CN106132561A - 用于高瞬态系统的流量控制校准的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制流量的方法，包括如下步骤：选择由操作流量和操作压力限定的操作条件；对比操作流量与阈值流量；并且如果操作流量大于或等于阈值流量，执行适应性校准步骤。适应性校准步骤包括：测量操作压力；测量通过第一仪表的第一流量；并且基于操作压力和第一流量修改压力‑流量表。

Description

用于高瞬态系统的流量控制校准的方法
技术领域
本发明大致涉及控制一个或多个系统参数，更具体地，涉及用于瞬态系统的流量校准的方法。
背景技术
控制各个系统参数(例如压力、流量、温度等)的工业系统通常遭遇多种系统干扰。为了将系统维持在既定参数内，用于该系统的控制方案被设计为响应环境变化和被容纳在该系统内的流体或材料的可变特性。这样的控制系统通常通过监测对系统性能起关键作用的参数来检测和抵消系统中的渐变。
一些工业系统利用喷射器以规定的压力和流量分配材料(例如涂料、粘合剂、环氧树脂等)。在以单一压力和流量连续操作或操作相对长时间段的系统中，压力和流量达到稳态。因此，材料和/或系统性能的微小变化可能被传统的控制方案谨慎地监测到并且抵消。
然而，当这样的系统在多个压力和流量组合(其中一些状态操作相对短的持续时间)下操作时，压力和流量不会达到稳态。因为在喷射器出口处的条件与系统内的测量位置处的条件不同，所以压力和流量在系统内的瞬态期期间的改变和/或波动对于控制系统成问题。不考虑这些瞬变状态可能导致过分配或欠分配材料。
在一些传统的控制方案中，通过隔离系统的操作条件并且在执行每一个操作之前执行校准步骤来控制瞬态期。然而，因为在校准步骤期间生产暂停，所以校准步骤或程序增加了制造成本并且中断了制造操作流程。在其它传统的控制方案中，通过分配过量的材料直至系统达到稳态来控制瞬态期。一旦系统处于稳态，传统的控制方案就能够负责微小的干扰。然而，分配过量的材料增加了材料成本。
因此，需要对能够成本有效地适应于多个操作条件、环境改变和瞬变状态的工业系统的压力和流量的控制。
发明内容
一种控制流量的方法，包括如下步骤：选择由操作流量和操作压力限定的操作条件；对比操作流量与阈值流量；并且如果操作流量大于或等于阈值流量时，执行适应性校准步骤。适应性校准步骤包括：测量操作压力；测量通过第一仪表的第一流量；并且基于操作压力和第一流量修改压力-流量表。
附图说明
图1是示出工业喷射器系统的示意图。
图2是示出用于控制图1中的工业喷射器系统的流量的方法的流程图。
图3是示出用于控制图1中的工业喷射器系统的流量和压力的流程图。
具体实施方式
图1是用于从喷射器14分配混合材料12的工业系统10，例如无源比例调节器系统的示意图。除了下文描述的部件之外，工业系统10包括材料供给系统16和18，该材料供给系统16和18分别容纳材料组分20和22。材料供给系统16通过供给管线26流体连接至仪表24，并且材料供给系统18通过供给管线30流体连接至仪表28。材料供给系统16作用在材料组分20上，以将其压力从初始压力P0提高至供给压力P1。类似地，材料供给系统18作用在材料组分22上，以将其压力从初始压力P0提高至供给压力P2。材料供给系统16和18可以是分别容纳材料组分20和22的加压罐。可替代地，材料供给系统16和18可以包括分别作用在材料组分20和22上的进给泵或其它循环部件。由此，初始压力P0可以位于从环境压力(计为0kPa)至适于供给材料组分20和22的压力(通常计为约2068kPa(300psig))的范围内。另外，材料供给系统16的压力P0不必等于材料供给系统18的压力P0。仪表24和28分别沿供给管线26和30设置。供给管线26和30分别将材料供给系统16和18连接至位于结合部34处的混合材料管线32，在结合部34处供给管线26和30结合。混合材料管线32在结合部38处将供给管线26和30流体连接至喷枪14。仪表24和28并联布置并且协作以将材料组分20和22供给至混合材料管线32，在混合材料管线32中组分20和22组合以形成具有混合压力Pmix的混合材料12。仪表24和28以流量R将混合材料12供给至喷枪14，在喷枪14中混合材料12被选择性地分配。压力调节器40沿混合材料管线32设置，以在从喷枪14分配混合材料12之前将混合压力Pmix减小至系统压力Ps。