高精度气动容腔自动调压技术研究

d o i：10.11832/j.issn.1000-4858.2017.11.018
高精度气动容腔自动调压技术研究
张凯，李彦良，宋文潇，田宁，齐斌
(北京航天长征飞行器研究所，北京100076)
摘要：针对目前管路系统压力调节方式引入中间级部件造成压力调节死区的问题，提出了一种高精 度气动容腔自动调压技术。

根据系统组成原理建立系统的动态数学模型，在LAVIEW环境下进行仿真计
算。

利用正交设计方法，对影响控制精度的4个关键因素—
—容腔容积、节流孔径、容腔上游压力及最小充 放气时间进行分析，得到其对控制精度的贡献率依次为27. 2%& 24. 4g、23. 9%和24. 5%。

设计了气动容
腔自动调压系统，并选择一组合适的参数搭建了实验平台，同时结合PID控制算法进行压力调节试验，压力
调节控制精度可达到0.01 MPa。

关键词：自动调压；正交分析;P:%仿真
中图分类号:TH138 文献标志码:B文章编号=1000-4858(2017)11-0092-06
Research on High-precision Automatic Pressure Regulation for
Pneumatic Cushioning Chamber
ZHANGKai，LI Yan-liang，SONGWen-xiao,TIANNing，QI Bin
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle，Beijing 100076)
Abstra c t：Focused on problems of pressure regulating modes of piping system，this study reviews a h automatic pressure regulating method by cushioning chamber.An automatic pressure regulating system is designed，
and a mathematical model of the system is given.Based on Lab V IEW，a simulation is applied to d factors on the control accuracy b y the ortliogonal analysis.On this basis，a test platform is set up，an regulating experiment combined with PIDcontrol algorithm is done.The results verify the effectiveness o lating method.The investigation provides a new conception for the pressure regulating mode of t and also lays the theoretical foundation for the further research.
Key words:automatic pressure regulation，orthogonal analysis，PID，simulation
引言
能源、冶炼和化工等民用领域，以及航空、航天等 军工领域的大型生产试验设施中常涉及到管路系统。

而管路系统中的压力调节装置起着调节管路内介质压 力，保证介质稳定准确输送的重要作用。

目前对于大流量气体的压力控制，常见的压力 调节方式主要采用小流量的手动弹簧式减压阀+大 流量的气动减压阀组成的两级调压方式[1-2]。

试验 前人工手动设定减压阀的弹簧预设值，其输出的气 源作为下一级气动减压阀的控制信号，实现对气动 减压阀的控制，但是该方式无法实现压力的远程控制和自动调节。

为了实现压力调节的计算机远程自动控制，常采 用由电气比例阀、调压阀和气动减压阀组成的三级调 压装置的调压方式[3-4]，如图1所示。

电气比例阀的 输出压力较低，作为下一级调压阀的初级控制信号;调 压阀的输出压力较高，作为最后一级气动减压阀的控 制信号。

通过控制电气比例调节阀可以间接实现对主
收稿日期:2017-7-13
作者简介：张凯（1987—），男，黑龙江佳木斯人，工程师，硕 士，主要从事试验控制与测量工作。

管路减压阀控制信号的调节，完成主管路压力控制。

气动减压阀
图1三级调压原理
压方式在实际使用过程 到难以
的死区问题。

三 压引人了中间级的调压阀，调压为机械 件，避免的存在摩 ，当电气比的量 克服调压阀的摩擦力时，压 无变，大作用，因此在着较明显的死区效应。

对 ，提出了一种高精度气动容腔自动压 技术，了成，建了的动 态数学，对影响压力调节 度的4个关键因—容腔容积、节 、容腔 压力及最小充放气时间进行了正交。

择一 的搭建了实 ，并进行了 ，压力调节精度可以达到0.01 MPa。

压置可用于代替三压装置中的初级电气比 和中间 压阀，直 气 对气动减压 进行 ，实 大 量气 管 的压 力自动 。

1调压控制原理
气动容腔自动调压 定容腔、节 、进气电磁阀、放气电磁阀、安全 、过滤器、减压阀、压力 器、及管件组成，2。

端是一个基 量输出的压力值，为气动减压阀的气腔提 压力。

定容腔的压力来实现对气动减压阀的控制，完成主管路压 力 节。

的工作原理:通过控制进/出固定容腔气量的 大小 节容腔压力的大小。

气的高压气首先经过滤器滤 ，经过减压阀，一个较为定的容腔 压力。

进/出固定容腔的气量由进气电磁阀和放气电磁阀的通气时间、节流孔径，以及固定 容腔 压力决定，在节 和减压 格选定的情况下只能 进气电磁阀和放气电磁阀的通气时间来实现容腔的压力 。

通气间由测
依据目标压力、容腔压力 进行，控制电磁阀的开启关 间间隔，逐进行压力。

2分
2.1数学模型
为了对气动容腔自动调压 进行 ，需要建 学。

为了建模方便，这提下物简 $
(1)在高压压缩空气低于20 MPa情况下，气
压缩一般偏离1的程度都不大（<5%)，这
实际的高压气 近似简化为 气体；
(2)空气流经小 与管壁 面小、流动快，考虑为一维等 动。

