CN104317322A - 一种自动调压式高压氦气控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氦气压力调节系统，具体公开一种自动调压式高压氦气控制系统，该系统包括主气瓶、高压缓冲瓶、低压缓冲瓶、气动调节阀、主气电磁阀、高缓电磁阀、低缓电磁阀、终端电磁阀，主气瓶的输出接口与气动调节阀的输入端连通，气动调节阀的输出端与主气电磁阀的输入端连通，高压缓冲瓶的输出接口与高缓电磁阀的输入端连通，压缓冲瓶的输出接口与低缓电磁阀的输入端连通，主气电磁阀、高缓电磁阀、低缓电磁阀的输出端均与终端电磁阀的输入端连通。本发明的系统能够提高压力调节的快速性和准确性，实现高压气源终端压力的快速、准确、稳定输出。

Description

一种自动调压式高压氦气控制系统

技术领域

本发明涉及一种氦气压力调节系统，具体涉及一种高压氦气能源系统终端输出压力的快速准确自动调压式高压氦气控制系统。

背景技术

燃气液压伺服是以燃气压力为一次能源，推动涡轮泵高速旋转产生液压动力输出给伺服作动器的伺服系统。

自动调压式高压氦气控制系统是模拟燃气液压伺服内弹道特性，以高压氦气代替燃气的控制系统，其中，内弹道特性用于描述氦吹系统输出终端压力随时间的变化特性，理想的内弹道特性曲线如图1所示。因此，如何使高压氦气控制系统所提供的终端输出压力快速、准确的稳定在指定压力范围内，成为了系统设计的关键问题。

目前，国内低压能源供给主要依赖于气动调节阀的自我调节功能。例如沼气池的自动调节系统，就是充分利用气动调节阀的自我调节功能来控制输出压力的。气动调节阀可以根据输入端和输出端的压力差进行动作，当输出端压力高于输入端压力时，气动调节阀关闭；当输出端压力低于输入端压力时，气动调节阀开启，开启的大小取决于阀门两侧的压差。利用此种方法得到的终端输出压力变化平缓，然而具有一定的局限性，无法满足对终端输出压力快速变化的需求。此方法目前主要用于低压能源的压力调节领域。

国内高压氦气压力控制主要依赖于手动调节。例如火箭伺服机构的地试设备主要采用手动调节的高压氦吹系统。高压氦吹系统，即利用惰性气体氦气为伺服机构提够一定压力的能源。气源管路中的气动调节阀可通过连动机构与比例调节阀固定为一体，通过控制比例调节阀来调节起动调节阀开启的大小。即比例调节阀可将输入电流信号转换成压力信号，从而来调整气动调节阀的开启程度。因此，系统通过监测终端压力，手动调节比例调节阀的输入电流，来间接调节气动调节阀，最终达到终端压力调节的功能。由于燃气内弹道曲线要求平稳，并且有快速的阶越变化，利用此方法得到的终端压力平滑度不高，滞后性较大，对于技术操作人员的依赖性较高。所以并不能很好的模拟燃气的工况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动调压式高压氦气控制系统，该系统能够提高压力调节的快速性和准确性，实现高压气源终端压力的快速、准确、稳定输出。

实现本发明目的的技术方案：一种自动调压式高压氦气控制系统，该系统包括主气瓶、高压缓冲瓶、低压缓冲瓶、气动调节阀、主气电磁阀、高缓电磁阀、低缓电磁阀、终端电磁阀，主气瓶的输出接口与气动调节阀的输入端连通，气动调节阀的输出端与主气电磁阀的输入端连通，高压缓冲瓶的输出接口与高缓电磁阀的输入端连通，压缓冲瓶的输出接口与低缓电磁阀的输入端连通，主气电磁阀、高缓电磁阀、低缓电磁阀的输出端均与终端电磁阀的输入端连通。