通过使用控制阀42改变先导压力Pp来实现供给压力Ps的调整。控制阀42沿控制压力管线44设置，控制压力管线44容纳控制流体46并且从控制流体源47延伸至压力调节器40。控制流体46作用在压力调节器40的薄膜48上以在系统10处于关闭状态中时改变供给压力Ps。薄膜48对混合材料12的力作用使得先导压力Pp的增大导致系统压力Ps的增大。薄膜48对混合材料12的力减小使得先导压力Pp的减小导致系统压力Ps的减小。当薄膜48减小施加给混合材料12的力时，它作用在控制流体46上。通过使控制流体46的一部分返回控制流体源47，控制流体46的先导压力Pp得以维持。在一些实施例中，压力调节器40是具有先导压力与供给压力比等于1∶1的气动操作的低流动压力调节器。
供给压力Ps和流量R通过控制器50管理。设置在压力调节器40下游的压力换能器52产生信号S1，该信号S1是压力换能器52的电压或电流。信号线54将压力换能器52电连接至控制阀42，并且信号线56将控制阀42电连接至控制器50，每一个信号线都将信号S1传送至控制器50。信号线57和58分别将流量传感器60和62电连接至控制器50。流量传感器60检测流过仪表24的流量R1，并且流量传感器62检测流过仪表28的流量R2。流量R1和R2分别以信号S2和S3的形式被传送至控制器50，该信号S2和S3与信号S1类似，分别为来自传感器60和62的电压或电流。基于信号S1、S2和S3的值，控制器50执行控制方案以分别改变流过仪表24和28的流量R1和R2，并且通过命令控制阀42改变先导压力Pp来改变供给压力Ps。以流量R1流动的材料组分20在混合材料管线32内与以流量R2流动的材料组分22组合以产生以流量R流动的混合材料12。通过使用控制管线64将信号C1发送给控制阀42，控制阀50改变先导压力Pp，并且通过分别使用控制管线66和68将控制信号C2和C3发送给仪表24和28，控制阀50改变流量R2和R3。
当致动喷枪14关闭系统10(这通常通过使用气动电磁阀(图1中未示出)或喷枪14的扳机(图1中未示出)实现)时，系统10中存在瞬变状态。因为流量在仪表24和28处而不是在喷枪14处测量，所以供给压力Ps和流量R的变化滞后于先导压力Pp和流量R1、R2的变化。如果控制器50促使压力调节器40在系统10关闭时维持恒定的系统压力Ps，那么由于系统10内没有基于流动的压力下降，所以喷枪14处的压力增大。随后，当系统10被开启(即，由于打开电磁阀或喷枪14内的扳机)时，由先前的压力增大导致的流量的爆发引起不均匀地施加混合材料12。如果在系统10被关闭时控制器50引起压力调节器40增大系统压力Ps，那么来自爆发的流量的影响被放大。当在系统10被关闭时控制器50使系统压力Ps减小，那么滞后效应增大了目标压力与系统压力Ps之间的误差。生成的系统压力Ps将不会从喷枪14以期望的流量R分配混合材料12。
此外，材料属性和/或环境变化也影响操作期间的供给压力Ps和流量R。例如，分别周期性地补充材料组分20和22。因为新增加的材料组分20和22可以具有彼此不同且不同于先前分配的材料的温度，所以例如粘度的性质可以影响供给给喷射器14的流量R。另外，混合材料12可能在混合材料管线32内部分固化，并且随着时间的推移可能腐蚀混合材料管线32。因此，使用溶剂周期性地清洁混合材料管线32。例如周围温度和湿度变化的环境变化也会影响材料组分20和22的属性。然而，系统10被设计为在一系列供给压力Ps和一系列流量R条件下操作，每一个操作条件都具有持续时间。
一些喷射应用涉及多个离散的操作条件。例如，3个操作条件可能按照先后顺序使用：1)以68.9kPA(约10psi)、100cc/min分配10秒，2)以137.9kPA(约20psi)、200cc/min分配15秒，和3)以34.5kPA(约5psi)、50cc/min分配2秒。在不借助下述方法70的情况下，系统10的瞬变状态通过反复执行校准步骤和/或通过在多个操作点之间排放混合材料12直至在系统10内出现稳态条件而被抵消。两种方法都会导致额外的制造成本和/或浪费混合材料12。然而，如下所述的方法70通过单调的或无变化的数学关系表征流量R，从而在不同的系统压力Ps下近似或逼近流量R。这允许收集较少数量的非侵入(less-intrusive)数据点或数据值来表征整个校准。此外，如果在一个流量下的操作或运行达到稳态(即，操作比持续时间阈值更长的时间)，那么在不需要单独的校准循环的情况下稳态压力和流量数据可以被用来修正校准。图2是示出用于校准系统10以及通过瞬变状态表征的类似的工业系统的方法70的流程图。方法70包括步骤72、74、76、78、80、82、84、86和88，这些步骤允许在用于单一应用的多个条件下操作系统10时能够在操作过程中修正压力-流量表。压力-流量表将用于混合材料12的系统压力Ps(因变量)与流量R(自变量)联系起来。
