基于PCM數字閥和針形閥的流量調節裝置設計

康洪銘， 霍 國， 成 壘， 陳輔政， 唐 領

(中國空氣動力研究與發展中心， 四川 綿陽 621000)

引言

進氣道試驗、噴流試驗、吹氣流動控制、渦扇動力模擬是風洞試驗的重要組成部分，為我國發動機進氣道氣動力的設計和改進，以及飛行器氣動布局部件的優化提供相關的性能參數[1-2]。隨著試驗技術研究的不斷深入，高壓供氣控制系統作為風洞試驗的最為基礎和關鍵的環節，對氣體流量控制品質提出了更高的要求，如何提高流量控制精度、擴寬流量調節范圍、縮短調節時間以及保證系統穩定可靠運行是供氣試驗技術不斷發展和進步的重要研究內容。

目前高壓供氣試驗通常采用模擬調節閥或者數字閥來調節流量。其中，模擬調節閥在自動控制領域發揮著重要作用，它通過接受調節控制單元輸出的控制信號，借助氣動、電動或者液動等動力源去改變流體流量[3-4]。在實際應用中，調節閥通常與管路系統的其他閥門串、并聯使用，導致調節閥上的壓差隨管路的阻力變化或其他閥門開啟程度而改變，從而使調節閥的實際可調比通常低于設計值(通常為30～60)。此外，調節閥還存在控制死區、調節滯后、易堵卡、密封件易磨損等缺陷，因此很難滿足試驗要求。

數字閥作為近幾十年發展起來的流量控制閥門，已大量應用在各行各業中[5-8]，其主要包括脈沖寬度調制(PWM)數字閥和脈沖編碼調制(PCM)數字閥。PWM數字閥通過調節電磁閥的占空比來控制輸出的平均流量，但是電磁閥一直處于高頻開關狀態，零件容易磨損，使用壽命不長，而且高頻電磁閥流量相對偏小，不能滿足大流量的需要，同時會帶來較大的高頻噪聲。PCM數字閥是將噴嘴的喉道面積按照一定規律的排列組合(二進制、斐波那契數列等)實現對流量的控制，使用位數足夠多的數字閥可以解決大流量的問題，但是它是一種有級控制，輸出的流量是離散的，要實現非常高的控制精度就需要設計喉道面積足夠小的噴嘴，但是小口徑噴嘴的制造工藝難度較高，加工誤差會導致進退階時極易發生振蕩。另外電磁閥不同口徑的開關時間存在一定差異，會降低切換過程中的同步性，也會誘發振蕩。

為解決上述問題，本研究采用PCM數字閥和針形閥對氣體流量進行組合調節，能夠有效彌補數字閥和模擬調節閥的不足，同時利用針形閥流量控制的連續性，在有限的數字閥位數下，獲得較高的控制精度和較寬的調節范圍。

1 流量調節原理

為使流量特性不受下游試驗模型狀態變化及背壓的影響，數字閥的噴嘴和針形閥的節流口都采用臨界流噴嘴。當達到臨界狀態，噴嘴喉道流速為音速，流量由入口壓力、溫度和喉道面積唯一確定。在理想狀態下，入口壓力和溫度保持不變，通過控制數字閥和針形閥總的喉道面積，即可實現對流量的精確調節。PCM數字閥各閥位的開閉和針形閥的開度通過流量調節器進行精確控制。

PCM數字閥由多路臨界流文丘里噴嘴與開關閥按照二進制規律排列組合而成，為流量調節提供基準流量。針形閥在此基礎上進行微調，其流量范圍為閥門關閉和最大開度之間連續調節，在針形閥調節過程中，數字閥不進行進位或退位操作。由于針形閥在開啟瞬間及完全開啟這兩個過渡階段的調節性能較差，且存在死區，因此在設計時將調節范圍控制在10%～90%區間內。

流量調節裝置要求總的調節范圍為0.1～8 kg/s，在此將針形閥設計的最大流量定為1 kg/s，實際調節范圍為0.1～0.9 kg/s，數字閥最低位的流量選取0.5 kg/s，并按照四位二進制進行設計，實際調節范圍為0.5～7.5 kg/s。

