CN103640249A - 一种温等静压压力精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温等静压压力精确控制方法，压力控制系统的压力控制过程是包括增压分段控制和卸压分段控制的分段控制步骤，具体包括如下步骤：a)增压分段控制：1）第一阶段增压控制，启动第一阶段渐增算法；2)第二阶段增压控制，启动第二阶段PID跟随控制算法；3）第三阶段增压控制，启动第三阶段PI比例积分算法；b)卸压分段控制，启动模糊算法：4）高压段卸压控制，选择高压卸压模糊控制判据表；5）低压段卸压控制，选择低压卸压模糊控制判据表。本发明方法有效解决了温等静压近净成形过程中的压力精确控制难题，压力控制精度可根据用户需求进行细调，适用范围广，为实现多种压力曲线控制打下了坚实的基础。

Description

一种温等静压压力精确控制方法

技术领域

本发明属于等静压技术领域，具体涉及一种温等静压压力精确控制方法。

背景技术

高温超高压的温等静压机最高工作温度300℃，最高工作压力200MPa，其主要工作介质为导热油，在不同压力和不同温度条件下，导热油的粘度系数、体积弹性模量、介电常数等性能参数均发生变化，导致难以准确建立压力控制模型，而常规的低压压力控制算法简单，无法适用于高压、高温环境。

另一方面，通过等静压实现粉末材料的致密化，为了能使粉末材料更好的近净成形，通常在压力增加和释放过程中要求压力精确控制，尤其是高压时变化缓慢、低压时变化较快，但常规压力控制所采用的方法正好与等静压工艺过程相反，高压变化快，低压变化慢。

温等静压机国外对我国严格限制，而国内温等静压研制正处于起步阶段，且温等静压机及其近净成形工艺所需的高温超高压压力控制在国内尚无可借鉴的案例和模型，因此提出该项发明专利。

发明内容

本发明的目的在于运用精确的压力控制方法，实现对温等静压机近净成形工艺所需压力的精确控制。

本发明采取以下技术方案：

一种温等静压压力精确控制方法，通过压力控制系统完成，压力控制系统主要包括工业控制计算机、增压控制系统、卸压控制系统、高压容器以及压力传感器，所述增压控制系统包括增压控制器、增压比例阀、供油泵、增压泵、以及增压活塞缸，所述卸压控制系统包括卸压控制器、卸压比例阀、卸压阀，所述压力控制系统的压力控制过程是包括增压分段控制和卸压分段控制的分段控制步骤，所述增压分段控制至少包括第一阶段增压控制、第二阶段增压控制和第三阶段增压控制，所述卸压分段控制包括高压段卸压控制和低压段卸压控制，具体包括如下步骤：

a).增压分段控制

1）第一阶段增压控制：启动第一阶段渐增算法，逐步增大增压控制器的运行速率而非一启动就全功率增压，增强增压系统可靠性，具体的过程为：当系统接到增压启动指令后，如不满足增压条件，则报警复位，如满足增压条件，则进入第一阶段增压控制，首先将增压比例阀的控制值设为其死区的最大值11%，同时启动供油泵和增压泵，此时，增压控制器以最小速率缓慢运行，然后程序调用0.1s(秒)定时中断，以每秒钟增加0.1％的增压比例阀控制值，通过逐渐增加增压控制器的运行速率来逐渐增大增压比例阀的控制值，当增压比例阀控制值达到设定值90％时，跳出0.1S定时中断，以恒定的增压比例阀控制值进行增压，直到压力达到设定值，完成第一阶段增压控制；

2)第二阶段增压控制：启动第二阶段PID跟随控制算法，根据增压控制器流速与增压速率之间的关系，确定PID算法中的比例带、积分常数、微分常数的值，具体的过程为：当满足第二阶段增压条件，系统接到第二阶段增压启动指令后，继续启动供油泵和增压泵，然后程序调用0.1s(秒)定时中断，设定第二阶段比例参数P、积分参数I、微分参数D、死区、控制周期等参数，强化响应速度，确保压力按设定曲线跟随设定值，再计算曲线设定当前值，然后与实测值进行比较得出压差值，将压差带入压力PID算法，通过计算增压控制器运行速率来计算当前增压比例阀输出数字量，再将该数字量与输出的上限值和下限值比较，若超出上限，则上限输出，若低于下限，则下限输出，输出的数字量经D/A转换成模拟量，控制增压比例阀动作，当压力达到设定值的90%,即完成第二阶段增压；

