CN114165635B - 一种数字阀的异步控制方法 - Google Patents

一种数字阀的异步控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字阀的异步控制方法，包括基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线、基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长和根据最优异步时长延迟开阀三个步骤。异步控制方法采用先给定关阀信号，延迟一段时间后，给定开阀信号，从根源上解决数字阀切换时带来的流量冲击问题。该方法通过阀组间的阶跃响应数值仿真得到异步控制时长，而非在某一压力下单独测得具体阀门的响应时长，可以有效避免不同高压气流带来的压差影响下导致各阀门响应时长不同带来的控制影响。该技术在风洞试验的数字阀流量控制中首次使用，解决了数字阀切换导致的流量冲击问题以及某些流量目标点控制振荡的难题。

Description

一种数字阀的异步控制方法
技术领域
本发明涉及实验空气动力学领域，具体涉及到一种数字阀的异步控制方法。
背景技术
在空气动力学实验中，喷流模拟、动力部件驱动等都需要使用高压气体。在使用过程中，高压气体的流量的控制至关重要。数字阀具有可调范围宽、控制精度高、响应速度快、结构简单、鲁棒性强、可靠性高等特点，数字阀主要由文丘里喷嘴与先导式电磁阀按照二进制规律排列组合而成。系统先通过开关不同的电磁阀来控制每路管道的通断以达到组合出不同流量的目的。
尽管数字阀已经在实验空气动力学领域大量应用，但在实际使用过程中发现数字阀在切换时存在流量冲击的问题，这种流量冲击对于控制系统来说极为不利，会导致系统振荡，稳定时间长等。数字阀的切换在理论上是瞬间实现的，但数字阀阀门的通断要通过电磁阀的开闭来控制。电磁阀的响应时间虽然很快，但是研究发现流量冲击是由于在高压气源作用下，虽然开关阀信号是同时给定，但是开阀过程明显快于关阀过程，导致直接切换阀门时上一个状态阀门还没关闭，下一个状态阀门已经打开了。在实际工况下，由于高压气流带来的压差以及流动的共同作用，阀门的闭合明显滞后于开启，并且不同流通面积的阀门的开启和闭合时间也不一致。因此，如果采用开关阀门信号同步输出的方式，就会导致某一个状态，所需要关的阀门还未关闭，所需开的阀门已经完全打开，这种流量冲击对于控制算法来说就相当于一个强烈的扰动，需要设计一种新的方法来抑制其产生的流量冲击。
已公开的专利2021106349938，记载了一种采用考虑阀门响应时间的数字阀控制系统及控制方法，该方法通过测算每只数字阀的开启与关闭的响应时间然后来实现数字阀的控制，该方法理论上可以达到同步开启与关闭的过程，但是实际上如果仅依靠阀门实际滞后时间来开关阀门，依然会产生流量冲击。如图2所示，阀组开启和关闭的起步阶段流量曲线可以看到，开阀滞后时间为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
时明显更陡峭，这说明阀门开启过程更快。而关阀的滞后时间
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
时关阀流量更平缓，说明阀门关闭过程更长，因此导致了如果仅延迟1s后开阀，依然会造成流量冲击，如图3延迟开阀时间1s的流量曲线所示。两组阀门实际滞后时间仅相差1s，那么理论上延迟1s开阀可以达到开启与关闭阀门同步的过程，但是实际上如上述所示还是有一定流量冲击。所以要使切换阀组时无冲击流量且流量稳定更快，不仅要考虑开关过程的滞后时间差，也要考虑其关阀过程更慢导致仍然无法完全同步所导致的流量冲击问题。
发明内容
本发明的目的提出一种数字阀的异步控制方法，解决在实际控制过程中数字阀在切换时产生的流量冲击问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种数字阀的异步控制方法，其特征在于包括三个步骤，分别为：
S1：基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线
S11: 阀门开启的数据采集
打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量完全稳定的时刻，在该时刻阀门的流量记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
S12: 阀门关闭的数据采集
打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，当该阀门流量完全稳定后，该阀门的流量记为
Figure 821743DEST_PATH_IMAGE003
，关闭该阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量为0的时刻，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
；
S13：阀组的阶跃响应曲线
将所有需要关闭的阀位阶跃曲线
Figure 145408DEST_PATH_IMAGE005
相加记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，将所有需要打开的阀位阶跃曲线
Figure 63161DEST_PATH_IMAGE004
相加记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，延迟t秒开阀的阶跃响应曲线即为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
；
S14：预测阀组切换时的阶跃响应曲线
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，为开关阀组的阶跃曲线相加
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
；
其中：t为延迟时长，当
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
时，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
；
S2：基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长；
S21：采用误差绝对值在时间域上积分性能指标作为参数选择的最小目标函数，选取一个最优指标来指导程序选择目标曲线，所述最优指标为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
，
其中：
Figure 615628DEST_PATH_IMAGE003
为流量稳定值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
为延迟n秒开阀的仿真曲线；
S22：当产生流量冲击时，流量的冲击量作为最优指标的一项为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为权值；
S23：根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，其最小的代价