2 PCM數字閥

PCM數字閥由四位噴嘴喉道面積按照二進制排列的數字閥組成，其數字閥支路如圖1所示。

圖1 數字閥支路示意圖Fig.1 Schematic diagram of digital valve branch

氣流依次通過臨界流噴嘴、高壓軟管、電磁閥后流出，系統通過開關電磁閥來控制每條支路的通斷以達到組合不同流量的目的。

2.1 噴嘴的設計

臨界流噴嘴主要包括臨界流標準噴嘴和臨界流文丘里噴嘴。臨界流標準噴嘴在保持入口壓力p1和溫度不變的情況下，出口壓力p2逐步下降至臨界壓力pC，

通過噴嘴的氣體流量將逐漸增加至臨界流量。通過下列公式可計算得到臨界壓力比為0.528，其中空氣比熱比γ為1.4。

(1)

由于噴嘴入口壓力穩定在10 MPa，為保證噴嘴的臨界流特性，出口壓力必須低于臨界壓力5.28 MPa，因此臨界流標準噴嘴的壓力損耗太大。為使出口壓力得到恢復，采用帶擴壓管的臨界流文丘里噴嘴，其出口壓力的恢復能力與其擴散段尺寸有關。根據文獻[9]，選擇了擴散段面積比為4的噴嘴，在理想條件下，當出口壓力低于0.8937倍入口壓力即8.937 MPa，就能達到臨界狀態，其噴嘴的結構設計如圖2所示。

圖2 臨界流文丘里噴嘴的結構Fig.2 Structure of critical flow venturi-type nozzle

2.2 喉道面積的分配

PCM數字閥通過不同喉道面積的噴嘴可以組合出不同的流量，其調節范圍介于所有電磁閥全開與最低位電磁閥開啟之間，由于微調是靠針形閥控制，因此不需要設計喉道面積足夠小的噴嘴。

數字閥的設計工況是入口壓力為10 MPa、入口溫度為20 ℃，流量為7.5 kg/s，在喉道流速為音速并忽略喉道溫度和黏性流動等影響因素的前提下，根據式(2)可得PCM數字閥需要的喉道總面積為317.61 mm2。

(2)

式中，q—— 質量流量，kg/s

p1—— 噴嘴入口壓力，MPa

t1—— 噴嘴入口溫度，K

A*—— 喉道面積，m2

將數字閥的喉道總面積按照四位二進制分配，經計算，各噴嘴喉道面積分配值及工作流量分配值見表1。

表1 PCM數字閥噴嘴喉道面積及流量表

2.3 電磁閥參數計算

流量系數KV是電磁閥主要的計算參數，表征為閥門流通能力大小，設計時采用入口壓力10 MPa，最大出口壓力8.937 MPa，并按照式(3)進行估算，可得到每個閥位所需要的最大流量系數，結果見表2。

(3)

式中，Q—— 標準狀態下最大流量，Nm3/h

G—— 空氣比重，1.1 kg/ Nm3

t—— 氣體溫度，℃

p1—— 入口壓力，0.1 MPa

p2—— 出口壓力，0.1 MPa

Δp—— 入口與出口的壓力差，

Δp=p1-p2，0.1 MPa

表2 數字閥流量系數計算與電磁閥選型Tab.2 Digital valve flow coefficient calculation and magnetic valve selection

電磁閥選用GSR二位二通系列開關閥，其流量系數越大，工作壓降就越小。為降低電磁閥對噴嘴的影響，對應電磁閥的流量系數應盡量選大，因此選擇電磁閥型號時，在計算得到最大流量系數的基礎上再考慮一倍余量。

3 針形閥

3.1 流量特性分析

在工業自動控制系統中，調節閥具有一定的靜態和動態特性，將直接影響到系統的穩定和自動調節過程的品質，其流量特性是指介質通過閥的相對流量與其相對位移之間的關系，見式(4)。

(4)

式中，qV—— 調節閥在某一開度下的流量

qVmax—— 調節閥在全開狀態下的流量

l—— 調節閥在某一開度下閥芯的位移

L—— 調節閥在全開狀態下閥芯的位移

為了便于分析，假定調節閥兩端壓差不變，可以得到調節閥的固有流量特性，主要分為直線、快開、等百分比和拋物線4種，如圖3所示。此時的可調比稱為理想可調比R，其含義為在可控范圍內流量最大值與最小值的比值?？烧{比的大小和調節閥的結構有關，在本研究設計中選取30。

圖3 調節閥的固有流量特性Fig.3 Inherent flow characteristics of regulating valve

在上述4種流量特性中，快開不作為調節閥使用，從調節性能上看，等百分比調節穩定，性能最好，拋物線次之，直線最差，因此選用了等百分比流量特性，其關系見式(5)。等百分比特性的調節閥在各點所引起的流量變化都與該點的流量成正比，其流量變化的百分比是相等的，優點在于流量小時流量變化較小，流量大時流量變化就大，在不同的開度上具有相同的調節精度[10-11]。

