目前常用的有限氣源空氣流量調節(jié)方案可分為兩大類：一類直接調節(jié)，另一類為節(jié)流方式調節(jié)。

直接調節(jié)一般采用流量調節(jié)閥直接以流量計采集信號為反饋信號，通過智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號，驅動調節(jié)閥進行流量調節(jié)，此方法系統(tǒng)結構比較簡單，但是受現(xiàn)有氣體流量計精度和閥門前后氣流擾動大小的影響，精度偏差在5％以上，流量控制精度不高。

另一類為節(jié)流方式為多管組配合減壓閥和節(jié)流孔板，根據(jù)管道組合的方式，減壓閥將氣源壓力降至所需壓力，在通過節(jié)流孔板節(jié)流的作用，精確的控制空氣流量，此種方法控制系統(tǒng)相對簡單，但是設備結構比較復雜，無法消除溫度對流量帶來的影響，所能調節(jié)流量的工作狀態(tài)有限，不能進行大范圍空氣流量調節(jié)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種有限氣源條件下的高精度氣體流量控制方法，采用高精度調壓閥和多個噴管組合的方式，通過調節(jié)調壓閥后總壓來進行大范圍的空氣流量調節(jié)。

本發(fā)明的氣體流量控制方法基于高精度調壓閥和多噴管進行控制調節(jié)，其包括：步驟一、搭建控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)包括主控計算機、高精度壓力傳感器、溫度傳感器、可編程控制器，主控計算機負責向可編程控制器輸入所要調節(jié)的目標值并儲存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)，可編程控制器配備有模擬量采集模塊用于采集傳感器數(shù)值，同時可根據(jù)調節(jié)目標值和當前傳感器測量值通過智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號，控制電液伺服油缸推動調壓閥芯運動完成總壓調節(jié)；步驟二、確定位置閉環(huán)調節(jié)的PID控制參數(shù)：在帶氣動載荷下進行調壓閥位置閉環(huán)調節(jié)，即打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使壓力傳感器數(shù)值調壓閥前管道靜壓P1和氣源靜壓P2相等，氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節(jié)調壓閥的開度，在調壓閥總行程內設定一個位移值L₁為調壓閥位置校準的目標值，以調壓閥位移傳感器位移值L0為反饋值，調節(jié)PID控制參數(shù)，使調壓閥定位精度能夠到達小于0.5％，記錄當前智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號I₁，關閉調壓閥和氣源截止閥；步驟三、擬合當前噴管壓力恢復曲線：打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，使用步驟二得到的位置閉環(huán)調節(jié)的PID參數(shù)，以調壓閥位移傳感器位移值L0為反饋值進行閉環(huán)控制，使調壓閥位置以等差數(shù)列進行變化，直至閥門開度繼續(xù)增大時閥后壓力變化很小時關閉調壓閥和氣源截止閥，同時記錄下氣源壓力P2、調壓閥后總壓P0和調壓閥位移傳感器位移值L0數(shù)據(jù)，擬合出較為準確的噴管壓力恢復曲線，即氣源壓力和調壓閥后總壓的比值與閥門開度的關系；步驟四、根據(jù)流量調節(jié)大小確定壓力閉環(huán)時PID控制參數(shù)：在有限氣源的情況下，根據(jù)試驗時間需求時，確定壓力閉環(huán)時PID控制參數(shù)；步驟五、計算出調壓閥后總壓P：根據(jù)空氣動力原理由目標流量值G和實測總溫T0的值計算得到理論值的總壓P；步驟六、計算出調壓閥閥芯位移值L：根據(jù)第二步得到的壓力恢復曲線計算出調節(jié)調壓閥后總壓P所對應的調壓閥閥芯位移值L，即在已知實測壓力值P2、調壓閥后總壓P和調壓閥總行程，可計算出調壓閥閥芯位移值L；步驟七、制定控制策略：采用的是先將調壓閥進行位置閉環(huán)控制，當調壓閥芯位置進入位置誤差帶后轉入壓力閉環(huán)調節(jié)；步驟八、設置控制參數(shù)和目標值：根據(jù)步驟二、步驟四得到的PID控制參數(shù)分別作為位置閉環(huán)時和壓力閉環(huán)的控制參數(shù)，根據(jù)步驟六得到的調壓閥閥芯位移值L作為位置閉環(huán)的目標值，根據(jù)空氣動力學原理在已知流通面積A和空氣流量G的情況下，根據(jù)當前總溫測量值T0就有一個調壓閥后總壓P0與之對應，由于溫度在氣體流通時會發(fā)生變化，所以調壓閥總壓設定值是一個隨溫度變化而改變的變量。壓力閉環(huán)控制時就以這個變量作為目標值；步驟九、根據(jù)控制策略對氣體流量進行控制：打開氣源截止閥，打開氣源截止閥，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節(jié)調壓閥的開度，使調壓閥閥芯位置進入指定誤差帶后，延遲時間進入調壓閥壓力閉環(huán)調節(jié)。

