高壓氣體壓力控制系統(tǒng)分析

郝紅英 陳世瓊

（西昌學(xué)院 汽車與電子工程學(xué)院，四川 西昌 615013）

1 HPGCS 工作原理及特性分析

1.1 HPGCS 工作原理及操作過程

1.1.1 工作原理

HPGCS 是壓力計(jì)量中對壓力精密控制的關(guān)鍵器件，其系統(tǒng)主要由氣源、比例電磁閥、氣容、測壓傳感器、控制器、微調(diào)器、步進(jìn)電機(jī)和各種連接安裝器件組成，各部件功能如下。

（1）氣源用于提供高壓氣，一般為氣瓶或壓力儲(chǔ)罐，實(shí)際壓力值會(huì)隨調(diào)壓工作過程變化，為簡化處理，可認(rèn)為其為一恒定值。

（2）進(jìn)排氣閥能根據(jù)控制要求以一定的開度進(jìn)行開啟，從而實(shí)現(xiàn)氣源與系統(tǒng)或系統(tǒng)與大氣的連通，完成HPGCS 的進(jìn)氣或排氣。

（3）控制器用于檢測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)壓力值，接受用戶輸入設(shè)置，按照一定的控制策略實(shí)現(xiàn)對進(jìn)排氣閥、步進(jìn)電機(jī)的控制，最終使系統(tǒng)輸出滿足用戶設(shè)定要求的壓力。

（4）壓力檢測元件是能實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)壓力值的元器件，一般為壓力傳感器或壓力變送器。

（5）氣容是系統(tǒng)負(fù)載部分，也是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵對象。 本文所研究的氣容為非消耗型氣容， 即該氣容容積空間中的氣體在工作過程中其物質(zhì)的量無變化 （忽略可能存在的少量滲漏干擾）。 對于消耗型氣容負(fù)載系統(tǒng)，通常采用流量調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行控制，不在本文研究范圍。

（6）連接器件是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全連接，提供氣流通路的管路和連接件，其材質(zhì)一般為不銹鋼，按剛體考慮（即不存在彈性變形），故系統(tǒng)容積不受內(nèi)部壓力變化影響。

系統(tǒng)工作原理：通過改變固定容積空間內(nèi)氣體物質(zhì)的量來改變其壓力（進(jìn)排氣過程），通過改變一定物質(zhì)的量的氣體的容積空間來改變其壓力（微調(diào)過程）。

1.1.2 操作過程

其工作流程如圖1 所示。

控制實(shí)施時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行粗調(diào)：先通過檢測元件獲取系統(tǒng)當(dāng)前壓力值，然后與設(shè)定值相比較，按照設(shè)定規(guī)則進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)排氣閥的控制，使系統(tǒng)壓力值獲得改變。當(dāng)系統(tǒng)壓力值達(dá)到一個(gè)設(shè)定的轉(zhuǎn)換限時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入微調(diào)（精確調(diào)節(jié)或精調(diào)）階段。 精調(diào)階段：系統(tǒng)通過微調(diào)器對系統(tǒng)壓力實(shí)施精細(xì)調(diào)節(jié)，最終使輸出壓力值滿足設(shè)定精度要求。

系統(tǒng)具有分層遞階式控制的特點(diǎn)， 輸出具有較高的精度，體現(xiàn)出智能多模態(tài)控制的特點(diǎn)。

1.2 HPGCS 特性分析

HPGCS 中高壓氣體在進(jìn)行充放氣時(shí)具有以下顯著特征：

1.2.1 非線性。 氣流在HPGCS 中的流動(dòng)受其結(jié)構(gòu)影響，事實(shí)上，HPGCS 結(jié)構(gòu)中存在各種形狀的流通通路， 各自對氣流都有很強(qiáng)的影響，使得進(jìn)排氣時(shí)氣流呈現(xiàn)明顯的紊流特性。 因此，系統(tǒng)壓力的變化表現(xiàn)為明顯的非線性特征， 難以用簡單公式進(jìn)行描述。

1.2.2 遲滯性。 氣流進(jìn)入HPGCS 容積中不可能瞬時(shí)完成均勻混合，而是一個(gè)內(nèi)壓逐步平和的過程，系統(tǒng)因此表現(xiàn)出明顯的遲滯性特征。

1.2.3 震蕩特性。 系統(tǒng)即使完成了進(jìn)排氣或其他影響氣流的操作，由于氣流在密閉容積空間的傳播特性，在遇到其邊界時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，從而在容積空間中引起壓力震蕩，需要經(jīng)過一定的時(shí)間才能穩(wěn)定下來。

1.2.4 不準(zhǔn)確性。 實(shí)際測量時(shí)，傳感器只能布置在系統(tǒng)特定位置，所測結(jié)果難以準(zhǔn)確反映整個(gè)系統(tǒng)壓力狀況，即系統(tǒng)測量具有不準(zhǔn)確性，具有明顯的局部特性，這也表現(xiàn)為遲滯性和震蕩性。