(5)

在實際的工作過程中，調節閥通常串聯或并聯在管路系統中，閥前后的壓差總是變化的，閥的壓降分配比和旁通閥的流量也對調節閥的流量特性產生影響，造成特性曲線的畸變，這時的流量特性稱為工作流量特性。由于針形閥的節流口采用與數字閥相同的臨界流文丘里噴嘴結構，不受閥后壓力影響，同時閥前壓力始終穩定在10 MPa，因此該針形閥工作流量特性與固有流量特性相差不大，在實際應用中可以通過PID調節器的閉環控制進行調節。

3.2 結構設計

針形閥主要由腔體、孔板、喉道、閥芯等部分組成，詳細結構如圖4所示。

圖4 針形閥結構示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of needle valve

針形閥的流量控制是通過改變節流口面積來實現，而節流口面積的改變通過閥芯的軸向運動來實現。閥芯尾部通過套筒與作動筒相連，將作動筒的運動轉換為閥芯的軸向運動。為防止腔體內氣流不均勻對閥芯的運動穩定性造成影響，設計了圓筒孔板來進行整流，以降低閥芯附近的氣流不均勻度。為防止長期使用引起的密封面泄漏對試驗和安全造成影響，在針形閥支路上串聯1個開關電磁閥，能夠在必要時切斷氣源。

針形閥的節流口面積為喉道面積與在喉道處閥芯的堵塞面積之差，其中D為針形閥的喉道直徑，r為在某一開度下閥芯在喉道處的半徑(閥芯在每一截面處都為圓形)。

(6)

由式(2)、式(5)和式(6)，可得閥芯的型面曲線為：

(7)

由式(2)可知，當設計最大的流量為1 kg/s時，對應的喉道直徑應為7.34 mm。為保證閥芯能完全截斷高壓空氣實現密封，閥芯的最大直徑應大于喉道直徑，因此將閥芯最大直徑定為8 mm。閥芯行程的選擇不宜過小，否則會降低分辨率和控制精度，同時行程過長會增加閥門尺寸，在此選取10倍喉道直徑的長度，即73.4 mm。

3.3 電動作動筒

電動作動筒詳細結構如圖5所示，它采用同軸傳動，選用精密滾珠絲杠、高等級精度圓錐滾子軸承(成對使用)與深溝球軸承，具有傳動平穩、精確的特點，可承受較大的推力和壓力，并對圓錐滾子軸承預緊，徹底消除軸向間隙。電動作動筒的動力源采用交流永磁同步電機，位置傳感器為整合式長光柵尺，控制系統為位置環、速度環和電流環組成的全閉環伺服系統，因此它具有很高的精度和一定的系統穩定性，可補償因機械傳動部件傳動誤差、間隙非線性、機械變形、溫度變化以及其他因素等對精度的影響。

圖5 電作動筒結構示意圖Fig.5 Structure schematic diagram of electric actuator

試驗要求流量調節裝置的相對控制精度優于±0.1% FS，相當于針形閥節流口面積的控制精度必須優于0.1% FS。根據式(2)、式(5)可推導出針形閥節流口面積的變化與閥芯行程變化的關系如下：

(8)

由式(8)可知，當閥芯總行程為73.4 mm時，閥芯位移控制精度應當優于0.0216 mm，而該電動作動筒控制精度可達到0.01 mm，因此能夠滿足試驗要求。

4 流量控制策略

4.1 供氣控制系統

供氣控制系統結構如圖6所示，高壓氣源來自設計壓力25 MPa、總容積70 m3的儲氣罐，經氣動高壓球閥、前置過濾器、高壓減壓閥和空氣緩沖罐輸出至數字閥和針形閥組合的流量調節裝置，再通過換熱器、后置過濾器和流量計傳至試驗模型。

圖6 供氣控制系統結構框圖Fig.6 Structure diagram of air supply control system

由于上游的溫度變化較小且影響不大，因此保證入口壓力穩定是流量精確控制的重要環節。其中，高壓減壓閥采用高精度電子壓力控制器和先導比例閥驅動2臺大流量薄膜式調節閥，能夠將上游壓力穩定減壓至10 MPa，在下游流量不變的情況下控制精度能達到0.2%。同時為了吸收下游流量變化造成高壓減壓閥的壓力波動，提高流量控制的穩定性，在主管路上增加了2.5 m3的空氣緩沖器。流量檢測單元采用2種不同量程的高精度科氏力質量流量計，可以兼顧不同流量區間的測量精度，該流量計利用流體質量流量對振動管振蕩的調制作用為原理，可在線直接測量流體的質量流量。