3）第三阶段增压控制：启动第三阶段PI比例积分算法，实现压力的准确控制，确保压力不超压，具体的过程为：当满足第三阶段增压条件，系统接到第三阶段增压启动指令后，继续启动供油泵增压泵，然后程序调用0.1s(秒)定时中断，设定第三阶段比例参数P、积分参数I、死区等参数，缩短控制周期，并将微分参数设为0，以加强积分，避免压力出现超调，再计算曲线设定当前值，然后与实测值进行比较得出压差值，将压差带入压力PI算法，通过计算增压控制器运行速率来计算当前增压比例阀输输出数字量，按每秒0.1%的速度，逐步减少增压比例阀输出的上限值，直至70%，限制控制输出信号的最大值，输出的数字量经D/A转换成模拟量，控制增压比例阀动作，当压力达到设定值的100%,即完成第三阶段增压，停止供油泵和增压泵，整个增压分段控制结束；

b).卸压分段控制：

启动模糊算法，分别选择高压卸压模糊控制判据表和低压卸压模糊控制判据表，具体过程为：当满足卸压条件，系统接到卸压启动指令后，然后程序调用0.1s(秒)定期中断，计算曲线设定当前值，并与实测值进行比较得出压差值，再将压差值带入模糊控制算法中，查找对应的模糊判据，当系统压力高于设定值,则进入高压段卸压控制，当系统压力低于该设定值,则进入低压段卸压控制，更具体的过程为：

4）高压段卸压控制：首先，选择高压卸压模糊控制判据表，根据压差值，进入模糊控制判据表，查出当前对应的卸压阀输出控制字，最后，将该控制字转化为卸压阀组合的动作顺序表，实现卸压阀组合控制，当达到设定压力，则卸压分段控制结束；

5）低压段卸压控制：首先，选择低压卸压模糊控制判据表，其次，根据压差值，进入模糊控制判据表，查出当前对应的卸压阀输出控制字，最后，将该控制字转化为卸压阀组的动作顺序表，实现卸压阀组合控制和卸压比例阀开度控制，当达到设定压力，则卸压分段控制结束。

进一步的技术方案是：

增压控制器对增压比例阀输出的模拟量采用16bit（比特）的D/A转换器，输出的模拟量为0-10VDC信号，以实现增压比例阀连续控制。

进一步的技术方案是：

卸压阀采用24VDC的直流开关信号控制，以实现卸压阀在10ms内触发；所述卸压比例阀采用±10VDC的信号，以实现卸压比例阀连续控制。

进一步的技术方案是：

卸压阀为针阀，所述针阀的直径不全相同，为三种不同直径，所述针阀以7种不同组合方式组合。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：本发明方法有效解决了温等静压近净成形过程中的压力精确控制难题，压力控制精度可根据用户需求进行细调，适用范围广，为实现多种压力曲线控制打下了坚实的基础。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构框图；

图2为本发明的增压过程控制流程图；

图3为本发明的第一阶段增压控制流程图；

图4为本发明的第二阶段增压控制流程图；

图5为本发明的第三阶段增压控制流程图；

图6为本发明的增压控制PID算法框图；

图7为本发明的增压控制数模转换流程图；

图8为本发明的卸压控制过程流程图；

图9为本发明的卸压控制模糊算法框图；

图10为本发明的高压卸压模糊控制判据表；

图11为本发明的低压卸压模糊控制判据表；

具体实施方式

下面结合附图1-图11和具体的实施例，对本发明作进一步的阐述和说明。

结合附图1、附图2和实施例，一种温等静压压力精确控制方法，压力控制系统主要包括工业控制计算机3、增压控制系统、卸压控制系统、高压容器5以及压力传感器4，所述增压控制系统包括增压控制器1、增压比例阀101、供油泵102、增压泵103、以及增压活塞缸104，所述卸压控制系统包括卸压控制器2、卸压比例阀201、卸压阀202，所述压力控制系统的压力控制过程是包括增压分段控制和卸压分段控制的分段控制步骤，所述增压分段控制至少包括第一阶段增压控制、第二阶段增压控制和第三阶段增压控制，所述卸压分段控制包括高压段卸压控制和低压段卸压控制，具体包括如下步骤：

