雙級氣流場壓力解耦的控制范文

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《計測技術雜志》2015年第二期

1系統(tǒng)整體結構

氣體需要保持一定流量的流動，從而提高實驗艙內氣體溫度、壓力和濕度的均勻性。氣體的這種流動性給艙內壓力控制帶來了困難，本系統(tǒng)使用比例調節(jié)閥作為控制執(zhí)行機構，通過調節(jié)閥門開度改變氣路的有效導通面積，從而改變輸入與輸出氣體的流量，實現(xiàn)飽和器和實驗艙壓力精密控制的目的。為了解決調節(jié)速度和分辨力這一矛盾，設計了粗調閥和精調閥并聯(lián)結構。暫態(tài)過程使用粗調閥，減小調節(jié)時間;穩(wěn)態(tài)過程使用精調閥，提高控制精度。如圖1所示，上游飽和器C1以S1作正壓源，以C2作負壓源，通過V1，V2控制飽和器壓力;下游實驗艙C2以C1作正壓源，以S2作負壓源，通過V3，V4，V5，V6，V7控制實驗艙壓力。可以看出，飽和器壓力與實驗艙壓力在控制過程中是相互影響的，彼此不是獨立的，具有很強的耦合關系。飽和器與實驗艙壓力控制框圖如圖2所示。假定飽和器和實驗艙壓力控制對象的傳遞函數(shù)分別為GU(s)，GD(s);對應的控制器傳遞函數(shù)分別為LU(s)，LD(s);RU(s)，RD(s)分別表示飽和器和實驗艙的壓力階躍輸入;ULU(s)，ULD(s)分別表示控制器輸出;YU(s)，YD(s)分別表示實際輸出;PU(s)表示飽和器壓力對實驗艙壓力的擾動，PD(s)表示實驗艙壓力對飽和器壓力的擾動［2］。

2系統(tǒng)建模

壓力控制的執(zhí)行機構是比例調節(jié)閥，調節(jié)閥通過調節(jié)閥門開度大小改變通過的氣體流量，容器的壓力變化與流入和流出的氣體流量差成正相關。因此，分析調節(jié)閥的流量與開度關系，就可以建立調節(jié)閥與壓力的模型。本文以理想氣體為研究對象，由理想氣體狀態(tài)方程。設飽和器輸入流量為QUi，飽和器輸出流量為QUo;實驗艙輸入流量為QDi，實驗艙輸出流量為QDo，則飽和器壓力pU與實驗艙壓力pD的動態(tài)方程可以表示。

3解耦控制

針對圖2中飽和器和實驗艙壓力控制中的耦合問題，本文設計了對角矩陣法來進行解耦控制，對角陣解耦的實質是讓被控對象的傳遞函數(shù)矩陣與解耦矩陣的乘積等于對角陣。

4實驗結果

課題要求實驗艙壓力檢定范圍:45～130kPa，穩(wěn)態(tài)精度:10Pa。定義穩(wěn)態(tài)精度為控制進入穩(wěn)態(tài)后氣壓不超出目標值的最大幅度。在氣體溫度為25℃下，設定實驗艙控制目標為90kPa，飽和器控制目標為180kPa，在其他條件不變的情況下，分別進行無解耦壓力控制與有解耦壓力控制實驗。本文主要關注壓力控制的穩(wěn)態(tài)特性，因此對于控制過程的暫態(tài)特性不進行分析。實驗結果如圖4和圖5所示，采樣周期為100ms。圖4為解耦前后飽和器的穩(wěn)態(tài)壓力對比圖，可見，解耦后穩(wěn)態(tài)精度提高了3倍。圖5為解耦前后實驗艙穩(wěn)態(tài)壓力對比圖，可以發(fā)現(xiàn)，解耦后實驗艙壓力穩(wěn)態(tài)精度提高了一個數(shù)量級，穩(wěn)態(tài)精度在6Pa，達到了課題要求。

5結論

針對氣候觀測綜合計量檢定系統(tǒng)的飽和器與實驗艙壓力控制具有極強的耦合關系，應用對角矩陣法對雙極氣流場進行解耦，克服上游飽和器壓力與下游實驗艙壓力的相互影響，并進行了實驗驗證，取得了很好的效果，提高了壓力控制的穩(wěn)態(tài)精度。

作者：何畔孟曉風單位：北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院