步骤72包括选择并且发送压力设定值和流量设定值至控制器50的步骤。具体的压力和流量设定值基于混合材料12的需求，例如，如上所述的说明。
在建立流量设定值之后，步骤74确定流量误差。系统10内的当前流量R等于分别流过仪表24和28的流量R1和R2。在系统10的其它实施例中，可以根据用来形成混合材料12的组分的数量使用单个仪表(例如，仪表24)或额外的仪表(未示出)。在每一种情况下，通过喷枪14分配的流量R等于流过包括在系统10中的一个或多个仪表的每一种组分的总和。为了确定流量信号误差，控制器50对比系统10的流量设定值与总的流量R。流量信号误差是流量设定值与流量R之间的差值。通过使用流量信号误差，控制器50在步骤76中更新压力-流量表和确定新的压力设定值。压力-流量表存储在控制器50中。
步骤78包括确定更新的压力-流量数据是否可用的步骤(即，来自之前执行的步骤80、86)。
在步骤80中，控制器50确定是否执行适应性校准步骤。通常，如果计划的应用包括低流量、短持续时间的操作条件(例如，在上面的示例中的操作条件3)，将执行该适应性校准步骤。具体的流量和持续时间将是系统特定的。一般地，如果系统10或其他类似系统的瞬变状态阻止适于控制该系统的数据的获取，低流量、短持续时间的操作条件发生。如果没有执行适应性校准步骤，那么压力和流量设定值在步骤82中被保存至压力-流量表。在步骤82之后，控制器50执行步骤74并且如下所述的随后步骤。如果执行适应性校准步骤，那么会执行步骤84和86或步骤84和88。
步骤84包括确定是否存在多种阈值条件以在步骤86中修正压力-流量表的步骤。在一些实施例中，步骤84包括对比流量设定值与阈值流量的步骤。如果目标流量大于或等于阈值流量，那么在步骤86当前流量R和系统压力Ps中被保存至压力-流量表中。如果目标流量小于阈值流量，那么在步骤88中不使用当前流量R和系统压力Ps修正压力-流量表。而是，可能已经通过之前的步骤86在先修正的压力-流量表被用来评估压力-流量条件。这通过使用高于阈值流量的压力-流量数据来外推低于阈值流量的压力-流量数据而实现。通常，外推步骤或外推程序使用线性关系。然而，也可以使用其他数学关系。在步骤86和88之后，控制器执行步骤74和如上所述的随后步骤。
因为流量R1和R2已经在仪表24和28处被测量，所以使用流量阈值提供了简化的方法70。另外，系统压力Ps与诸如系统10的工业系统内的流量R成比例，更高的系统压力一般产生更大的流量R。随着系统压力Ps和流量R增加，需要保持稳态操作的持续时间缩短。因为低压力、短持续时间的操作在系统10内产生最长的瞬态期，所以这样的结果有助于选择流量阈值来差异化长持续时间的操作与短持续时间的操作。图3是示出控制系统10的系统压力Ps和流量R的方法90的流程图。方法90包括方法70的除步骤72(其与方法92的步骤94相同)之外的每一个步骤。方法92是在系统10处于关闭状态时控制系统压力Ps的方法。
步骤94包括选择和发送压力设定值和流量设定值至控制器50的步骤。基于例如在前述示例中说明的混合材料12的需求而确定具体的压力设定值和流量设定值。
在步骤96中，控制器50确定系统10的状态(例如，关闭或开启)。控制器可以通过接收传送喷枪14的扳机或电磁阀的位置的信号而作出该确定。如果系统10是关闭的，那么执行步骤98a。步骤98a建立喷枪14处的目标压力，其等于压力设定值加上压力偏移量。压力偏移量被选定为抵消相对于先前选定的设定值(如前所述)增大或减小压力设定值的效果。可选地，压力偏移量还可以抵消喷枪14被开启时系统10内的初始压降。如果系统10被开启，那么执行步骤98b。因为在系统10被开启时喷枪14分配混合材料12，所以不必偏移目标压力。因此，步骤98b建立等于压力设定值的目标压力。
在建立目标压力之后，步骤100包括计算压力信号误差的步骤。通过从控制器50处的压力换能器52接收信号S1并且对比信号S1与目标压力，确定压力信号误差。信号S1与目标压力之间的差值是压力信号误差，该压力信号误差随着时间被存储在控制器50中。