圖1 HPGCS 操作過程

2 HPGCS 技術(shù)要求、理想調(diào)壓特性及控制策略選擇

2.1 HPGCS 技術(shù)要求

對于全自動(dòng)HPGCS，在用于壓力儀表檢定校準(zhǔn)時(shí)，由操作者通過按鈕設(shè)置其控制輸出壓力值，在輸出穩(wěn)定后，以此為標(biāo)準(zhǔn)同被檢設(shè)備的值進(jìn)行比較完成其校準(zhǔn)檢定工作。 系統(tǒng)基本要求如下：（1）數(shù)字式的配置管理模式，即能通過數(shù)字輸入設(shè)定需要的輸出結(jié)果；（2）自動(dòng)的動(dòng)作響應(yīng)，可自動(dòng)快速完成調(diào)壓工作，工作中不需人工干預(yù)；（3）高精度的輸出結(jié)果，可直接用作標(biāo)準(zhǔn)值，滿足計(jì)量相關(guān)規(guī)程要求。

據(jù)此， 結(jié)合計(jì)量規(guī)程及使用要求可知，HPGCS 作為壓力計(jì)量的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)性能基本要求應(yīng)包括以下內(nèi)容：（1）沖擊小。 調(diào)壓過程應(yīng)盡可能平穩(wěn)，避免壓力的較大波動(dòng)，確保能精確地反映被檢設(shè)備的性能，避免設(shè)備受到?jīng)_擊損壞。 （2）超調(diào)量小。檢定規(guī)程明確要求在進(jìn)行壓力示值檢定校準(zhǔn)時(shí)， 應(yīng)平穩(wěn)地升壓或降壓，避免沖擊和回程。 因此，HPGCS 的超調(diào)量要小，否則難以達(dá)到平穩(wěn)升降壓的要求。 一般來說，系統(tǒng)的超調(diào)量應(yīng)小于其校準(zhǔn)檢定對象允許誤差。 （3）響應(yīng)時(shí)間短。 由于高壓氣體在受到壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，因此，其穩(wěn)定時(shí)間對系統(tǒng)影響較大，一般一臺(tái)工作性能良好的HPGCS，其從開始調(diào)壓到穩(wěn)定輸出應(yīng)在30s 內(nèi)。（4）穩(wěn)態(tài)誤差小。 為實(shí)現(xiàn)對被檢設(shè)備的有效校準(zhǔn)檢定，要求標(biāo)準(zhǔn)器部分所帶來的誤差應(yīng)小于被檢允許誤差的1/3，故系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)盡可能小。 根據(jù)實(shí)際使用要求，HPGCS 輸出穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)小于被檢允許誤差的1/3，考慮各種不確定度的影響，其輸出穩(wěn)態(tài)誤差為被檢允許誤差的1/4 為宜。

2.2 HPGCS 理想調(diào)壓特性

想象HPGCS 的理想調(diào)壓（升壓）特性應(yīng)是：在初始階段，系統(tǒng)以較快速度上升，此時(shí)閥門輸入開度增益達(dá)到最大。隨著輸出增大，開度增益逐漸減小，但系統(tǒng)輸出開始逐漸變緩，直到系統(tǒng)輸出接近設(shè)定值時(shí)，閥門開度到達(dá)零，隨后系統(tǒng)持續(xù)緩慢變化直到輸出等于設(shè)定值。降壓與此類似。因此系統(tǒng)理想調(diào)壓特性曲線（10MPa 到15MPa）可用圖2 表示。

圖2 反映的工作特性是，在起始時(shí)由于系統(tǒng)遲滯和閥門開度影響，其上升速度很慢。 隨后閥門開度達(dá)到最大，系統(tǒng)快速上升，達(dá)到一定值后系統(tǒng)閥門開度逐漸減少，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的緩慢補(bǔ)壓，直到輸出趨近設(shè)定輸出值，關(guān)閉閥門的同時(shí)系統(tǒng)輸出壓力基本穩(wěn)定。 理想調(diào)壓特性顯示，系統(tǒng)輸出壓力平穩(wěn)、無超調(diào)、無穩(wěn)態(tài)誤差，顯然滿足HPGCS 既定要求。

