气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真
来源:哲成阀门 作者:www.zczkvalve.com 发布时间:2016-9-17 阅读:
  气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真

  摘要: 借鉴气体减压器动态仿真的有限体积模型发展了一种可仿真气动薄膜调节阀动态流场的有限体积模型, 并结合简单的比例- 积分- 微分( PID) 控制算法, 发展了一种可仿真气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真模型。采用此模型, 运用模块化建模与仿真方法对气动薄膜调节阀控制液体火箭发动机贮箱压强的简化系统进行了动态工作过程仿真, 比较了不同PID 参数和初始参数设置情况下的控制品质。数学模型和建模方法显示出较好的有效性和通用性。 关键词: 气动薄膜调节阀; 有限体积法; PID 控制; 动态仿真

中图分类号: V432 文献标识码: A 文章编号: (2006) 06- 0028- 07

1 引言
  气动薄膜调节阀是气动执行器的品种之一,与气动或电动(配用电- 气转换器) 调节仪表等联 接后, 用于工业生产过程的自动调节和远程控制。作用是通过调节薄膜气室中控制气的压强来调节阀芯开度以定量的调节介质流量, 从而达到调节所需参数( 压强、流量、温度、液位等) 的目的。气动薄膜调节阀控制系统仿真一般包括两个关键技术: 流场数值模拟、比例积分微分( PID) 控制算法与参数整定。
  流场数值模拟方面, 在一般调节阀动态仿真的研究上, 文献[1]采用传递函数方法和等温流动假设对某气体管路系统进行了建模, 其调节阀控制方式为开式控制, 文献[2]采用特征线法对某液体调节阀的流量特性进行了研究, 文献[3]对GX- 1型调节阀进行了试验和三维数值模拟, 主要侧重于揭示调节阀内部流场结构而非对系统控制过程的研究。在气动薄膜调节阀的研究上, 通常侧重于原理和应用[4,5], 与数值建模和动态仿真相关的研究国内尚未发现公开文献, 由于其原理和气体减压器相似, 可以借鉴减压器的动态仿真模型开展数值研究。文献[6]从可压缩瞬变流一维守恒形式的连续方程和能量方程出发, 通过对有限元状态变量模型[7] 推导过程的拓展获得了适用于变体积容腔的气体容积模型, 并结合气体管道、气体阀门的有限元状态变量模型, 通过对三者的组合运用发展了一种可仿真气体减压器动态流场的有限体积模型, 改进了以往模型的不足之处, 但是其模型忽略了容腔体积变化时流体的膨胀功。
  PID 控制算法与参数整定方面, 已研究得比较充分, 在应用中基于系统响应特性采用凑试法确定比例、积分、微分环节的参数值即可达到良好的控制效果。
  本文借鉴气体减压器动态仿真的有限体积模型, 通过考虑膨胀功改进了变体积气体容积的数学模型, 发展了一种可仿真气动薄膜调节阀动态流场的有限体积模型, 并结合简单的PID 控制算法, 发展了一种可仿真气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真模型。

2 改进的变体积气体容积数学模型
  忽略管流的轴向热传导, 忽略重力场影响,考虑流体由于体积变化所作的膨胀功, 可压缩流 体一维流动守恒形式的能量方程为
 

  式中, 单位体积总能量E= ρ(e+u2/2), e 为单位体积的内能; p 为压强; u 为流速; A 为管道截面积; V 为控制体的体积; q! 为管壁对控制体的单位面积上的热流密度; C 为管道周长。
  对于有多个入口(n_in) 和出口(n_out) 的体积可变的气体容积, 假设气体管流为一维理想气体绝热流动, 其中的压强、密度、单位体积总能量等状态参数是瞬时一致和均匀的, 忽略容腔中低速(Ma<0.3) 气体动能的影响, 从上述方程出发可推得能量方程为

  上式结合连续方程, 即为改进的变体积气体容积数学模型。式中, γ为气体比热比, QV、 Qm 分别为体积流量和质量流量, 上标in、out 表示边界参数采用迎风格式。

3 调节阀流场数值模型


  图1 为某气动薄膜调节阀的结构示意图, 型号为反作用气开式套筒阀, 公称压力PN6.4MPa,公称通径DN25mm, 薄膜气室( 控制腔) 中控制气压强可调范围为0.020~0.100MPa ( 表压) , 阀芯行程为0~16mm, 套筒上所开窗口的大小和几何形状决定了流通能力的大小和流量特性, 以下将以这种调节阀为例建立其有限体积模型。
  图2 为气动薄膜调节阀的有限控制体积网格, 其边界处为相连气体管道的边界网格, 把调节阀视为由高压腔、低压腔和卸荷腔三个气体容积组合而成, 气体容积之间由局部流阻连接。高压腔可视为体积恒定的气体容积, 低压腔和卸荷腔的体积随阀芯的开合变化较大, 需要视为变体积气体容积。

3.1 高压腔和低压腔
  连续方程
能量方程


式中,分别为阀芯开度为h 和h=0 时的卸荷腔体积, d3 为卸荷腔内径, dc1 为阀杆直径。


温度计算公式:式中, R 为气体常数。


3.2 阀芯节流处
  阀芯节流质量流量方程为

  式中, Av1 为阀芯处的流通截面积; Cd1、Cd1′为流量系数表征阀芯的节流特性, 其值为h 的函数,需要通过试验针对不同种类的阀芯建立Cd1、Cd1′~h 曲线, 且对不同的流体介质要依据粘度和密度作适当修正。
  假设套筒上对称开两个Φ16mm 的圆孔, 则流通截面积



特定截面处局部流速计算公式


3.3 卸荷孔节流处
  卸荷孔质量流量方程为

式中, 卸荷孔流通截面积,在逆向流动的情况下, 即方程(7) 在0≤p2<p3 时, p2、p3位置交换并在质量流量结果前加上负号。


3.4 卸荷腔

连续方程


能量方程


3.5 力平衡方程
  为了系统求解时采用Runge- Kutta 法, 把二阶微分方程形式的力平衡方程降阶为

阀芯运动时的阻尼系数


  式中, C1、Cm 分别为弹簧、膜片的刚度, CΣ为两者之和; x0、x1 分别为阀芯完全关闭( h=0) 时膜片、弹簧的压缩量; p4 为控制气压强; Am′为控制腔气体作用在膜片上的有效面积; A′2 、A′3 分别为低压腔、卸荷腔气体作用在阀芯上的有效面积;mVC 为阀芯质量。

4 调节阀压强信号控制PID 算法
  PID 控制器基于负反馈原理, 离散化后的数字增量式PID 控制算式为
    式中, e(n)、p(n)分别为第n 次采样时被控制量的偏差信号和输出的薄膜气室控制气压强信号( 即p4) ; Kp 为比例系数; Ki=KpT/Ti 为积分系数; Kd=Kp Td /T 为微分系数; Ti、Td、T 分别为积分时间常数、微分时间常数、采样周期。
本文Tag:气动薄膜调节阀、气动控制阀、气动套筒调节阀、气动多有降压调节阀
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