優(yōu)選所述步驟四中確定壓力閉環(huán)時PID控制參數(shù)的方法，根據(jù)不同流量范圍的噴管進行選擇，以保證系統(tǒng)不超調。

優(yōu)選小流量噴管時，氣源為正常工作壓力范圍時，根據(jù)所述步驟三得到噴管壓力恢復曲線，計算出調壓閥位置校準的目標值L₁，所對應的當前氣源壓力下的調壓閥后總壓值，將此壓力值設置為目標值，當壓力閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)時智能PID控制算法產(chǎn)生的輸出為控制信號I₂，I₂應近似等于所述步驟二得到的PID控制算法產(chǎn)生控制信號I₁，調壓閥在帶氣動載荷下進行位置閉環(huán)到達位置目標值附近某一數(shù)值時，閥芯所受的作用力達到平衡，閥芯停止運動，壓力閉環(huán)達到穩(wěn)態(tài)時也應受力平衡，據(jù)此初步得出壓力閉環(huán)時PID控制參數(shù)，打開氣源截止閥，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調整調壓閥開度，修改此參數(shù)使得壓力控制精度達到0.5％。

優(yōu)選大流量噴管時，在有限氣源情況下，氣源壓力會產(chǎn)生劇烈變化，如果采用調節(jié)小流量選取PID控制參數(shù)的方法，在調節(jié)開始時所設定的參數(shù)暫時滿足初始狀態(tài)下調節(jié)需求，隨著氣源壓力快速變化時初始控制參數(shù)所產(chǎn)生的輸出無法滿足調節(jié)要求，調壓閥芯開啟的速度無法跟隨氣源的變化速度，如果單一增大PID控制能力，會出現(xiàn)超調或震蕩的情況。這時就應根據(jù)氣源變化情況在初始PID控制參數(shù)進行實時增益補償，使得補償后PID控制算法產(chǎn)生的輸出可以滿足因氣源劇烈變后調節(jié)需求。

優(yōu)選延遲時間根據(jù)設備所能產(chǎn)生的背壓和所需調節(jié)空氣流量的大小決定?？倝嚎刂撇糠种饕蓺庠磯毫鞲衅?、總壓傳感器和高精度調壓閥構成，調壓閥采用液壓伺服油缸驅動，控制原理是選用高精度壓力傳感器采集總壓，控制器采用智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號，控制電液伺服油缸推動主調壓閥芯運動速度和位置完成總壓調節(jié)。同時由于噴管流動分離少、均勻性好，其流量調節(jié)精度更高，可達到1％以內。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

1、空氣流量調節(jié)精度高，流量調節(jié)的速度快且無超調，對設備影響小。

2、解決有限氣源條件下氣罐快速排氣溫度、壓力的耦合變化對也會對流量調節(jié)有較大影響；

3、解決整個系統(tǒng)非線性因素的影響，使空氣流量控制更加穩(wěn)定(比如氣源壓力劇烈變化)；

4、解決系統(tǒng)背壓對流量調節(jié)擾動因素。

附圖說明

圖1是本發(fā)明流程圖。

圖2是控制系統(tǒng)結構示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明公開一種高精度調壓閥和多個噴管組合的方式進行空氣流量調節(jié)方法，根據(jù)空氣動力學原理，流通通道內的空氣流量G與流動總壓P0、總溫T0、流通面積A和速度系數(shù)λ具有一定的函數(shù)關系，要達到控制高精度氣體流量，精確控制調壓閥后總壓就是解決問題的關鍵，主要解決有限氣源條件下氣罐快速排氣溫度、壓力的耦合變化對流量調節(jié)有較大影響，整個系統(tǒng)也會有更強的非線性(比如氣源壓力劇烈變化)，系統(tǒng)背壓對流量調節(jié)擾動因素。流量調節(jié)的速度快且無超調，對設備影響小。