圖2

事實(shí)上，這種理想情況是不存在的，而且對于電控閥要實(shí)現(xiàn)精確的無級開度調(diào)整非常困難， 因?yàn)楦邏合缕溟y座密封的狀態(tài)在變化，相同開度可能隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)較大變化。根據(jù)相關(guān)研究，采用直動(dòng)電磁閥控制的氣壓系統(tǒng)，其壓力輸出脈動(dòng)往往較為明顯。 因此，為降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度，同時(shí)滿足系統(tǒng)快速性和高精度要求，可參照現(xiàn)有手動(dòng)HPGCS 的分段調(diào)壓模式，即將系統(tǒng)分為粗調(diào)和精調(diào)兩種過程。 在調(diào)壓前期，誤差較大時(shí)采用電控閥調(diào)節(jié)，在接近輸出設(shè)定值時(shí)采用微調(diào)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而有效降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本，同時(shí)通過微調(diào)器的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度輸出。

圖3 HPGCS 控壓輸出曲線比較

HPGCS 理想控壓輸出曲線、 常規(guī)控壓輸出曲線 （10MP 到20MPa 增壓過程）如圖3 所示。

2.3 HPGCS 控制策略選擇

為確保HPGCS 滿足使用要求， 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)特性選擇控制策略。 為有效選用系統(tǒng)的控制模型，通常可采用一定的測試方法對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，通過測試反映系統(tǒng)的響應(yīng)特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行控制策略選擇。 對于用于計(jì)量的高壓氣體壓力控制系統(tǒng)，要求極高，其壓力精確度控制難度較大，故需進(jìn)行更為詳盡全面的分析。

根據(jù)HPGCS 技術(shù)要求，系統(tǒng)應(yīng)具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差小的特點(diǎn)， 而一般的PID 控制算法難以兼顧系統(tǒng)多個(gè)指標(biāo)。因此，為保證HPGCS 滿足計(jì)量需要，采用智能控制算法是最佳途徑。

由于經(jīng)典控制的時(shí)域性能和復(fù)域性能指標(biāo)只能作為傳統(tǒng)單模態(tài)控制最后調(diào)整的工具，控制設(shè)計(jì)無法兼顧他們。 傳統(tǒng)最優(yōu)控制的誤差泛函積分性能指標(biāo)也只是各種經(jīng)典時(shí)域性能指標(biāo)的折衷，難以做到他們之間的兼顧，實(shí)現(xiàn)的只是指定指標(biāo)的最優(yōu)。因此，為實(shí)現(xiàn)各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)，研究世界上最高級、最有效的控制系統(tǒng)—人類自身表現(xiàn)出來的控制機(jī)制，并用機(jī)器加以模仿，這是研究自動(dòng)控制的重要途徑。 比較目前常用的控制策略可知，智能控制更能適應(yīng)復(fù)雜高精度系統(tǒng)的控制。 其中， 仿人智能控制（HISC）策略對實(shí)現(xiàn)類似HPGCS 這樣具有非線性、遲滯性且要求無超調(diào)、無靜差的系統(tǒng)效果良好，故采用HISC 作為HPGCS 的控制策略是一種解決問題的有效途徑。

大量研究表明，HISC 算法在解決非線性、 遲滯性上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能有效調(diào)和系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和超調(diào)量的關(guān)系，可以極為簡單的輸入?yún)?shù)量實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的高精度控制， 其采樣傳感器數(shù)量較少，對于控制精度要求極高的場合，其制作成本可得到較好控制。 因?yàn)镠PGCS 系統(tǒng)具有典型遲滯特性和非線性特征，引入仿人智能控制是一種比較合理的選擇。

2.4 研究思路

根據(jù)前面的分析， 確定系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)研究的基本思路如下：（1）首先介紹HISC 的基本思想及其應(yīng)用的基本步驟；（2）根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段和條件， 構(gòu)建HPGCS 硬件結(jié)構(gòu)；（3）研究HPGCS 所用控制執(zhí)行元器件的工作特性， 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支持；（4）綜合分析HPGCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 完成控制算法詳細(xì)設(shè)計(jì)；（5）對系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效果。

2.5 HPGCS 技術(shù)指標(biāo)

本文所研究的HPGCS 擬實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 工作范圍為（0～60）MPa；量程上限為（10～60）MPa；超調(diào)量＜0.1%PF（PF 系統(tǒng)量程）； 響應(yīng)速度為每次步進(jìn)小于30s； 輸出精度為0.1%PF；步進(jìn)能力為2MPa、5MPa、10MPa。

3 結(jié)語

本文主要介紹了HPGCS 的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)和技術(shù)要求，給出了HPGCS 的主要元器件及其功能特點(diǎn)。 在比較現(xiàn)有的常用控制策略的基礎(chǔ)上，指出HPGCS 控制策略應(yīng)選擇采用智能控制，確保其能解決HPGCS 難以采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確描述的問題，介紹了開展研究的基本思路和所研究的HPGCS擬實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)。

[1]屠立猛.JJG 544-1999.壓力控制器檢定規(guī)程[S].北京：中國計(jì)量出版社，2000：1-3.

[2]王福生，孟曉風(fēng).一種氣體壓力控制方法及應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2001（4）：26-27.