所述的压力传感器的输出端与控制器的输入端连通，控制器的输出端与气动调节阀、主气电磁阀、高缓电磁阀、低缓电磁阀、终端电磁阀的控制信号输入端均连通。

所述的终端电磁阀的输出端与压力传感器的输入端连通，压力传感器的输出端与控制器的输出端连通。

所述的控制器输出端与气动调节阀的控制信号输入端之间设有比例调节阀。

本发明的有益技术效果在于：(1)本发明通过使用高压缓冲瓶和低压缓冲瓶，可以保证终端压力超调量小、快速性高，同时保证输出压力的稳定性，缓冲瓶的引入同时减小了管路受到的冲击，从而减小了管路爆裂、泄露的风险；高压缓冲瓶和低压缓冲瓶的引入提高了终端压力输出的快速性。(2)本发明通过采用PID算法进行终端压力的闭环调节，可以保证终端压力准确的稳定在预期压力范围内，提高了终端压力输出的准确性。(3)本发明采用分段式PID算法，针对不同的工况，自动决策是否采用PID调节，若采用PID调节可选择参数大小，从而保证终端压力调节的快速性和稳定性，提高了终端压力输出的稳定性；分段式PID可以根据需要进行多级分段，无限提高控制精度。(4)本发明用分段式PID算法保证了终端输出压力的平滑度，滞后性小，省去了操作人员的大量工作，尤其是减小了输出压力对操作人员的依赖性，大大提高了调节精度。同时提高了系统的安全性以及应急处理能力。

附图说明

图1为现有技术中理想内弹道特性曲线；

图2本发明所提供的一种自动调压式高压氦气控制系统原理框图；

图3本发明所提供的一种自动调压式高压氦气控制系统组成图；

图4本发明所提供的一种自动调压式高压氦气控制系统PID闭环运算模型；

图5采用本发明所提供的一种自动调压式高压氦气控制系统的内弹道特性曲线实例。

图中：1.主气瓶、2.高压缓冲瓶、3.低压缓冲瓶、4.气动调节阀、5.主气电磁阀、6.高缓电磁阀、7.低缓电磁阀、8.控制器、9.比例调节阀、10.终端电磁阀、11.压力传感器，A.混合管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2和图3所示，主气瓶1的输出接口通过管路与气动调节阀4的输入端连通，气动调节阀4的输出端通过管路与主气电磁阀5的输入端连通，主气电磁阀5的输出端通过管路与终端电磁阀10的输入端连通。高压缓冲瓶2的输出接口通过管路与高缓电磁阀6的输入端连通，高缓电磁阀6的输出端通过管路与终端电磁阀10的输入端连通。压缓冲瓶3的输出接口通过管路与低缓电磁阀7的输入端连通，低缓电磁阀7的输出端通过管路与终端电磁阀10的输入端连通。高缓电磁阀6的输出端管路、低缓电磁阀7的输出端管路均与主气电磁阀5的输出端管路连通，形成混合管路A，并在管路A的末端打孔插入压力传感器的检测端；即终端电磁阀10安装在混合管路A上，压力传感器11安装在混合管路A的终端。压力传感器11的信号输出端通过导线与控制器8的信号输入端连通，控制器8将比例调节阀调节信号、主气电磁阀开关信号、高缓电磁阀开关信号、低缓电磁阀开关信号、终端电磁阀开关信号通过导线分别与比例调节阀9的控制信号输入端、主气电磁阀5的控制信号输入端、高缓电磁阀6的控制信号输入端、低缓电磁阀7的控制信号输入端、终端电磁阀10的控制信号输入端连通。比例调节阀9的力矩信号输出端与气动调节阀4的力矩信号输入端连通。控制器8为氦气压力调节控制器。

主气瓶1为系统的主要气源输入。高压缓冲瓶2为所需终端输出气源压力较高时，作为缓冲瓶使用，控制压力的平稳性。低压缓冲瓶3为所需终端输出气源压力较低时，作为缓冲瓶使用，控制压力的平稳性。气动调节阀4直接控制管路的开通大小。主气电磁阀5控制主气瓶1气源的开通与关断。高缓电磁阀6控制高压缓冲瓶2气源的开通与关断。低缓电磁阀7控制低压缓冲瓶3气源的开通与关断。控制器8完成各个电磁阀控制和闭环运算，即控制器8接收控制指令，控制过程中，将压力传感器11采集输出的终端压力与期望终端压力进行对比，通过PI运算输出调节电流。比例调节阀9接收控制器8输出的调节电流，控制气动调节阀4，其控制关系为p＝f(I)，其中，I为比例调节阀9的输入电流，p为比例调节阀9的输出气压。终端电磁阀10控制管道终端的开通与关断。压力传感器11测量终端输出压力，并反馈给控制器8；

