气体流量控制方法与流程

目前常用的有限气源空气流量调节方案可分为两大类：一类直接调节，另一类为节流方式调节。

直接调节一般采用流量调节阀直接以流量计采集信号为反馈信号，通过智能PID控制算法产生控制信号，驱动调节阀进行流量调节，此方法系统结构比较简单，但是受现有气体流量计精度和阀门前后气流扰动大小的影响，精度偏差在5％以上，流量控制精度不高。

另一类为节流方式为多管组配合减压阀和节流孔板，根据管道组合的方式，减压阀将气源压力降至所需压力，在通过节流孔板节流的作用，精确的控制空气流量，此种方法控制系统相对简单，但是设备结构比较复杂，无法消除温度对流量带来的影响，所能调节流量的工作状态有限，不能进行大范围空气流量调节。

技术实现要素：

本发明提供一种有限气源条件下的高精度气体流量控制方法，采用高精度调压阀和多个喷管组合的方式，通过调节调压阀后总压来进行大范围的空气流量调节。

本发明的气体流量控制方法基于高精度调压阀和多喷管进行控制调节，其包括：步骤一、搭建控制系统：控制系统包括主控计算机、高精度压力传感器、温度传感器、可编程控制器，主控计算机负责向可编程控制器输入所要调节的目标值并储存传感器数据，可编程控制器配备有模拟量采集模块用于采集传感器数值，同时可根据调节目标值和当前传感器测量值通过智能PID控制算法产生控制信号，控制电液伺服油缸推动调压阀芯运动完成总压调节；步骤二、确定位置闭环调节的PID控制参数：在带气动载荷下进行调压阀位置闭环调节，即打开气源截止阀，气源为正常工作压力范围，使压力传感器数值调压阀前管道静压P1和气源静压P2相等，气源压力与调压阀前压力平衡，调节调压阀的开度，在调压阀总行程内设定一个位移值L₁为调压阀位置校准的目标值，以调压阀位移传感器位移值L0为反馈值，调节PID控制参数，使调压阀定位精度能够到达小于0.5％，记录当前智能PID控制算法产生控制信号I₁，关闭调压阀和气源截止阀；步骤三、拟合当前喷管压力恢复曲线：打开气源截止阀，气源为正常工作压力范围，使气源压力与调压阀前压力平衡，使用步骤二得到的位置闭环调节的PID参数，以调压阀位移传感器位移值L0为反馈值进行闭环控制，使调压阀位置以等差数列进行变化，直至阀门开度继续增大时阀后压力变化很小时关闭调压阀和气源截止阀，同时记录下气源压力P2、调压阀后总压P0和调压阀位移传感器位移值L0数据，拟合出较为准确的喷管压力恢复曲线，即气源压力和调压阀后总压的比值与阀门开度的关系；步骤四、根据流量调节大小确定压力闭环时PID控制参数：在有限气源的情况下，根据试验时间需求时，确定压力闭环时PID控制参数；步骤五、计算出调压阀后总压P：根据空气动力原理由目标流量值G和实测总温T0的值计算得到理论值的总压P；步骤六、计算出调压阀阀芯位移值L：根据第二步得到的压力恢复曲线计算出调节调压阀后总压P所对应的调压阀阀芯位移值L，即在已知实测压力值P2、调压阀后总压P和调压阀总行程，可计算出调压阀阀芯位移值L；步骤七、制定控制策略：采用的是先将调压阀进行位置闭环控制，当调压阀芯位置进入位置误差带后转入压力闭环调节；步骤八、设置控制参数和目标值：根据步骤二、步骤四得到的PID控制参数分别作为位置闭环时和压力闭环的控制参数，根据步骤六得到的调压阀阀芯位移值L作为位置闭环的目标值，根据空气动力学原理在已知流通面积A和空气流量G的情况下，根据当前总温测量值T0就有一个调压阀后总压P0与之对应，由于温度在气体流通时会发生变化，所以调压阀总压设定值是一个随温度变化而改变的变量。压力闭环控制时就以这个变量作为目标值；步骤九、根据控制策略对气体流量进行控制：打开气源截止阀，打开气源截止阀，使气源压力与调压阀前压力平衡，调节调压阀的开度，使调压阀阀芯位置进入指定误差带后，延迟时间进入调压阀压力闭环调节。

优选所述步骤四中确定压力闭环时PID控制参数的方法，根据不同流量范围的喷管进行选择，以保证系统不超调。

优选小流量喷管时，气源为正常工作压力范围时，根据所述步骤三得到喷管压力恢复曲线，计算出调压阀位置校准的目标值L₁，所对应的当前气源压力下的调压阀后总压值，将此压力值设置为目标值，当压力闭环调节系统到达稳态时智能PID控制算法产生的输出为控制信号I₂，I₂应近似等于所述步骤二得到的PID控制算法产生控制信号I₁，调压阀在带气动载荷下进行位置闭环到达位置目标值附近某一数值时，阀芯所受的作用力达到平衡，阀芯停止运动，压力闭环达到稳态时也应受力平衡，据此初步得出压力闭环时PID控制参数，打开气源截止阀，使气源压力与调压阀前压力平衡，调整调压阀开度，修改此参数使得压力控制精度达到0.5％。