Figure DEST_PATH_IMAGE017
对应的即为根据代价函数选取的最优流量曲线，此时最优的延迟开阀时间即为其最小代价的角标n；
S3：根据最优异步时长延迟开阀
S31：在控制算法给定控制量后，确定需要开启的阀门，异步控制方法采用先给定关阀信号，根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，延迟该时长后给定开阀信号；
S32：在每次需要切换阀门时，都需要重复执行S21-S31。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过阀组间的阶跃响应数值仿真得到异步控制时长，而非在某一压力下单独测得具体阀门的响应时长，可以有效避免不同高压气流带来的压差影响下导致各阀门响应时长不同带来的控制影响。
本发明可以有效预测切换阀门时不同异步时长的影响，预测与实测十分吻合，本发明可以更好通过预测、选择、执行得到更好的控制效果，本发明以满意的流量曲线作为指标来优化后进行控制，而非测量阀门响应时间后依靠同步开关阀的滞后时间来控制，避免了其关阀过程更慢导致仍然无法完全同步所导致的流量冲击问题。
本发明可以从根源上解决数字阀切换时带来的流量冲击问题。传统方案为开关阀信号同步输出，但是由于高压气源作用下数字阀开启关闭过程不对称，关阀时间实际上滞后了开阀时间，异步控制方法采用先给定关阀信号，延迟一段时间后，给定开阀信号，可以从一定程度上改善开启关闭过程的不对称，从根源上解决数字阀切换时带来的流量冲击问题，确保了设备长期稳定运行，延长了设备使用寿命。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是控制方法的流程示意图；
图2是开关阀组的阶跃响应曲线；
图3是不同延迟时间开阀对流量冲击的影响图；
图4是仿真与实测流量曲线图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 所示为控制方法的流程示意图，本实施例的控制方法包括基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线、基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长、根据最优异步时长延迟开阀三个步骤。
首先，基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线，分为四个过程：
阀门开启的数据采集，打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量完全稳定的时刻，在该时刻阀门的流量记为
Figure 443382DEST_PATH_IMAGE003
，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为
Figure 734686DEST_PATH_IMAGE004
。
阀门关闭的数据采集，打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，当该阀门流量完全稳定后，该阀门的流量记为
Figure 939402DEST_PATH_IMAGE003
，关闭该阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量为0的时刻，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为
Figure 341565DEST_PATH_IMAGE005
。
阀组的阶跃响应曲线，将所有需要关闭的阀位阶跃曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE018
相加记为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，将所有需要打开的阀位阶跃曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE020
相加记为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，延迟t秒开阀的阶跃响应曲线即为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
如图2所示，阀组开启和关闭的起步阶段流量曲线也可以明显看到，开阀滞后时间为
Figure 227088DEST_PATH_IMAGE001
时明显更陡峭，这说明阀门开启过程更快。而关阀的滞后时间
Figure 689293DEST_PATH_IMAGE002
时关阀流量更平缓，说明阀门关闭过程长。从另一个方面看，两组阀门实际滞后时间仅相差1s，那么理论上延迟1s开阀可以达到开启与关闭阀门同步的过程，但是实际上在高压气源作用下关阀过程变慢，导致的关阀流量变化比开阀流量变化更缓慢，所以延迟1s开阀还是有一定流量冲击，所以要使切换阀组时无冲击流量且流量稳定更快，不仅要考虑开关过程的滞后时间差，也要考虑其关阀过程更慢导致仍然无法完全同步所导致的流量冲击问题。
如图3所示为不同延迟时间开阀对流量冲击的影响图，在I区内，可以认为此时流量冲击原因在于控制量255（0 1111 1111）的阀位还未完全关闭的同时256（1 0000 0000）时已经打开。此时可认为阀门开启状态为（1 1111 1111），即流量在切换阀门共同作用下，表现为流量冲击。在II区内，此时认为控制量255（0 1111 1111）的阀位已经完全关闭同时256（1 0000 0000）为打开状态，但是由于供气系统管路比较长，在I区产生的冲击流量存在于管路内，尽管阀位已经切换，但是却导致流量稳定缓慢。由上述描述可知通过延迟时间开阀的异步控制方法能够使数字阀组延迟开启，避免了由数字阀组切换时间不同步造成的流量冲击问题，获得了较好控制效果。
预测阀组切换时的阶跃响应曲线，预测阀组切换时的阶跃响应曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，为开关阀组的阶跃曲线相加
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
其中：t为延迟时长，当
Figure DEST_PATH_IMAGE025
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
本实施例基于阀门阶跃响应仿真流量曲线的方法，可以有效通过仿真方法得到不同延迟开阀时间下切换阀门的仿真流量曲线，如图4所示为控制量255阀组切换控制量256阀组的实际流量曲线与仿真流量曲线。根据该方法，通过数值计算得到的仿真曲线与实测曲线基本吻合。同时基于该方法，进行了大量不同数字阀组的切换试验，该数值仿真方法均能够预测实际流量曲线。
其次，基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长
通过该数值仿真方法可以计算不同延迟时间开阀时切换阀组的仿真流量曲线，如何在线实时找到无冲击、稳定快的流量曲线也是一个重点。因此本发明公开了一种基于代价函数选取最优流量曲线的方法，该方法在切换阀门时，通过上述仿真方法计算n组仿真流量曲线，并且通过代价函数选取无冲击、流量稳定最快的曲线，然后返回该延迟时长来自动延迟开阀，具体基于代价函数选取最优流量曲线的方法如下：