如图2、图3和图4所示，本发明所提供一种自动调压式高压氦气控制系统的工作原理如下所述：

控制器8接收上位机下发的控制流程和控制指令，控制器8按照控制流程通过控制输出电压的高低电平来控制主气电磁阀5、高缓电磁阀6、低缓电磁阀7和终端电磁阀10的开关状态，主气电磁阀5、高缓电磁阀6、低缓电磁阀7和终端电磁阀10的开关顺序和时间是根据控制流程中的期望终端压力来确定，压力传感器11将测量的终端压力转换成电流信号输入到控制器8，控制器8通过AD转换模块，将电流信号转换成数字信号，然后与控制指令进行对比。当终端压力与控制指令不匹配时，通过PID运算8对压力进行调节，将PID的输出结果通过DA模块转化成电流信号，输入到比例调节阀9。比例调节阀9将电流信号转换成力矩信号，从而来控制气动调节阀4的开启大小，最终实现控制终端压力的精确调节。闭环控制算法，即控制器8将采集到的终端压力与控制指令进行比较，当终端压力与控制指令不匹配时，通过PID运算对压力进行调节，将PID的输出结果通过DA模块转化成电流信号，输入到比例调节阀9。比例调节阀9将电流信号转换成力矩信号，从而来控制气动调节阀4的开启大小，从而改变主气瓶的输出压力，随之改变管道终端输出压力，形成闭环。

如图2、图3和图4所示，以一次氦吹任务为例，对本发明所提供一种自动调压式高压氦气控制系统的工作原理进行说明。

信号负载的高工况输出11MPa，持续10s；低工况输出7.5MPa，持续70s，比例调节阀9输入电流范围为4-20mA。其中，高工况是指当期望终端压力较高时；低工况是指当期望终端压力较低时；本发明可在一个控制流程中同时完成高工况任务和低工况任务。

(1)对信号负载的P＝f(I)关系进行摸底。

不同的负载，气源调节的快速性和稳定性均不同。因此，对于不同的负载，均必须对比例调节阀的P＝f(I)关系进行摸底，其中P为系统终端输出压力，I为比例调节阀9的输入电流，在P＝f(I)关系摸底试验中不使用高压缓冲瓶2和低压缓冲瓶3，只使用主气瓶1提供气源，并进行开环控制。

以比例调节阀9的输入电流为控制参数，以1mA为一个阶梯，每个阶梯持续时间为20s，控制电流从4mA逐渐增长到20mA进行氦吹任务。氦吹任务，即在主气瓶1、高压缓冲瓶2和低压缓冲瓶3内预冲一定压力的氦气，通过控制各电磁阀5、6、7、10的开关顺序和比例调节阀9的开口大小，使管道内充满氦气，并要求管道A终端输出压力等于期望终端压力。为完成一次氦吹任务，通过控制器8输出电信号来控制各电磁阀的开关顺序和比例调节阀9的输出力矩大小的过程称为一个控制流程。比例调节阀9输出力矩的大小是通过改变控制器8输出电流信号的大小来调节的，而控制器输8出电流信号的大小是通过闭环控制算法得到的。氦吹完成之后，将比例调节阀9的输入电流和采集到的稳定后的终端输出压力进行线性拟合，得到P＝kI+b，其中k和b为拟合后的参数。

(2)对压力传感器11进行校准

采用打压器对管路A终端进行打压，然后观测压力传感器11返回的电流I，测量多组数据后，进行拟合，得到P＝mI+n，其中P为系统终端压力，I为控制器8采集电流，m和n为拟合后的参数。

(3)对各个气瓶充气

主气瓶1充入25MPa压力的氦气，高压缓冲瓶2充入15MPa压力的氦气，低压缓冲瓶3冲入10MPa压力的氦气。

(4)执行测试任务

高工况时，控制器8开启终端电磁阀10、主气电磁阀5和高缓电磁阀6，同时使用分段式PI闭环控制算法；转入低工况后，控制器8关闭高缓电磁阀6，开启低缓电磁阀5，并使用分段式PI闭环控制算法。

以下以高压缓冲瓶2为例说明引入缓冲瓶的作用——

高工况时，首先打开终端电磁阀10，然后同时打开主气电磁阀5和高缓电磁阀6，由于主气瓶1压力远远高于期望终端压力，高压缓冲瓶2压力与期望终端压力相同，打开主气电磁阀5和高缓电磁阀6的瞬间，高压缓冲瓶2可以削弱主气源的压力，从而使得终端输出压力的超调量大大减小，再通过气动电磁阀4的调节作用，使得终端压力快速到达期望终端压力，提高快速性。其次，在高工况的中间阶段，由于高压缓冲瓶2的压力基本与期望压力持平，当进行闭环调节时，高压缓冲瓶2的气源压力也变成了被控对象，因此会使得PI调节的作用变小，从而吸收了PI调节的不稳定因素。

