通面積A和速度系數λ具有一定的函數關系，其符合下述公式：其中：根據超聲速流動理論，當通道出入口達到一定壓比后，在通道最小截面(噴管喉道)處會產生音速流動，此時噴管喉道處的速度系數λ＝1、q(λ)＝1，因此調壓閥后總壓P0就有如下關系式：在已知流通面積A(噴管喉道處面積)和被控對象空氣流量G的情況下，根據當前溫度測量值就有一個調壓閥后總壓P0與之對應，由于溫度在氣體流通時會發生變化，所以調壓閥總壓設定值是一個隨溫度變化而改變的變量。整個系統本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣體流量控制方法，其基于高精度調壓閥和多噴管進行控制調節，其特征在于，包括：步驟一、搭建控制系統：控制系統包括主控計算機、高精度壓力傳感器、溫度傳感器、可編程控制器，主控計算機負責向可編程控制器輸入所要調節的目標值并儲存傳感器數據，可編程控制器配備有模擬量采集模塊用于采集傳感器數值，同時可根據調節目標值和當前傳感器測量值通過智能PID控制算法產生控制信號，控制電液伺服油缸推動調壓閥芯運動完成總壓調節；步驟二、確定位置閉環調節的PID控制參數：在帶氣動載荷下進行調壓閥位置閉環調節，即打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使壓力傳感器數值調壓閥前管道靜壓P1和氣源靜壓P2相等，氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節調壓閥的開度，在調壓閥總行程內設定一個位移值L

【技術特征摘要】
1.一種氣體流量控制方法，其基于高精度調壓閥和多噴管進行控制調節，其特征在于，包括：步驟一、搭建控制系統：控制系統包括主控計算機、高精度壓力傳感器、溫度傳感器、可編程控制器，主控計算機負責向可編程控制器輸入所要調節的目標值并儲存傳感器數據，可編程控制器配備有模擬量采集模塊用于采集傳感器數值，同時可根據調節目標值和當前傳感器測量值通過智能PID控制算法產生控制信號，控制電液伺服油缸推動調壓閥芯運動完成總壓調節；步驟二、確定位置閉環調節的PID控制參數：在帶氣動載荷下進行調壓閥位置閉環調節，即打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使壓力傳感器數值調壓閥前管道靜壓P1和氣源靜壓P2相等，氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節調壓閥的開度，在調壓閥總行程內設定一個位移值L1為調壓閥位置校準的目標值，以調壓閥閥芯位移傳感器位移值L0為反饋值，調節PID控制參數，使調壓閥定位精度能夠到達小于0.5％，記錄當前智能PID控制算法產生控制信號I1，關閉調壓閥和氣源截止閥；步驟三、擬合當前噴管壓力恢復曲線：打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，使用步驟二得到的位置閉環調節的PID參數，以調壓閥閥芯位移傳感器L0(L0為調壓閥閥芯位移傳感器數值)為反饋值進行閉環控制，使調壓閥位置以等差數列進行變化，直至閥門開度繼續增大時閥后壓力變化很小時關閉調壓閥和氣源截止閥，同時記錄下氣源壓力氣源靜壓P2、調壓閥后總壓P0和調壓閥位移傳感器L0數據，擬合出較為準確的噴管壓力恢復曲線，即氣源壓力和調壓閥后總壓的比值與閥門開度的關系；步驟四、根據流量調節大小確定壓力閉環時PID控制參數：在有限氣源的情況下，根據試驗時間需求時，確定壓力閉環時PID控制參數；步驟五、計算出調壓閥后總壓P：根據空氣動力原理由目標流量值G和實測總溫T0的值計算得到理論值的總壓P；步驟六、計算出調壓閥閥芯位移值L：根據第二步得到的壓力恢復曲線計算出調節調壓閥后總壓P所對應的調壓閥閥芯位移值L，即在已知實測壓力值P2、調壓閥后總壓P和調壓閥總行程，可計算出調壓閥閥芯位移值L；步驟七、制定控制策略：采用的是先將調壓閥進行位置閉環控制，當調壓閥芯位置進入位置誤差帶后轉入壓力閉環調節；步驟八、設置控制參數和目標值：根據步驟二、步驟四得到的P...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張業華，
申請(專利權)人：中國航天空氣動力技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京,11