a).结合附图3、附图4、附图5、附图6，附图7，说明增压分段控制实例：

1）第一阶段增压控制：启动第一阶段渐增算法，逐步增大增压控制器1的运行速率而非一起动就全功率增压，增强增压系统可靠性，具体的过程为：当系统接到增压启动指令后，首先将增压比例阀101的控制值设为其死区的最大值，优选为11%，同时启动供油泵102和增压泵103，此时，增压控制器1以最小速率缓慢运行，然后程序调用为0.1s(秒)定时中断，以每秒钟增加0.1％的增压比例阀101控制值，通过逐渐增加增压控制器1的运行速率来逐渐增大增压比例阀101的控制值，当增压比例阀101控制值达到优选设定值90％时，跳出0.1s定时中断，以恒定的增压比例阀101控制值进行增压，直到压力达到优选值1.5MPa，完成第一阶段增压控制；

2)第二阶段增压控制：启动第二阶段PID跟随控制算法，根据增压控制器1流速与增压速率之间的关系，确定PID算法中的比例带、积分常数、微分常数的值，具体的过程为：当满足第二阶段增压条件，系统接到第二阶段增压启动指令后，继续启动供油泵102和增压泵103，然后程序调用0.1s(秒)定时中断，设定第二阶段比例参数P、积分参数I、微分参数D、死区、控制周期等参数，强化响应速度，确保压力按设定曲线跟随设定值，再计算曲线设定当前值，然后与实测值进行比较得出压差值，将压差带入压力PID算法，通过计算增压控制器1运行速率来计算当前增压比例阀101输出数字量，再将该数字量与输出的上限值和下限值比较，若超出上限，则上限输出，若低于下限，则下限输出，输出的数字量经16bit的D/A转换成模拟量，控制增压比例阀101动作，当压力达到优选设定值的90%,即完成第二阶段增压；

3）第三阶段增压控制：启动第三阶段PI比例积分算法，实现压力的准确控制，确保压力不超压，具体的过程为：当满足第三阶段增压条件，系统接到第三阶段增压启动指令后，继续启动供油泵102增压泵103，然后程序调用0.1S(秒)定时中断，设定第三阶段比例参数P、积分参数I、死区等参数，缩短控制周期，并将微分参数设为0，以加强积分，避免压力出现超调，再计算曲线设定当前值，然后与实测值进行比较得出压差值，将压差带入压力PI算法，通过计算增压控制器1运行速率来计算当前增压比例阀输101输出数字量，按每秒0.1%的速度，逐步减少增压比例阀101输出的上限值，直至优选值70%，限制控制输出信号的最大值，输出的数字量经过16bit的D/A转换成模拟量，控制增压比例阀101动作，当压力达到设定值的100%,即完成第三阶段增压，停止供油泵102和增压泵103，整个增压分段控制结束；

b).结合附图8、附图9、附图10、附图11进一步说明卸压分段控制实施例：

本阶段，启动模糊算法，分别选择高压卸压模糊控制判据表和低压卸压模糊控制判据表，具体过程为：当满足卸压条件，系统接到卸压启动指令后，然后程序调用0.1s(秒)定期中断，计算曲线设定当前值，并与实测值进行比较得出压差值，再将压差值带入模糊控制算法中，查找对应的模糊判据，当系统压力高于优选120MPa,则进入高压段卸压控制，当系统压力低于优选120MPa,则进入低压段卸压控制，更具体的过程为：

