| 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作過程的動(dòng)態(tài)仿真 | ||||||||||||
| 來源：哲成閥門 作者：www.i-hairstyle.com 發(fā)布時(shí)間：2016-9-17 閱讀：次 | ||||||||||||
| 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作過程的動(dòng)態(tài)仿真 摘要: 借鑒氣體減壓器動(dòng)態(tài)仿真的有限體積模型發(fā)展了一種可仿真氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的有限體積模型, 并結(jié)合簡(jiǎn)單的比例- 積分- 微分( PID) 控制算法, 發(fā)展了一種可仿真氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作過程的動(dòng)態(tài)仿真模型。采用此模型, 運(yùn)用模塊化建模與仿真方法對(duì)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)貯箱壓強(qiáng)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)工作過程仿真, 比較了不同PID 參數(shù)和初始參數(shù)設(shè)置情況下的控制品質(zhì)。數(shù)學(xué)模型和建模方法顯示出較好的有效性和通用性。 關(guān)鍵詞: 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥; 有限體積法; PID 控制; 動(dòng)態(tài)仿真 中圖分類號(hào): V432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): (2006) 06- 0028- 07 1 引言 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥是氣動(dòng)執(zhí)行器的品種之一,與氣動(dòng)或電動(dòng)(配用電- 氣轉(zhuǎn)換器) 調(diào)節(jié)儀表等聯(lián) 接后, 用于工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程控制。作用是通過調(diào)節(jié)薄膜氣室中控制氣的壓強(qiáng)來調(diào)節(jié)閥芯開度以定量的調(diào)節(jié)介質(zhì)流量, 從而達(dá)到調(diào)節(jié)所需參數(shù)( 壓強(qiáng)、流量、溫度、液位等) 的目的。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)仿真一般包括兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù): 流場(chǎng)數(shù)值模擬、比例積分微分( PID) 控制算法與參數(shù)整定。 流場(chǎng)數(shù)值模擬方面, 在一般調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)仿真的研究上, 文獻(xiàn)[1]采用傳遞函數(shù)方法和等溫流動(dòng)假設(shè)對(duì)某氣體管路系統(tǒng)進(jìn)行了建模, 其調(diào)節(jié)閥控制方式為開式控制, 文獻(xiàn)[2]采用特征線法對(duì)某液體調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行了研究, 文獻(xiàn)[3]對(duì)GX- 1型調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬, 主要側(cè)重于揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)而非對(duì)系統(tǒng)控制過程的研究。在氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的研究上, 通常側(cè)重于原理和應(yīng)用[4,5], 與數(shù)值建模和動(dòng)態(tài)仿真相關(guān)的研究國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)公開文獻(xiàn), 由于其原理和氣體減壓器相似, 可以借鑒減壓器的動(dòng)態(tài)仿真模型開展數(shù)值研究。文獻(xiàn)[6]從可壓縮瞬變流一維守恒形式的連續(xù)方程和能量方程出發(fā), 通過對(duì)有限元狀態(tài)變量模型[7] 推導(dǎo)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(jié)合氣體管道、氣體閥門的有限元狀態(tài)變量模型, 通過對(duì)三者的組合運(yùn)用發(fā)展了一種可仿真氣體減壓器動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的有限體積模型, 改進(jìn)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(shí)流體的膨脹功。 PID 控制算法與參數(shù)整定方面, 已研究得比較充分, 在應(yīng)用中基于系統(tǒng)響應(yīng)特性采用湊試法確定比例、積分、微分環(huán)節(jié)的參數(shù)值即可達(dá)到良好的控制效果。 本文借鑒氣體減壓器動(dòng)態(tài)仿真的有限體積模型, 通過考慮膨脹功改進(jìn)了變體積氣體容積的數(shù)學(xué)模型, 發(fā)展了一種可仿真氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的有限體積模型, 并結(jié)合簡(jiǎn)單的PID 控制算法, 發(fā)展了一種可仿真氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作過程的動(dòng)態(tài)仿真模型。 2 改進(jìn)的變體積氣體容積數(shù)學(xué)模型 忽略管流的軸向熱傳導(dǎo), 忽略重力場(chǎng)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(dòng)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(nèi)能; p 為壓強(qiáng); u 為流速; A 為管道截面積; V 為控制體的體積; q! 為管壁對(duì)控制體的單位面積上的熱流密度; C 為管道周長。 對(duì)于有多個(gè)入口(n_in) 和出口(n_out) 的體積可變的氣體容積, 假設(shè)氣體管流為一維理想氣體絕熱流動(dòng), 其中的壓強(qiáng)、密度、單位體積總能量等狀態(tài)參數(shù)是瞬時(shí)一致和均勻的, 忽略容腔中低速(Ma<0.3) 氣體動(dòng)能的影響, 從上述方程出發(fā)可推得能量方程為
上式結(jié)合連續(xù)方程, 即為改進(jìn)的變體積氣體容積數(shù)學(xué)模型。式中, γ為氣體比熱比, QV、 Qm 分別為體積流量和質(zhì)量流量, 上標(biāo)in、out 表示邊界參數(shù)采用迎風(fēng)格式。 3 調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值模型 圖1 為某氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)示意圖, 型號(hào)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(qiáng)可調(diào)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(diào)節(jié)閥為例建立其有限體積模型。 圖2 為氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的有限控制體積網(wǎng)格, 其邊界處為相連氣體管道的邊界網(wǎng)格, 把調(diào)節(jié)閥視為由高壓腔、低壓腔和卸荷腔三個(gè)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(xù)方程
式中, 溫度計(jì)算公式: 3.2 閥芯節(jié)流處 閥芯節(jié)流質(zhì)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(shù)表征閥芯的節(jié)流特性, 其值為h 的函數(shù),需要通過試驗(yàn)針對(duì)不同種類的閥芯建立Cd1、Cd1′～h 曲線, 且對(duì)不同的流體介質(zhì)要依據(jù)粘度和密度作適當(dāng)修正。 假設(shè)套筒上對(duì)稱開兩個(gè)Φ16mm 的圓孔, 則流通截面積
特定截面處局部流速計(jì)算公式 3.3 卸荷孔節(jié)流處 卸荷孔質(zhì)量流量方程為
式中, 卸荷孔流通截面積 3.4 卸荷腔 連續(xù)方程 能量方程 3.5 力平衡方程 為了系統(tǒng)求解時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼系數(shù)
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(guān)閉( h=0) 時(shí)膜片、彈簧的壓縮量; p4 為控制氣壓強(qiáng); 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(zhì)量。 4 調(diào)節(jié)閥壓強(qiáng)信號(hào)控制PID 算法 PID 控制器基于負(fù)反饋原理, 離散化后的數(shù)字增量式PID 控制算式為
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| 本文Tag：氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)控制閥、氣動(dòng)套筒調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)多有降壓調(diào)節(jié)閥 | ||||||||||||
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分別為閥芯開度為h 和h=0 時(shí)的卸荷腔體積, d3 為卸荷腔內(nèi)徑, dc1 為閥桿直徑。
式中, R 為氣體常數(shù)。
，在逆向流動(dòng)的情況下, 即方程(7) 在0≤p2<p3 時(shí), p2、p3位置交換并在質(zhì)量流量結(jié)果前加上負(fù)號(hào)。