低工况时，关闭高缓电磁阀6，打开低缓电磁阀7，由于此时管路A压力远远高于期望终端压力，低压缓冲瓶2压力与期望终端压力相同，关闭高缓电磁阀6打开低缓电磁阀的7的瞬间，低压缓冲瓶2可以削弱管路的压力，从而使得终端输出压力的超调量大大减小，再通过气动电磁阀4的调节作用，使得终端压力快速到达期望终端压力，提高快速性。其次，在低工况的中间阶段，由于低压缓冲瓶2的压力基本与期望压力持平，当进行闭环调节时，低压缓冲瓶2的气源压力也变成了被控对象，因此会使得PI调节的作用变小，从而吸收了PI调节的不稳定因素。

PID闭环控制原理如图4所示，压力传感器11采集终端压力，将压力信号转换成电流信号输入到控制器8，控制器8根据采集到的电流信号，使用校准公式P＝mI+n计算终端输出压力。控制器8对比期望终端压力和采集终端压力，采用PID算法，输出压力P，然后利用拟合公式P＝kI+b计算比例调节阀9的输入电流，比例调节阀9根据输出电流调节输出的力作用到气动调节阀4，气动调节阀4通过调节开启的大小，控制输出端的压力。

以下以高工况为例说明引入PI闭环算法的作用：

第一阶段：高工况开始阶段

高压缓冲瓶2的作用使得终端压力已经达到了期望值附近，主气瓶1气源流动管路较长但压力大，如果此时采用PI闭环算法，势必造成终端压力严重超调，因此高工况开启阶段采用开环控制，主要依赖于气动调节阀4的自我调节功能调节终端输出压力；

第二阶段：高工况持续2s后

高工况持续2s后，气动调节阀4的自动调节能力已经发挥到极限，然而此时终端压力必定大大高于期望压力，因此需使用闭环运算进行调节。为了加快压力的下降，只采用比例算法，即P算法。

第三阶段：|终端压力-期望压力|<△P1

当压力差较小时，此时可加入积分算法，以增加压力调节的平稳性；

第三阶段：|终端压力-期望压力|<△P2(其中△P2<△P1)

当压力差继续减小时，此时可调整比例算法和积分算法的参数值，以增加压力调节的平稳性；

第n阶段：|终端压力-期望压力|<△Pn(其中△Pn<△Pn-1)

当压力差继续减小时，可继续调整比例环节和积分参数值，以增加压力调节的平稳性；

以上阶段，可根据终端输出压力的精确度，自动调整n的大小和△Pn的大小。每个阶段的闭环算法也可采用PD、PID算法。为了防止超调，对比例、积分、微分以及总输出均要做上下限。PID算法，即比例+积分+微分算法，在一个控制流程中，为了实现高工况和低工况时终端气源的恒压力输出以及实现工况转换时终端气源压力的快速转换，而采用的闭环控制算法，其中P为比例算法，I为积分算法，D为微分算法，当闭环控制算法中只使用了比例算法，称之为P算法；当闭环控制算法中只使用了比例算法和积分算法，称之为PI算法；当闭环控制算法中只使用了比例算法和微分算法，称之为PD算法。

低工况的闭环控制算法与高工况类似，利用本发明自动调压式高压氦气控制系统得到的内弹道特性曲线如图5所示，与图1中的理想的内弹道特性曲线接近。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (4)

1.一种自动调压式高压氦气控制系统，其特征在于：该系统包括主气瓶(1)、高压缓冲瓶(2)、低压缓冲瓶(3)、气动调节阀(4)、主气电磁阀(5)、高缓电磁阀(6)、低缓电磁阀(7)、终端电磁阀(10)，主气瓶(1)的输出接口与气动调节阀(4)的输入端连通，气动调节阀(4)的输出端与主气电磁阀(5)的输入端连通，高压缓冲瓶(2)的输出接口与高缓电磁阀(6)的输入端连通，压缓冲瓶(3)的输出接口与低缓电磁阀(7)的输入端连通，主气电磁阀(5)、高缓电磁阀(6)、低缓电磁阀(7)的输出端均与终端电磁阀(10)的输入端连通。

2.根据权利要求1所述的一种自动调压式高压氦气控制系统，其特征在于：所述的压力传感器(11)的输出端与控制器(8)的输入端连通，控制器(8)的输出端与气动调节阀(4)、主气电磁阀(5)、高缓电磁阀(6)、低缓电磁阀(7)、终端电磁阀(10)的控制信号输入端均连通。

3.根据权利要求2所述的一种自动调压式高压氦气控制系统，其特征在于：所述的终端电磁阀(10)的输出端与压力传感器(11)的输入端连通，压力传感器(11)的输出端与控制器(8)的输出端连通。

4.根据权利要求2或3所述的一种自动调压式高压氦气控制系统，其特征在于：所述的控制器(8)输出端与气动调节阀(4)的力矩信号输入端之间设有比例调节阀(9)。