控制系統(tǒng)原理：

根據(jù)空氣動力原理，流通通道內的空氣流量G與調壓閥后總壓p₀、總溫T₀、流通面積A和速度系數(shù)λ具有一定的函數(shù)關系，其符合下述公式：

其中：

根據(jù)超聲速流動理論，當通道出入口達到一定壓比后，在通道最小截面(噴管喉道)處會產(chǎn)生音速流動，此時噴管喉道處的速度系數(shù)λ＝1、q(λ)＝1，因此調壓閥后總壓P₀就有如下關系式：

在已知流通面積A(噴管喉道處面積)和被控對象空氣流量G的情況下，根據(jù)當前溫度測量值就有一個調壓閥后總壓P₀與之對應，由于溫度在氣體流通時會發(fā)生變化，所以調壓閥總壓設定值是一個隨溫度變化而改變的變量。整個系統(tǒng)對壓力閉環(huán)控制時就以這個變量作為設定值。以控制調壓閥后總壓的方式來控制氣體流量。

調壓閥后總壓的控制是通過電液伺服系統(tǒng)驅動一套壓力調節(jié)閥門來實現(xiàn)的，控制系統(tǒng)是以調壓閥位移傳感器和調壓閥后總壓傳感器作為輸入，輸出是由控制器采用智能PID控制算法產(chǎn)生的模擬量信號，將輸出信號接入伺服作動器，控制電液伺服油缸推動主調壓閥芯運動完成總壓調節(jié)，同時控制系統(tǒng)還需采集總溫、氣源溫度、氣源壓力等模擬量，用于流量控制計算及系統(tǒng)監(jiān)測。

由于每個噴管只能調節(jié)一定范圍內的氣體流量，當流量目標值超出噴管調節(jié)范圍時，需要更換噴管，但流量調試方法相同。

第一步搭建控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)包括主控計算機、高精度壓力傳感器、溫度傳感器、可編程控制器。主控計算機負責向可編程控制器輸入所要調節(jié)的目標值并儲存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)，可編程控制器配備有模擬量采集模塊用于采集傳感器數(shù)值，同時可根據(jù)調節(jié)目標值和當前傳感器測量值通過智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號，控制電液伺服油缸推動調壓閥芯運動完成總壓調節(jié)。

第二步確定位置閉環(huán)調節(jié)的PID控制參數(shù)：在帶氣動載荷下進行調壓閥位置閉環(huán)調節(jié)，即打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使壓力傳感器數(shù)值調壓閥前管道靜壓P1和氣源靜壓P2相等，氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節(jié)調壓閥的開度，在調壓閥總行程內設定一個位移值L₁為調壓閥位置校準的目標值，以調壓閥閥芯位移傳感器位移值L0為反饋值，調節(jié)PID控制參數(shù)，使調壓閥定位精度能夠到達小于0.5％，記錄當前智能PID控制算法產(chǎn)生控制信號I₁，關閉調壓閥和氣源截止閥；

第三步擬合當前噴管壓力恢復曲線：打開氣源截止閥，氣源為正常工作壓力范圍，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，使用步驟二得到的位置閉環(huán)調節(jié)的PID參數(shù)，以調壓閥閥芯位移傳感器L0(L0為調壓閥閥芯位移傳感器數(shù)值)為反饋值進行閉環(huán)控制，使調壓閥位置以等差數(shù)列進行變化，直至閥門開度繼續(xù)增大時閥后壓力變化很小時關閉調壓閥和氣源截止閥，同時記錄下氣源靜壓P2、調壓閥后總壓P0和調壓閥位移傳感器位移值L0數(shù)據(jù)，擬合出較為準確的噴管壓力恢復曲線，即氣源壓力和調壓閥后總壓的比值與閥門開度的關系。

第四步根據(jù)流量調節(jié)大小確定壓力閉環(huán)時PID控制參數(shù)：該系統(tǒng)流量調節(jié)范圍較大，在由限氣源的情況下，同等試驗時間需求時，在保證系統(tǒng)不超調的情況下，選擇不同流量范圍的噴管時控制參數(shù)的選擇方法也不相同：

1、調節(jié)小流量噴管時，氣源為正常工作壓力范圍時，根據(jù)第三步得到噴管壓力恢復曲線，計算出L₁(L₁為第二步調壓閥位置校準的目標值)所對應的當前氣源壓力下的調壓閥后總壓值，將此壓力值設置為目標值，當壓力閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)時智能PID控制算法產(chǎn)生的輸出為I₂，I₂應近似等于I₁(I₁為第二步得到的PID控制算法產(chǎn)生控制信號)，調壓閥在帶氣動載荷下進行位置閉環(huán)到達位置目標值附近某一數(shù)值時，閥芯所受的作用力達到平衡，閥芯停止運動，壓力閉環(huán)達到穩(wěn)態(tài)時也應受力平衡，據(jù)此初步得出壓力閉環(huán)時PID控制參數(shù)，打開氣源截止閥，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調整調壓閥開度，修改此參數(shù)使得壓力控制精度達到0.5％。

