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        一種氣動式深度模擬器設計

        2010-08-10 02:56:22閆曉偉
        船電技術 2010年11期
        關鍵詞:變送器模擬器氣動

        閆曉偉

        (92060部隊,遼寧大連 116041)

        1 引言

        氣動技術采用壓縮空氣作為工作介質,具有介質提取處理方便、工作環(huán)境適應性好、空氣流動阻力小、維護簡單、使用安全和成本低廉等優(yōu)點,被越來越廣泛應用于生產(chǎn)過程和自動控制的各個領域??墒怯捎诳諝饪蓧嚎s性大,動作速度易受負載變化而變化,人們對氣動位置和速度反饋難以精確控制。隨著高性能的氣動元件的出現(xiàn),氣動技術正在向機電一體化、集成化、智能化、小型化、輕量化、高精度和高速度方向發(fā)展。

        本文提出一種氣動式深度模擬器,它采用氣動比例方向控制閥作為執(zhí)行機構,利用自動控制技術調節(jié)進入和排出密閉容器中的氣體,產(chǎn)生所需要的壓力信號,在實驗室條件下模擬產(chǎn)生不同水深的水壓物理信號,作為信號源,可用于水下航行器和水中兵器的仿真實驗。

        2 系統(tǒng)組成及工作原理

        深度模擬器由壓力產(chǎn)生單元、壓力控制單元和壓力輸出單元三部分組成。壓力產(chǎn)生單元包括空壓機、高壓氣瓶、過濾減壓閥、進氣/排氣比例閥和密閉容器;壓力控制單元包括壓力變送器、控制器和計算機及相關控制軟件和數(shù)學模型,是模擬器的核心;壓力輸出單元包括小深度輸出接口和大深度輸出接口,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

        該系統(tǒng)的工作原理是:空壓機為系統(tǒng)提供持續(xù)的壓力源,并將一部分氣體儲備在高壓氣瓶,系統(tǒng)由預定模型計算出需要模擬的壓力變化曲線,由壓力變送器實時檢測密閉容器中的氣體壓力,作為反饋信號,輸入控制器與模型參數(shù)進行比較,得到不同時刻的誤差和誤差變化率,采用模糊PID算法,計算得到輸出電壓信號,控制進/排氣比例閥的開度,調節(jié)密閉容器中的氣體壓力,使其按預先設定的壓力曲線變化,并滿足設計的精度要求,達到模擬不同水深下壓力信號的目的。

        圖1 深度模擬器原理框圖

        3 理論分析

        3.1 密閉容器充放氣過程的簡化模型

        本文研究的模擬器的壓力是由密閉容器產(chǎn)生的,密閉容器內(nèi)的壓力變化就是模擬的壓力變化,因此要根據(jù)氣動理論分析影響密閉容器內(nèi)氣體壓力變化的因素,建立密閉容器氣體壓力變化的數(shù)學模型,這是研究氣動式深度模擬器的理論依據(jù)。

        密閉容器的充放氣過程是開口系統(tǒng)問題[1],容器內(nèi)的空氣與外部不僅有質量交換,還有能量交換。由于體積V不變,容器內(nèi)空氣的變化量僅限于壓力P和溫度T兩個變量??諝獾馁|量m盡管也變化,但不獨立,它可以根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,由壓力P和溫度T算出來。

        從壓力微分方程、溫度微分方程、連續(xù)性方程和伯努利方程入手[2],分析音速和亞音速流動時,氣體流量公式及其影響因素??梢缘玫剑喝萜鲀?nèi)壓力變化:式中,k為比熱比;R為氣體常數(shù),空氣為287 J/(kg·K);為進出容器的空氣質量流量,kg/s;空氣流入時qm為正,流出時qm為負;V’為容器的容積,m3;T2為容器內(nèi)氣體溫度。

        密閉容器的充放氣過程簡化為如圖2所示:

        圖2 密閉容器充放氣過程的結構簡圖

        式中,ρ0為標準狀態(tài)下空氣的密度,ρ0=1.185 kg/m3。

        充氣時:

        放氣時:

