| 氣動薄膜調節閥控制系統工作過程的動態仿真 | ||||||||||||
| 來源：哲成閥門 作者：www.xianykeji.com 發布時間：2016-9-17 閱讀：次 | ||||||||||||
| 氣動薄膜調節閥控制系統工作過程的動態仿真 摘要: 借鑒氣體減壓器動態仿真的有限體積模型發展了一種可仿真氣動薄膜調節閥動態流場的有限體積模型, 并結合簡單的比例- 積分- 微分( PID) 控制算法, 發展了一種可仿真氣動薄膜調節閥控制系統工作過程的動態仿真模型。采用此模型, 運用模塊化建模與仿真方法對氣動薄膜調節閥控制液體火箭發動機貯箱壓強的簡化系統進行了動態工作過程仿真, 比較了不同PID 參數和初始參數設置情況下的控制品質。數學模型和建模方法顯示出較好的有效性和通用性。 關鍵詞: 氣動薄膜調節閥; 有限體積法; PID 控制; 動態仿真 中圖分類號: V432 文獻標識碼: A 文章編號: (2006) 06- 0028- 07 1 引言 氣動薄膜調節閥是氣動執行器的品種之一,與氣動或電動(配用電- 氣轉換器) 調節儀表等聯 接后, 用于工業生產過程的自動調節和遠程控制。作用是通過調節薄膜氣室中控制氣的壓強來調節閥芯開度以定量的調節介質流量, 從而達到調節所需參數( 壓強、流量、溫度、液位等) 的目的。氣動薄膜調節閥控制系統仿真一般包括兩個關鍵技術: 流場數值模擬、比例積分微分( PID) 控制算法與參數整定。 流場數值模擬方面, 在一般調節閥動態仿真的研究上, 文獻[1]采用傳遞函數方法和等溫流動假設對某氣體管路系統進行了建模, 其調節閥控制方式為開式控制, 文獻[2]采用特征線法對某液體調節閥的流量特性進行了研究, 文獻[3]對GX- 1型調節閥進行了試驗和三維數值模擬, 主要側重于揭示調節閥內部流場結構而非對系統控制過程的研究。在氣動薄膜調節閥的研究上, 通常側重于原理和應用[4,5], 與數值建模和動態仿真相關的研究國內尚未發現公開文獻, 由于其原理和氣體減壓器相似, 可以借鑒減壓器的動態仿真模型開展數值研究。文獻[6]從可壓縮瞬變流一維守恒形式的連續方程和能量方程出發, 通過對有限元狀態變量模型[7] 推導過程的拓展獲得了適用于變體積容腔的氣體容積模型, 并結合氣體管道、氣體閥門的有限元狀態變量模型, 通過對三者的組合運用發展了一種可仿真氣體減壓器動態流場的有限體積模型, 改進了以往模型的不足之處, 但是其模型忽略了容腔體積變化時流體的膨脹功。 PID 控制算法與參數整定方面, 已研究得比較充分, 在應用中基于系統響應特性采用湊試法確定比例、積分、微分環節的參數值即可達到良好的控制效果。 本文借鑒氣體減壓器動態仿真的有限體積模型, 通過考慮膨脹功改進了變體積氣體容積的數學模型, 發展了一種可仿真氣動薄膜調節閥動態流場的有限體積模型, 并結合簡單的PID 控制算法, 發展了一種可仿真氣動薄膜調節閥控制系統工作過程的動態仿真模型。 2 改進的變體積氣體容積數學模型 忽略管流的軸向熱傳導, 忽略重力場影響,考慮流體由于體積變化所作的膨脹功, 可壓縮流 體一維流動守恒形式的能量方程為
式中, 單位體積總能量E= ρ(e+u2/2), e 為單位體積的內能; p 為壓強; u 為流速; A 為管道截面積; V 為控制體的體積; q! 為管壁對控制體的單位面積上的熱流密度; C 為管道周長。 對于有多個入口(n_in) 和出口(n_out) 的體積可變的氣體容積, 假設氣體管流為一維理想氣體絕熱流動, 其中的壓強、密度、單位體積總能量等狀態參數是瞬時一致和均勻的, 忽略容腔中低速(Ma<0.3) 氣體動能的影響, 從上述方程出發可推得能量方程為
上式結合連續方程, 即為改進的變體積氣體容積數學模型。式中, γ為氣體比熱比, QV、 Qm 分別為體積流量和質量流量, 上標in、out 表示邊界參數采用迎風格式。 3 調節閥流場數值模型 圖1 為某氣動薄膜調節閥的結構示意圖, 型號為反作用氣開式套筒閥, 公稱壓力PN6.4MPa,公稱通徑DN25mm, 薄膜氣室( 控制腔) 中控制氣壓強可調范圍為0.020～0.100MPa ( 表壓) , 閥芯行程為0～16mm, 套筒上所開窗口的大小和幾何形狀決定了流通能力的大小和流量特性, 以下將以這種調節閥為例建立其有限體積模型。 圖2 為氣動薄膜調節閥的有限控制體積網格, 其邊界處為相連氣體管道的邊界網格, 把調節閥視為由高壓腔、低壓腔和卸荷腔三個氣體容積組合而成, 氣體容積之間由局部流阻連接。高壓腔可視為體積恒定的氣體容積, 低壓腔和卸荷腔的體積隨閥芯的開合變化較大, 需要視為變體積氣體容積。 3.1 高壓腔和低壓腔 連續方程
式中, 溫度計算公式: 3.2 閥芯節流處 閥芯節流質量流量方程為
式中, Av1 為閥芯處的流通截面積; Cd1、Cd1′為流量系數表征閥芯的節流特性, 其值為h 的函數,需要通過試驗針對不同種類的閥芯建立Cd1、Cd1′～h 曲線, 且對不同的流體介質要依據粘度和密度作適當修正。 假設套筒上對稱開兩個Φ16mm 的圓孔, 則流通截面積
特定截面處局部流速計算公式 3.3 卸荷孔節流處 卸荷孔質量流量方程為
式中, 卸荷孔流通截面積 3.4 卸荷腔 連續方程 能量方程 3.5 力平衡方程 為了系統求解時采用Runge- Kutta 法, 把二階微分方程形式的力平衡方程降階為
閥芯運動時的阻尼系數
式中, C1、Cm 分別為彈簧、膜片的剛度, CΣ為兩者之和; x0、x1 分別為閥芯完全關閉( h=0) 時膜片、彈簧的壓縮量; p4 為控制氣壓強; Am′為控制腔氣體作用在膜片上的有效面積; A′2 、A′3 分別為低壓腔、卸荷腔氣體作用在閥芯上的有效面積;mVC 為閥芯質量。 4 調節閥壓強信號控制PID 算法 PID 控制器基于負反饋原理, 離散化后的數字增量式PID 控制算式為
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| 本文Tag：氣動薄膜調節閥、氣動控制閥、氣動套筒調節閥、氣動多有降壓調節閥 | ||||||||||||
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分別為閥芯開度為h 和h=0 時的卸荷腔體積, d3 為卸荷腔內徑, dc1 為閥桿直徑。
式中, R 為氣體常數。
，在逆向流動的情況下, 即方程(7) 在0≤p2<p3 時, p2、p3位置交換并在質量流量結果前加上負號。