优选大流量喷管时，在有限气源情况下，气源压力会产生剧烈变化，如果采用调节小流量选取PID控制参数的方法，在调节开始时所设定的参数暂时满足初始状态下调节需求，随着气源压力快速变化时初始控制参数所产生的输出无法满足调节要求，调压阀芯开启的速度无法跟随气源的变化速度，如果单一增大PID控制能力，会出现超调或震荡的情况。这时就应根据气源变化情况在初始PID控制参数进行实时增益补偿，使得补偿后PID控制算法产生的输出可以满足因气源剧烈变后调节需求。

优选延迟时间根据设备所能产生的背压和所需调节空气流量的大小决定。总压控制部分主要由气源压力传感器、总压传感器和高精度调压阀构成，调压阀采用液压伺服油缸驱动，控制原理是选用高精度压力传感器采集总压，控制器采用智能PID控制算法产生控制信号，控制电液伺服油缸推动主调压阀芯运动速度和位置完成总压调节。同时由于喷管流动分离少、均匀性好，其流量调节精度更高，可达到1％以内。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、空气流量调节精度高，流量调节的速度快且无超调，对设备影响小。

2、解决有限气源条件下气罐快速排气温度、压力的耦合变化对也会对流量调节有较大影响；

3、解决整个系统非线性因素的影响，使空气流量控制更加稳定(比如气源压力剧烈变化)；

4、解决系统背压对流量调节扰动因素。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是控制系统结构示意图。

具体实施方式

本发明公开一种高精度调压阀和多个喷管组合的方式进行空气流量调节方法，根据空气动力学原理，流通通道内的空气流量G与流动总压P0、总温T0、流通面积A和速度系数λ具有一定的函数关系，要达到控制高精度气体流量，精确控制调压阀后总压就是解决问题的关键，主要解决有限气源条件下气罐快速排气温度、压力的耦合变化对流量调节有较大影响，整个系统也会有更强的非线性(比如气源压力剧烈变化)，系统背压对流量调节扰动因素。流量调节的速度快且无超调，对设备影响小。

控制系统原理：

根据空气动力原理，流通通道内的空气流量G与调压阀后总压p₀、总温T₀、流通面积A和速度系数λ具有一定的函数关系，其符合下述公式：

其中：

根据超声速流动理论，当通道出入口达到一定压比后，在通道最小截面(喷管喉道)处会产生音速流动，此时喷管喉道处的速度系数λ＝1、q(λ)＝1，因此调压阀后总压P₀就有如下关系式：

在已知流通面积A(喷管喉道处面积)和被控对象空气流量G的情况下，根据当前温度测量值就有一个调压阀后总压P₀与之对应，由于温度在气体流通时会发生变化，所以调压阀总压设定值是一个随温度变化而改变的变量。整个系统对压力闭环控制时就以这个变量作为设定值。以控制调压阀后总压的方式来控制气体流量。

调压阀后总压的控制是通过电液伺服系统驱动一套压力调节阀门来实现的，控制系统是以调压阀位移传感器和调压阀后总压传感器作为输入，输出是由控制器采用智能PID控制算法产生的模拟量信号，将输出信号接入伺服作动器，控制电液伺服油缸推动主调压阀芯运动完成总压调节，同时控制系统还需采集总温、气源温度、气源压力等模拟量，用于流量控制计算及系统监测。

由于每个喷管只能调节一定范围内的气体流量，当流量目标值超出喷管调节范围时，需要更换喷管，但流量调试方法相同。

第一步搭建控制系统：控制系统包括主控计算机、高精度压力传感器、温度传感器、可编程控制器。主控计算机负责向可编程控制器输入所要调节的目标值并储存传感器数据，可编程控制器配备有模拟量采集模块用于采集传感器数值，同时可根据调节目标值和当前传感器测量值通过智能PID控制算法产生控制信号，控制电液伺服油缸推动调压阀芯运动完成总压调节。

第二步确定位置闭环调节的PID控制参数：在带气动载荷下进行调压阀位置闭环调节，即打开气源截止阀，气源为正常工作压力范围，使压力传感器数值调压阀前管道静压P1和气源静压P2相等，气源压力与调压阀前压力平衡，调节调压阀的开度，在调压阀总行程内设定一个位移值L₁为调压阀位置校准的目标值，以调压阀阀芯位移传感器位移值L0为反馈值，调节PID控制参数，使调压阀定位精度能够到达小于0.5％，记录当前智能PID控制算法产生控制信号I₁，关闭调压阀和气源截止阀；