        式中,qv1和qv2為標準狀態(tài)下充氣和放氣時的體積流量,m3/s;P1和T1為氣源氣體的壓力和溫度,單位分別為Pa和K;P2和T2為容器內(nèi)氣體的壓力和溫度,單位分別為Pa和K。

        容器內(nèi)氣體壓力隨時間變化的數(shù)學模型為:

        由于比例閥的臨界頻率是100 Hz,其動態(tài)特性較好,可將其動態(tài)響應視為一階比例環(huán)節(jié),閥的有效流通截面積Ax與控制電壓U成線性關系:

        式中,Kv為比例系數(shù);ω為百分比,ω=0~1。

        由上面的分析,可以得出:充/放氣過程中密閉容器的氣體體積流量qv與比例閥的有效流通截面積Ax、氣源壓力P1和溫度T1、容器內(nèi)壓力P2和溫度T2有關。當閥選定時,Kv即為常數(shù),假設充/放氣過程中氣源壓力P1保持恒定,忽略T1和T2的影響,則qv可看作是比例閥的有效流通截面積Ax和容器內(nèi)壓力P2的函數(shù),即:

        函數(shù)式(7)為非線性函數(shù),當系統(tǒng)處于某穩(wěn)定點(Ai, Pi)時,可以用線性化理論對其進行線性化,即可利用增量方程進行系統(tǒng)的動態(tài)特性分析。令

        則:

        對(9)按泰勒公式展開,忽略二階以上無窮小項,得:

        令,則(10)可寫為:

        對(1)、(6)和(11)式進行拉普拉斯變換,聯(lián)立得方程組:

        對方程組(12)求解,得控制電壓U對密閉容器內(nèi)氣體壓力P的傳遞函數(shù),即:

        式中,

        密閉容器充放氣過程簡化模型為一階慣性系統(tǒng),K為傳遞系數(shù),Tp為慣性時間常數(shù)。

        3.2 模糊PID控制算法

        由于氣體壓力控制系統(tǒng)本質上是非線性系統(tǒng),很難建立精確的數(shù)學模型,系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于控制算法和控制參數(shù)。傳統(tǒng)的PID控制由于算法簡單、參數(shù)調整方便并具有一定的精度,在過程控制中獲得了廣泛的應用,但由于PID的參數(shù)不易實時調節(jié),很難適應參數(shù)實時變化的非線性系統(tǒng)。而模糊控制針對復雜的、具有不確定參數(shù)和難以建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)具有適應性強、魯棒性好的優(yōu)點,但對消除系統(tǒng)穩(wěn)定誤差的性能比較差,難以達到較高的控制精度。采用模糊PID算法既有適應性強、魯棒性好的優(yōu)點,又能消除穩(wěn)定誤差,可以實現(xiàn)對氣體壓力的精確控制。其原理如圖3所示。

        圖3 模糊PID控制原理圖

        在本系統(tǒng)中,控制變量是密閉容腔內(nèi)的氣體壓力,取壓力的誤差e(e=y-r)和誤差變化率ec(ec=de/dt)作為模糊控制器的二維輸入變量,輸出電壓信號uc作為模糊控制器的輸出變量。

        將e和ec的實際變化范圍轉換成模糊域上的集合,選用合適的隸屬度函數(shù),并對模糊集進行分檔;采用Mamdani的max-min法[3]進行模糊推理,得出uc的隸屬度函數(shù)。由數(shù)據(jù)和模糊語言控制規(guī)則,根據(jù)每一條推理規(guī)則,結合模糊判決,經(jīng)過大量計算,構成模糊控制器查詢表,利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改。

        4 關鍵技術及具體實施方案

        模擬器分硬件部分和軟件部分。硬件部分由空壓機、高壓氣瓶、壓力罐、過濾減壓閥、進氣/排氣比例閥、安全閥、壓力表、壓力變送器、控制器和計算機組成。軟件部分包括LabVIEW軟件和MATLAB軟件。利用MATLAB軟件強大的計算功能,產(chǎn)生要仿真的數(shù)學模型,主要是建立不同深度和海況的水壓場模型,通過LabVIEW中的“腳本節(jié)點”函數(shù)中的“MATLAB腳本”即可生成模型信號數(shù)據(jù)文件;LabVIEW主要用來設計系統(tǒng)的界面,實現(xiàn)人機交互,包括參數(shù)預置、數(shù)據(jù)文件導入和導出、圖形顯示及實驗數(shù)據(jù)分析處理;其軟件工作流程如圖4所示。