选取一个最优指标来指导程序选择目标曲线。
为获取满意的过渡过程动态特性的仿真流量曲线，采用误差绝对值在时间域上积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。对于本系统，选用下式作为参数选取的最优指标：
Figure 725513DEST_PATH_IMAGE013
，
其中：
Figure 931367DEST_PATH_IMAGE003
为流量稳定值，一般取数字阀开阀阶跃响应曲线F(x)稳定值，
Figure 658014DEST_PATH_IMAGE014
为延迟n秒开阀的仿真曲线。
为了避免流量冲击，本实施例采用了惩罚功能，即一旦产生流量冲击，将流量冲击量作为最优指标的一项，此时最优指标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
其中：
Figure 494383DEST_PATH_IMAGE016
为权值。
对于本系统，控制系统在进行阀位切换时，会计算N组仿真流量曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，每组间隔0.1s，并且通过上述代价函数，对每组仿真流量曲线
Figure 139604DEST_PATH_IMAGE029
分别计算得到其相应的代价
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。
根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，其最小的代价
Figure 86831DEST_PATH_IMAGE031
对应的即为根据代价函数选取的最优流量曲线，此时最优的延迟开阀时间即为其最小代价的角标n。
最后，根据最优异步时长延迟开阀：
控制算法给定控制量后，就已经确定需要开哪些阀门，异步控制方法采用先给定关阀信号，根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，延迟该时长后给定开阀信号。
在实际运行时，每次需要切换阀门时，都需要重复执行基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长这个步骤。
最终该数字阀的异步控制方法试验结果如表1所示：
表1 不同阀组切换对比
Figure 933564DEST_PATH_IMAGE033
其中CA、CB分别为数字阀切换当前阀位控制量与待切换阀位控制量，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为未采用异步控制与采用了异步控制产生的冲击量/稳态流量的比值，
T为基于代价函数计算出来的最佳延迟开阀时间，
Figure 675255DEST_PATH_IMAGE035
为采用异步控制后流量稳定时间。
试验结果表明：异步控制技术在不同阀门组切换时，均能有效抑制流量冲击。这说明数字阀的异步控制方法完全满足数字阀对于流量稳定性快速性的要求。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (1)

1.一种数字阀的异步控制方法，其特征在于包括三个步骤，分别为：
S1：基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线
S11:阀门开启的数据采集
打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量完全稳定的时刻，在该时刻阀门的流量记为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
S12:阀门关闭的数据采集
打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，当该阀门流量完全稳定后，该阀门的流量记为
Figure 427258DEST_PATH_IMAGE001
，关闭该阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量为0的时刻，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
S13：阀组的阶跃响应曲线
将所有需要关闭的阀位阶跃曲线
Figure 219764DEST_PATH_IMAGE003
相加记为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，将所有需要打开的阀位阶跃曲线
Figure 373403DEST_PATH_IMAGE002
相加记为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，延迟t秒开阀的阶跃响应曲线即为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
S14：预测阀组切换时的阶跃响应曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，为开关阀组的阶跃曲线相加
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
其中：t为延迟时长，当
Figure DEST_PATH_IMAGE009
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
S2：基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长；
S21：采用误差绝对值在时间域上积分性能指标作为参数选择的最小目标函数，选取一个最优指标来指导程序选择目标曲线，所述最优指标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
其中：
Figure 273007DEST_PATH_IMAGE001
为流量稳定值，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为延迟n秒开阀的仿真曲线；
S22：当产生流量冲击时，流量的冲击量作为最优指标的一项为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为权值；
S23：根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，其最小的代价
Figure DEST_PATH_IMAGE015
对应的即为根据代价函数选取的最优流量曲线，此时最优的延迟开阀时间即为其最小代价的角标n；
S3：根据最优异步时长延迟开阀
S31：在控制算法给定控制量后，确定需要开启的阀门，异步控制方法采用先给定关阀信号，根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，延迟该时长后给定开阀信号；
S32：在每次需要切换阀门时，都需要重复执行S21-S31。
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