第三步拟合当前喷管压力恢复曲线：打开气源截止阀，气源为正常工作压力范围，使气源压力与调压阀前压力平衡，使用步骤二得到的位置闭环调节的PID参数，以调压阀阀芯位移传感器L0(L0为调压阀阀芯位移传感器数值)为反馈值进行闭环控制，使调压阀位置以等差数列进行变化，直至阀门开度继续增大时阀后压力变化很小时关闭调压阀和气源截止阀，同时记录下气源静压P2、调压阀后总压P0和调压阀位移传感器位移值L0数据，拟合出较为准确的喷管压力恢复曲线，即气源压力和调压阀后总压的比值与阀门开度的关系。

第四步根据流量调节大小确定压力闭环时PID控制参数：该系统流量调节范围较大，在由限气源的情况下，同等试验时间需求时，在保证系统不超调的情况下，选择不同流量范围的喷管时控制参数的选择方法也不相同：

1、调节小流量喷管时，气源为正常工作压力范围时，根据第三步得到喷管压力恢复曲线，计算出L₁(L₁为第二步调压阀位置校准的目标值)所对应的当前气源压力下的调压阀后总压值，将此压力值设置为目标值，当压力闭环调节系统到达稳态时智能PID控制算法产生的输出为I₂，I₂应近似等于I₁(I₁为第二步得到的PID控制算法产生控制信号)，调压阀在带气动载荷下进行位置闭环到达位置目标值附近某一数值时，阀芯所受的作用力达到平衡，阀芯停止运动，压力闭环达到稳态时也应受力平衡，据此初步得出压力闭环时PID控制参数，打开气源截止阀，使气源压力与调压阀前压力平衡，调整调压阀开度，修改此参数使得压力控制精度达到0.5％。

2、调节大流喷管时，在有限气源情况下，气源压力会产生剧烈变化，如果采用调节小流量选取PID控制参数的方法，在调节开始时所设定的参数暂时满足初始状态下调节需求，随着气源压力快速变化时初始控制参数所产生的输出无法满足调节要求，调压阀芯开启的速度无法跟随气源的变化速度，如果单一增大PID控制能力，会出现超调或震荡的情况。这时就应根据气源变化情况在初始PID控制参数进行实时增益补偿，使得补偿后PID控制算法产生的输出可以满足因气源剧烈变后调节需求。

第五步计算出调压阀后总压P：根据空气动力原理由目标流量值G和实测总温T0的值计算得到理论值的总压P。

第六步计算出调压阀阀芯位移值L：根据第二步得到的压力恢复曲线计算出调节调压阀后总压P所对应的调压阀阀芯位移值L，即在已知实测压力值P2、调压阀后总压P和调压阀总行程，可计算出调压阀阀芯位移值L。

第七步制定控制策略：根据控制系统稳定性、准确性、快速性的基本要求，高精度气体压力控制一般采取分段闭环控制，本法方采用的是先将调压阀进行位置闭环控制，当调压阀芯位置进入位置误差带后转入压力闭环调节。

第八步设置控制参数和目标值：根据第二步、第四步得到的PI D控制参数分别作为位置闭环时和压力闭环的控制参数，根据第六步得到的调压阀阀芯位移值L作为位置闭环的目标值，根据空气动力学原理在已知流通面积A和空气流量G的情况下，根据当前总温测量值T0就有一个调压阀后总压P0与之对应，由于温度在气体流通时会发生变化，所以调压阀总压设定值是一个随温度变化而改变的变量。压力闭环控制时就以这个变量作为目标值。

第九步根据控制策略对气体流量进行控制：打开气源截止阀，打开气源截止阀，使气源压力与调压阀前压力平衡，调节调压阀的开度，使调压阀阀芯位置进入指定误差带后(一般为全行程的1％)，延迟时间进入调压阀压力闭环调节，延迟时间长短一般根据设备所能产生的背压和所需调节空气流量的大小决定，如相同背压情况下调节空气流量较小时延迟时间较长，流量大时延迟时间较短。延迟时间可以使阀门更加准确运动至所需位置，调压阀后管道及设备的产生的背压会对调压阀后总压P0产生扰动，另气罐快速排气温度与压力的耦合变化对流量调节影响较大，延迟时间后压力与温度会有初始的剧烈变化到达相对稳定状态，压力目标值在此时受影响幅度较小，进入压力闭环调节后系统可以快速达到稳态。

当更换喷管时，重复第一至九步骤。

本发明根据空气动力学原理，流通通道内的空气流量与流动总压、总温、流通面积和速度系数具有一定的函数关系，要达到控制高精度气体流量，精确控制调压阀后总压就是解决问题的关键，主要解决有限气源条件下气罐快速排气温度、压力的耦合变化对也会对流量调节有较大影响，整个系统也会有更强的非线性(比如气源压力剧烈变化)，系统背压对流量调节扰动因素。流量调节的速度快且无超调，对设备影响小。