4）高压段卸压控制：首先，选择高压卸压模糊控制判据表，其由三层判据组成，重点考虑高压段时压力和温度对介质油的粘度影响，第一层多条件输入，包括压差值、当前温度值、当前压力值、当前介质油粘度系数；第二层初级模糊判据，根据1%F.S.精度范围以及设备特性，选择跟随控制方式，选择由卸压针阀L20201、卸压针阀M20202、卸压针阀N20203组合成的卸压阀202，最多8种组合，因此最多划分8个区域，设置最小以优选0.05MPa为步长的单向区域划分表；第三层条件修正，根据压力与介质油粘度、温度与介质油年的物理特性曲线，在不同压力和温度下介质油粘度系数变化导致介质油流速变化的因素对模糊判据条件进行修正，再根据输入条件，得到当前卸压阀202的控制字；其次，根据压差值，进入模糊控制判据表，查出当前对应的卸压阀202输出控制字，最后，将该控制字转化为卸压阀202组合的动作顺序表，实现卸压阀202组合控制，当达到设定压力，则卸压分段控制结束；

5）低压段卸压控制：首先，选择低压卸压模糊控制判据表，其由三层判据组成，重点考虑低压段时温度对介质油的粘度影响较大，且系统卸压所需卸压流量较大，减弱压力对工作介质油粘度影响因素，第一层多条件输入，包括压差值、当前温度值、当前压力值、当前介质油粘度系数；第二层初级模糊判据,根据1%F.S.精度范围以及设备特性，选择跟随控制方式，选用由卸压针阀L20201、卸压针阀M20202、卸压针阀N20203三个卸压阀组合成的卸压阀202和卸压比例阀201，此时有最多8种开关量组合以及一个连续调节的模拟量，低压段要求流量大，因此划分10个区域，设置最小以优选0.2MPa为步长的单向区域划分表；第三层条件修正，根据压力与介质油粘度、温度与介质油年的物理特性曲线，相对高压段，减弱压力影响因素，增强温度影响因素，在不同压力和温度下介质油粘度系数变化导致介质油流速变化的因素对模糊判据条件进行修正；再根据输入条件，得到当前三组卸压针阀组成的卸压阀202的控制字，以及及一组卸压比例阀201的控制信号；其次，根据压差值，进入模糊控制判据表，查出当前对应的卸压阀202输出控制字，最后，将该控制字转化为卸压阀202组的动作顺序表，实现卸压阀202组合控制和卸压比例阀201开度控制，当达到设定压力，则卸压分段控制结束。

更进一步实施例，所述增压控制器1对所述增压比例阀101输出的模拟量采用16bit的D/A转换器，输出的模拟量为0-10VDC信号，实现增压比例阀101的连续控制。

更进一步实施例：所述卸压阀202采用24VDC的直流开关信号控制，以实现卸压阀202在10ms内触发；所述卸压比例阀（201）采用±10VDC的信号，以实现卸压比例阀201连续控制。

更进一步实施例：所述卸压阀202为针阀，所述针阀的直径不全相同，优选为三种不同直径，所述针阀以不同种组合方式组合，优选为7种组合方式。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (4)

1.一种温等静压压力精确控制方法，通过压力控制系统完成，所述压力控制系统主要包括工业控制计算机（3）、增压控制系统、卸压控制系统、高压容器（5）以及压力传感器（4），所述增压控制系统包括增压控制器（1）、增压比例阀（101）、供油泵（102）、增压泵（103）、以及增压活塞缸（104），所述卸压控制系统包括卸压控制器（2）、卸压比例阀（201）、卸压阀（202），其特征在于所述压力控制系统的压力控制过程是包括增压分段控制和卸压分段控制的分段控制步骤，所述增压分段控制至少包括第一阶段增压控制、第二阶段增压控制和第三阶段增压控制，所述卸压分段控制包括高压段卸压控制和低压段卸压控制，具体包括如下步骤：

a).增压分段控制

1).第一阶段增压控制：启动第一阶段渐增算法，逐步增大增压控制器（1）的运行速率而非一启动就全功率增压，增强增压系统可靠性，具体的过程为：当系统接到增压启动指令后，如不满足增压条件，则报警复位，如满足增压条件，则进入第一阶段增压控制，首先将增压比例阀（101）的控制值设为其死区的最大值11%，同时启动供油泵（102）和增压泵（103），此时，增压控制器（1）以最小速率缓慢运行，然后程序调用0.1S定时中断，以每秒钟增加0.1％的增压比例阀（101）控制值，通过逐渐增加增压控制器（1）的运行速率来逐渐增大增压比例阀（101）的控制值，当增压比例阀（101）控制值达到设定值90％时，跳出0.1S定时中断，以恒定的增压比例阀（101）控制值进行增压，直到压力达到设定值，完成第一阶段增压控制；