        圖4 模擬器的軟件工作流程圖

        4.1 進/排氣比例閥

        比例閥的選型應遵循安全性、可靠性、適用性和經(jīng)濟性四項原則和六個方面的現(xiàn)場工況(管道參數(shù)、介質參數(shù)、壓力參數(shù)、電源參數(shù)、動作方式、特殊要求),其中額定流量的選擇是關鍵。密閉容器氣體壓力變化與進氣/排氣比例閥的開度有關,比例閥的開度是由控制電壓或電流決定的。

        采用直動式滑閥控制,單向流動,工作電壓24 V,控制電壓0-10 V,標準額定流量350 L/min,響應頻率100 Hz。采用硬性密封方式,可任意位置安裝,比例控制閥最大的特點就是可以根據(jù)控制電壓或電流的大小來成比例地調節(jié)流量,理論上流量可以從0-100%,本文采用電壓控制。

        4.2 壓力變送器

        采用雙量程設計,小量程0~5 bar,用于0~50 m水深;大量程0~35 bar,用于0~300 m水深;精確度0.05%,總誤差0.25%,工作電壓24 V。

        4.3 控制器

        包括兩路模擬量輸入和兩路模擬量輸出,接收壓力變送器實時采集的壓力罐中的壓力信號,對模型進行分析計算,輸出模擬控制信號,對進/排氣比例閥的開度進行調節(jié),使壓力罐中的壓力跟蹤模型的壓力變化曲線。

        控制器是仿真系統(tǒng)壓力控制單元的關鍵部分,主要有三個方面的作用:第一,采集壓力變送器的檢測值,與設定值比較,計算出偏差及偏差的變化率;第二,由控制算法計算出比例閥的控制電壓,實時調節(jié)比例閥的開度;第三,與計算機進行通信,導入模型數(shù)據(jù),導出實驗數(shù)據(jù)。

        4.4 計算機

        計算機作為和控制器的通信平臺,主要作用是:第一,產(chǎn)生要模擬的模型數(shù)據(jù)文件;第二,和控制器進行通信,完成模型數(shù)據(jù)及和實驗數(shù)據(jù)的導出;第三,對實驗數(shù)據(jù)進行后期處理。

        5 結束語

        本文提出的氣動式深度模擬器的方案,具有深度范圍大、動態(tài)響應好、精度高的特點,另外操作方便、不污染環(huán)境,但在空壓機工作時有一定的噪音。針對氣動技術的特點,可以得到:

        (1)空壓機輸出的壓力級不高(一般小于0.8 MPa),可以滿足淺水(50 m)的氣源要求;但大深度(>50 m)時,需加裝高壓氣瓶,作為氣源,同時壓力容器和管路要滿足耐壓要求;

        (2)對氣動理論進行分析,特別是密閉容器充放氣過程簡化模型的建立,通過實時調節(jié)比例閥的開度來控制容器內(nèi)的壓力變化是可行的。另外采用雙量程高精度壓力變送器,使模擬器既有大的工作范圍,同時在小深度時又具有高的精度;

        (3)由于氣體本身的可壓縮性和控制器在PID調節(jié)時的滯后性,在模擬低頻數(shù)據(jù)時具有很好的效果。

        [1]蔡茂林. 現(xiàn)代氣動技術理論與實踐第二講: 固定容腔的充放氣[J]. 液壓氣動與密封,2007, (3): 43-47.

        [2]徐炳輝. 氣動手冊[M]. 上海: 上??茖W技術出版社,2005: 1-20.

        [3]張化光, 孟祥萍. 智能控制基礎理論及應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005:1-8, 116-133.

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