4.2 控制流程

首先計算出流量給定值與反饋值的偏差，再經流量調節器計算輸出值，并根據流量分配表(見表3)，確定數字閥和針形閥所對應的的流量。在某一特定的流量給定下，數字閥4個電磁閥的開關狀態應保持不變，雖然入口總壓和總溫的變化會導致數字閥和針形閥所計算的流量產生偏差，但是只要在合理的偏差范圍內，只需通過調節針形閥的開度實現對流量的控制，這樣可避免數字閥和針形閥同時動態調節導致控制振蕩的發生。

表3 數字閥和針形閥流量分配表Tab.3 Flow distribution table for digital and needle valves

由上表可知，當流量給定在0.8 kg/s以下，數字閥全閉，此時只調節針形閥，調節范圍為10%～80%；當流量給定在0.8 kg/s以上，數字閥根據不同的區間對每個閥位進行控制以提供基準流量，再調節針形閥的開度，其調節范圍為30%～80%，該范圍是調節閥最佳的調節區間，性能最為出色[12]。

4.3 控制算法

從流量調節裝置后管路結構和控制方式分析，并通過施加階躍流量激勵所得到的流量響應曲線，其控制對象的傳遞函數為一階慣性加純滯后環節。其時間常數與供氣管路、換熱器、過濾器等管長、管容和管阻有關，由于流量調節區間較大，給定值需要實時調整，模型負載變化會帶來的擾動，對控制系統的跟隨性、魯棒性、響應性要求較高，因此控制算法采用非線性整定的PID調節器，實現3個調節參數在一定范圍內的整定。

該控制算法的基本原理如下：

(1) 比例增益參數kp：當誤差較大時，為保證系統有較快的響應速度，期望kp較大；當誤差較小時，為了減小超調量，期望kp較小。由此可構造kp的非線性函數為：

kp=kp1+kp2[exp(kp3e(t))+exp(-kp3e(t))]

(9)

其中，kp1，kp2，kp3為正實常數，分別為kp的最小值、變化區間和變化速率，e(t)為控制誤差。

(2) 積分增益參數ki：當誤差較大時，期望ki不要太大，以防止震蕩和減小超調量；當誤差較小時，期望ki增大，以消除系統的穩態誤差。由此可構造ki的非線性函數為：

(10)

其中，ki1,ki2為正實常數，分別為ki的最大值和變化速率。

(3) 微分增益參數kd：在不影響速度的前提下，kd慢慢增大，減小超調，但是隨著響應延長，對kd應該進行限制，由此可構造kd的非線性函數為：

(11)

其中，kd1,kd2,kd3,kd4為正實常數，kd1為kd的最小值，(kd1+kd2)為kd的最大值，kd4為kd的變化速率。

5 測試

該流量調節裝置應用在風洞供氣控制系統中，在不同流量、不同試驗狀態的情況下，多次調整PID參數，使流量控制達到較為理想的狀態。圖7列出了給定流量從0.1 kg/s逐步上升至8.1 kg/s時的流量動態調節過程曲線，圖8列出了給定流量分別為2.5 kg/s和7.0 kg/s時的流量穩態調節過程曲線。由測試結果可知，該裝置的流量調節范圍為0.1～8.1 kg/s，流量可調比達到了81，絕對控制精度優于±3 g/s，相對控制精度優于0.04% FS，超調量低于2.5%，調節時間在15 s以內。

圖7 流量動態調節過程曲線Fig.7 Flow dynamic regulating process curve

圖8 流量穩態調節過程曲線Fig.8 Flow steady regulating process curve

6 結論

(1) 基于PCM數字閥和針形閥相結合的流量調節裝置具有控制精度高、調節范圍寬、調節時間短等特點，為風洞高壓供氣試驗提供有力支撐；

(2) 能夠有效彌補PWM數字閥流量偏小、高頻噪聲、壽命較短等不足，同時也能克服PCM數字閥閥位較多、有級離散、控制振蕩以及加工精度要求較高的缺陷；

(3) 流量在0.3 kg/s以上時，針形閥的調節范圍控制在最佳的調節區間內(30%～80%)，可避免小開度和大開度帶來的不利影響；

(4) 采用非線性整定的PID調節器具有更好的跟隨性、魯棒性、響應性，但是中間參數較多，需要較為豐富的工程經驗；

(5) 在保證較高控制精度的前提下，可以繼續擴展數字閥閥位，使流量調節裝置的可調比進一步得到提升，具有較大的應用前景。