2).第二阶段增压控制：启动第二阶段PID跟随控制算法，根据增压控制器（1）流速与增压速率之间的关系，确定PID算法中的比例带、积分常数、微分常数的值，具体的过程为：当满足第二阶段增压条件，系统接到第二阶段增压启动指令后，继续启动供油泵（102）和增压泵（103），然后程序调用0.1S定时中断，设定第二阶段比例参数P、积分参数I、微分参数D、死区、控制周期等参数，强化响应速度，确保压力按设定曲线跟随设定值，再计算曲线设定当前值，然后与实测值进行比较得出压差值，将压差带入压力PID算法，通过计算增压控制器（1）运行速率来计算当前增压比例阀（101）输出数字量，再将该数字量与输出的上限值和下限值比较，若超出上限，则上限输出，若低于下限，则下限输出，输出的数字量经D/A转换成模拟量，控制增压比例阀（101）动作，当压力达到设定值的90%,即完成第二阶段增压；

3).第三阶段增压控制：启动第三阶段PI比例积分算法，实现压力的准确控制，确保压力不超压，具体的过程为：当满足第三阶段增压条件，系统接到第三阶段增压启动指令后，继续启动供油泵（102）增压泵（103），然后程序调用0.1S定时中断，设定第三阶段比例参数P、积分参数I、死区等参数，缩短控制周期，并将微分参数设为0，以加强积分，避免压力出现超调，再计算曲线设定当前值，然后与实测值进行比较得出压差值，将压差带入压力PI算法，通过计算增压控制器（1）运行速率来计算当前增压比例阀输（101）输出数字量，按每秒0.1%的速度，逐步减少增压比例阀（101）输出的上限值，直至70%，限制控制输出信号的最大值，输出的数字量经D/A转换成模拟量，控制增压比例阀（101）动作，当压力达到设定值的100%,即完成第三阶段增压，停止供油泵（102）和增压泵（103），整个增压分段控制结束；

b).卸压分段控制：

启动模糊算法，分别选择高压卸压模糊控制判据表和低压卸压模糊控制判据表，具体过程为：当满足卸压条件，系统接到卸压启动指令后，然后程序调用0.1S定期中断，计算曲线设定当前值，并与实测值进行比较得出压差值，再将压差值带入模糊控制算法中，查找对应的模糊判据，当系统压力高于设定值,则进入高压段卸压控制，当系统压力低于该设定值,则进入低压段卸压控制，更具体的过程为：

4).高压段卸压控制：首先，选择高压卸压模糊控制判据表，根据压差值，进入模糊控制判据表，查出当前对应的卸压阀（202）输出控制字，最后，将该控制字转化为卸压阀（202）组合的动作顺序表，实现卸压阀（202）组合控制，当达到设定压力，则卸压分段控制结束；

5).低压段卸压控制：首先，选择低压卸压模糊控制判据表，其次，根据压差值，进入模糊控制判据表，查出当前对应的卸压阀（202）输出控制字，最后，将该控制字转化为卸压阀（202）组的动作顺序表，实现卸压阀（202）组合控制和卸压比例阀（201）开度控制，当达到设定压力，则卸压分段控制结束。

2.根据权利要求1所述的温等静压压力精确控制方法，其特征在于所述增压控制器（1）对所述增压比例阀（101）输出的模拟量采用16bit的D/A转换器，输出的模拟量为0-10VDC信号，以实现增压比例阀（101）连续控制。

3.根据权利要求1所述的温等静压压力精确控制方法，其特征在于所述卸压阀（202）采用24VDC的直流开关信号控制，以实现卸压阀（202）在10ms内触发；所述卸压比例阀（201）采用±10VDC的信号，以实现卸压比例阀（201）连续控制。

4.根据权利要求1所述的温等静压压力精确控制方法，其特征在于所述卸压阀（202）为针阀，所述针阀的直径不全相同，为三种不同直径，所述针阀以7种不同组合方式组合。

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