一种气体恒流量输出的前馈控制装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气体恒流量输出的前馈控制系统及其方法，具体地说是一种根据 克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程开环控制管道气流恒定输出的系统和方 法。
【背景技术】
[0002] 目前为使管道内气体W恒流量输出，在工程中有W下几种途径；（1)在管道内设 置稳流器件幼日文氏管);（2)在管道内安装稳压阀；（3)自行设计控制算法。其中，第一种方 法需要器件上游压力足够大且恒定不变，但实际上某些气体的饱和蒸汽压决定了其气态压 力不可能无限提高，并且，除非气体储罐足够大，否则随着气体流出，上游压力无法保持恒 定，尤其在气体流量较大时更难W达到；第二种方法虽然可W闭环调节输出压力（进而控制 输出流量)，但只适用于mmol/s级流量，鲜有适用于mol/s级气体流量输出的装置；第H种 方法的优势在于可W根据控制对象的模型设计更合适的控制算法，使流量输出达到恒定， 通常采用反馈控制方法，但也存在W下弊端：（1)气体瑞流常使采集量抖动较大，影响执行 器输出值；（2)反馈控制的控制滞后于采集，且控制执行器调节阀存在响应延迟，使控制难 度增加。
【发明内容】
[0003] 本发明为了解决上述问题，提供一种气体恒流量输出的前馈控制方法，控制器根 据克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程向调节阀输出前馈控制信号，使调节阀 后的气体输出流量保持恒定。
[0004] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是；一种气体恒流量输出的前馈控制系 统，包括储气罐、操作站、PLC控制器、调节阀、截止阀、压力传感器；储气罐的输出管路上依 次设有调节阀、截止阀，PLC控制器与操作站、调节阀、储气罐内的压力传感器连接；
[0005] PLC控制器用于检测储气罐状态并根据操作站输出的控制信息控制调节阀。
[0006] 所述状态包括初始罐压和温度。
[0007] 所述控制信息包括气体分子量y，气体储罐温度T，调节阀最大开度时管道内有 效横截面积Am"，气体储罐体积V，目标摩尔流量〇。。1，初始罐压P。。
[0008] -种气体恒流量输出的前馈控制方法，包括W下步骤：
[0009]PLC控制器检测储气罐的初始罐压和温度，并根据操作站发送的控制信息控制调 节阀；
[0010] 当不需要气体输出时，PLC控制器控制截止阀关闭。
[0011] 所述PLC控制器（3)根据操作站（2)发送的控制信息控制调节阀（4)具体为调节 阀（4)的输入通过W下公式得到：
[0012]
[0013] 其中，M为常数，Am"为调节阀最大开度时管道内有效横截面积，qm"i为目标摩尔流 量，P。为初始罐压，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常数，T为气体储罐温度，y为 气体分子量，t为时间。
[0014] 本发明具有W下有益效果及优点：
[0015] 1.本发明控制方案相对简单易行，能够恒定输出mol/s级流量气体。
[0016] 2.本发明装置在储气罐的基础上外接调节阀，利用PLC控制器改变调节阀开度， 补偿自然压降下管道气体流量的下降趋势。
[0017] 3.本发明方法构造实时开环控制算法，避免了闭环控制中测量值扰动或控制响应 滞后带来的气流输出不稳定。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的方案实施框图；
[0019] 图2为本发明的系统控制框图；
[0020] 图3为本发明与无调节时的管道出口压力曲线对比；
[002。 其中，1储气罐，2操作站，3PLC控制器，4调节阀，5截止阀。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0023] 事先根据气体储罐压力下降速率与气体流量的关系编写PLC控制程序，并设定输 入参数，在气体储罐压力下降的过程中，由PLC控制调节阀的开度不断增大，构造一种气体 恒流量输出的前馈控制方法，用于气液混合反应中大流量气体恒流量供给，方案包括化C 控制器、压力传感器、调节阀、气体储罐及管路、截止阀。
[0024] 操作站用于参数设定及实时监测，PLC控制器用于计算阀口开度并驱动调节阀，气 体储罐预先存储好一定摩尔数的气体；气体储罐中的初始压力由PLC采集，并在操作站设 定参数初始值，PLC根据各参数计算出不同时刻阀口开度百分比，并将其转化为模拟信号驱 动调节阀开度变化。
[0025] 所述的气体储罐压力下降速率与气体流量的关系是指根据克拉伯龙方程的微分 形式和管道内气体流量方程推导出的气体储罐压力下降速率与管道出口流量的理论关系。
[0026] 所述的克拉伯龙方程的微分形式是指对克拉伯龙方程P?V=n?R?T(P为气体储 罐压力，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常系数，T为气体储罐温度）两边分别对P 和n求导，得到的P变化率与n变化率的关系式^>.V=ii.民.T。
[0027] 所述的管道内气体流量方程是指
【主权项】
1. 一种气体恒流量输出的前馈控制系统，其特征在于：包括储气罐（1)、操作站（2)、 PLC控制器（3)、调节阀（4)、截止阀（5)、压力传感器；储气罐（1)的输出管路上依次设有调 节阀（4)、截止阀（5)，PLC控制器（3)与操作站（2)、调节阀（4)、储气罐（1)内的压力传感器 连接； PLC控制器（3)用于检测储气罐（1)状态并根据操作站（2)输出的控制信息控制调节 阀⑷。
2. 根据权利要求1所述的一种气体恒流量输出的前馈控制系统，其特征在于：所述状 态包括初始罐压和温度。
3. 根据权利要求1所述的一种气体恒流量输出的前馈控制系统，其特征在于：所述控 制信息包括气体分子量U，气体储罐温度T，调节阀最大开度时管道内有效横截面积A_， 气体储罐体积V，目标摩尔流量qm()1，初始罐压Pp
4. 一种气体恒流量输出的前馈控制方法，其特征在于包括以下步骤： PLC控制器（3)检测储气罐（1)的初始罐压和温度，并根据操作站（2)发送的控制信息 控制调节阀（4); 当不需要气体输出时，PLC控制器（3)控制截止阀（5)关闭。
5. 根据权利要求4所述的一种气体恒流量输出的前馈控制方法，其特征在于：所述PLC 控制器（3)根据操作站（2)发送的控制信息控制调节阀（4)具体为调节阀（4)的输入通过 以下公式得到：
其中，M为常数，Amax为调节阀最大开度时管道内有效横截面积，cw为目标摩尔流量，Ptl为初始罐压，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常数，T为气体储罐温度，ii为气 体分子量，t为时间。
【专利摘要】本发明涉及一种气体恒流量输出的前馈控制系统，包括储气罐、操作站、PLC控制器、调节阀、截止阀、压力传感器；储气罐内部设有压力传感器，储气罐的输出管路上依次设有调节阀、截止阀，PLC控制器与操作站、储气罐、调节阀连接；其方法包括以下步骤：PLC控制器检测储气罐的初始罐压和温度，并根据操作站发送的控制信息控制调节阀；当不需要气体输出时，PLC控制器控制截止阀关闭。本发明结构简单，控制方法相对简单易行，能够恒定输出mol/s级流量气体。
【IPC分类】F17D3-01, F17C13-04, F17C13-02, F17C7-00
【公开号】CN104712902
【申请号】CN201310682757
【发明人】孙杨, 高虹, 廖伟光, 金玉奇
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月12日