在步骤102中，压力信号误差被用来更新PID回路。比例-积分-求导回路或PID回路在现有技术中已知。更新PID回路的步骤包括将当前信号误差增加至之前收集的压力信号误差值的数据组中。接下来，累积的压力信号误差值以及在初始调节控制器时输入控制器中的参数被用来产生新的压力输出信号C1。在步骤104中，输出信号C1被传送至控制阀42。
在步骤104中，输出信号C1引起控制阀42增加或降低先导压力Pp，从而使用压力调节器40改变系统压力Ps。例如，如果压力信号误差表明压力目标值小于当前系统压力Ps，那么控制器50将发送命令控制阀42的信号C1以增大先导压力Pp。相反地，如果误差表明目标压力大于当前系统压力Ps，那么控制器50将发送命令控制阀42的信号C2以降低先导压力Pp。
在步骤104之后是步骤106，在步骤106中，控制器50再次确定系统10的状态。控制器50确定系统10的状态的方式与步骤96基本类似。如果系统10为关闭的，那么重复步骤98a、100、102和104。如果系统10为开启的，那么控制器50执行如前所述的方法70，除了，代替如前所述的重复方法70的步骤，而是执行方法92的步骤，直至在步骤106中系统10的状态为开启的。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应认识到，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出修改。

Claims (12)

1.一种控制流量的方法，包括如下步骤：
选择由操作流量和操作压力限定的操作条件；
对比操作流量与阈值流量；
如果操作流量大于或等于阈值流量，执行适应性校准步骤，其中该适应性校准步骤包括：
测量操作压力；
测量通过第一仪表的第一流量；
存储操作压力和第一流量；并且
基于操作压力和第一流量修改压力-流量表；以及
使第一仪表在第一流量下操作。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
如果操作流量小于阈值流量，执行外推步骤，其中该外推步骤包括：
测量操作压力；
使用压力-流量表以基于操作压力计算第一流量；并且
使第一仪表在第一流量下操作。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述适应性校准步骤还包括：
测量通过第二仪表的第二流量，其中第一流量加第二流量等于总流量；
存储第二流量；并且
基于操作压力、第一流量和第二流量修改压力-流量表。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述外推步骤还包括：
使用压力-流量表以基于操作压力计算第二流量；并且
使第二仪表在第二流量下操作。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对比操作流量与阈值流量的步骤包括：
选择与阈值持续时间对应的阈值流量；并且
对比操作流量与阈值流量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，阈值流量位于与多个操作条件对应的最大流量与最小流量之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，阈值流量是最大流量和最小流量的平均值。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，阈值持续时间为4秒。
9.根据权利要求2所述的方法，其中，压力-流量表被线性外推以确定第一流量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在压力调节器下游处测量操作压力。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，操作压力和第一流量被存储在控制器中，并且其中，控制器使用存储的操作压力和第一流量来修改压力-流量表。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述适应性校准步骤还包括：使第一仪表在第一流量下操作。
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