2、調節(jié)大流噴管時，在有限氣源情況下，氣源壓力會產(chǎn)生劇烈變化，如果采用調節(jié)小流量選取PID控制參數(shù)的方法，在調節(jié)開始時所設定的參數(shù)暫時滿足初始狀態(tài)下調節(jié)需求，隨著氣源壓力快速變化時初始控制參數(shù)所產(chǎn)生的輸出無法滿足調節(jié)要求，調壓閥芯開啟的速度無法跟隨氣源的變化速度，如果單一增大PID控制能力，會出現(xiàn)超調或震蕩的情況。這時就應根據(jù)氣源變化情況在初始PID控制參數(shù)進行實時增益補償，使得補償后PID控制算法產(chǎn)生的輸出可以滿足因氣源劇烈變后調節(jié)需求。

第五步計算出調壓閥后總壓P：根據(jù)空氣動力原理由目標流量值G和實測總溫T0的值計算得到理論值的總壓P。

第六步計算出調壓閥閥芯位移值L：根據(jù)第二步得到的壓力恢復曲線計算出調節(jié)調壓閥后總壓P所對應的調壓閥閥芯位移值L，即在已知實測壓力值P2、調壓閥后總壓P和調壓閥總行程，可計算出調壓閥閥芯位移值L。

第七步制定控制策略：根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、準確性、快速性的基本要求，高精度氣體壓力控制一般采取分段閉環(huán)控制，本法方采用的是先將調壓閥進行位置閉環(huán)控制，當調壓閥芯位置進入位置誤差帶后轉入壓力閉環(huán)調節(jié)。

第八步設置控制參數(shù)和目標值：根據(jù)第二步、第四步得到的PI D控制參數(shù)分別作為位置閉環(huán)時和壓力閉環(huán)的控制參數(shù)，根據(jù)第六步得到的調壓閥閥芯位移值L作為位置閉環(huán)的目標值，根據(jù)空氣動力學原理在已知流通面積A和空氣流量G的情況下，根據(jù)當前總溫測量值T0就有一個調壓閥后總壓P0與之對應，由于溫度在氣體流通時會發(fā)生變化，所以調壓閥總壓設定值是一個隨溫度變化而改變的變量。壓力閉環(huán)控制時就以這個變量作為目標值。

第九步根據(jù)控制策略對氣體流量進行控制：打開氣源截止閥，打開氣源截止閥，使氣源壓力與調壓閥前壓力平衡，調節(jié)調壓閥的開度，使調壓閥閥芯位置進入指定誤差帶后(一般為全行程的1％)，延遲時間進入調壓閥壓力閉環(huán)調節(jié)，延遲時間長短一般根據(jù)設備所能產(chǎn)生的背壓和所需調節(jié)空氣流量的大小決定，如相同背壓情況下調節(jié)空氣流量較小時延遲時間較長，流量大時延遲時間較短。延遲時間可以使閥門更加準確運動至所需位置，調壓閥后管道及設備的產(chǎn)生的背壓會對調壓閥后總壓P0產(chǎn)生擾動，另氣罐快速排氣溫度與壓力的耦合變化對流量調節(jié)影響較大，延遲時間后壓力與溫度會有初始的劇烈變化到達相對穩(wěn)定狀態(tài)，壓力目標值在此時受影響幅度較小，進入壓力閉環(huán)調節(jié)后系統(tǒng)可以快速達到穩(wěn)態(tài)。

當更換噴管時，重復第一至九步驟。

本發(fā)明根據(jù)空氣動力學原理，流通通道內的空氣流量與流動總壓、總溫、流通面積和速度系數(shù)具有一定的函數(shù)關系，要達到控制高精度氣體流量，精確控制調壓閥后總壓就是解決問題的關鍵，主要解決有限氣源條件下氣罐快速排氣溫度、壓力的耦合變化對也會對流量調節(jié)有較大影響，整個系統(tǒng)也會有更強的非線性(比如氣源壓力劇烈變化)，系統(tǒng)背壓對流量調節(jié)擾動因素。流量調節(jié)的速度快且無超調，對設備影響小。