气体在气动容腔调压 的流动过程是一个复杂变质量 的热力学过程。

质量连续性方程和能量 方程 建 气动容腔 压 的动态 学。

1)小 量特性方程
各种气动阀在气动 都是1个气阻 ，在量特性上基 将其等价为1个小孔，并用小孔的流量特性 量特性， 3 。

过滤器
放气电磁阀
，进气，—|节流孔
安全泄放阀
固定容腔
压力值
输出
丨压力传感器
控制系统
-►
主管路进气
气动减压阀
主管路出气
图2
气动容腔调压原理
Pi P i Pi A Pi
图3流经小孔的气流
流经小孔的质量流量方程[5]:
⑴
-)0.5283
\ 0.5283
⑵，：、&为气体压力与温度；&为下游气压力与温度；-为绝热 ）？为 气体的气体
常数；A@= "x A为小孔有效截面积，"为缩流系数，A为小孔面积。

2 #定容腔充放气的动态特性方程
容腔的充放气过程是一个开口 。

基
拉法，将容腔内壁面 的空间作为对 。

是一个开放空间，压缩空气和热量都可进出
，的空气体积一定。

容腔内空气
的变化量 压力P和温度&[6]。

压力P和温度&微分方程如下$
，0为气体摩尔质量； < 为容腔容积；+为多变指 ;?为摩尔气 ；z(1)定，这方程就只有压力P和温度&两个未知量，当初始条件确 定 ，就 定整个充放气过程中压力和温度的动态变 程。

2.2仿真程序设计
基 的理论分析，在LabVIEW环境下自行编一套气动容腔调压仿 的迭代程
[7]， 4 。

将（2#和（3#的学封装
一公式节点中，在仿 首先给定初始条件，依次 压力和温度的微分值，再 积 回积 的值到公式节点输入端即可完成动态 的。

仿真程 气 热指数- = 1.4,节 缩流系数"=0.62,多变 + = 1.3,氮气的气 ？= 297。

程在给定固定容腔容积、节 、容腔上压力后，定容腔内气体压力的反复迭代 ，得容腔内气体压力的动态变化过程。

2.3 关键参数正交设计
(2#和（3# ，容腔容积、节 、容腔 压力以及最小充放气时间是决定固定容腔充气动态性能和精度的 。

入□压力【M P a)
I I
float Se：
float P：
float R1;I II
//计貯面积
hr
if(PL<=PH8t&PH<=1.89*PL)
{6=Se*PH*sqrt(2K/R1^H* K-1 *( P17P H ** 2/IO-{PU Pm**((K+1 /I Q;
if (D=
{P=P H;)
{P=P U*}
计具周期(m i)G=D*G
PP^n*T s*G*R*T/(V*M+P;园
TT=(n-1 )*Ts*G*R*(T，2)/(P*V*M) +T;
图4
仿真程序框图
以充气过程为例，以最为关注的固定容腔充放气 度作为评判标准，利用正交 方法对影响容腔充气的几个关键 进行 [8]，如表1&
表1容腔充放气参数及水平表
因素
水平容腔
容积/L 节
/mm
上游
压力/MPa
最小充
间/s
11120.1
25 1.530.2 310250.5
利用正交 的实 排及仿 见表2, 这里仿真结果选为对应调节1MPa压力时的充放气最 小压力调节变化量作为充放气精度。

表2正交设计实验安排及仿真结果
因素
水平容腔
容积/L 节
/mm
上游
压力/MPa
最小充
间/s
充气
精度/MPa
11(1)1(0.8)1(2)1(0.05)0.041 212(1)2(3)2(0.1)0.201 313(1.5)3(5)3(0.2) 1.846
42(5)1230.048 522310.032 623120.058
73(10)1320.02 832130.024 933210.022
0.6960.0360.0410.032
0.0460.0860.090.093
0.0220.6420.6330.639
极差0.6740.6060.5920.607
献率27.2%24.4%23.9%24.5%
从表2中可以看出，在研究范围内，各因素对固定 容腔充放气精度的贡献率依次为容腔容积占27. 2g，节 24. 4%，容腔 压力占23. 9g，最小充气时间占24.5%。

显然，4个 对固定容腔充放气精度的影响都很大，这 容腔容积影响相对突出
一些，在 充放气的精度和充放气响应时间 择容腔容积，容积太小会造成充放气精
度过低，而容积太大则会造成充放气时间增加，影压
力 应。

次，节 和 最小 充 气 间对 定容腔充 气 度 大的 影 ，节 的择 考虑充放气的时间 ，而最小充放气时间则
电磁阀的最小开关时间决定。

最，容腔 t 压力对固定容腔充放气的精度 一定的影响，但过高的 压力会增加成本和 风险，同压力与工作点偏差越小，压力抖动越小，越容，因此 压力的调节 择上压力。

3实验验证
面对 的，仿 定了一组的，搭建了压力 的实 ，5% 6所示。

具体参数如下：固定容腔体积< = 6.4 L，节流 孔径S= 1mm，减压 择的 Y5706/001型减压阀，减压后输出压力范围为0.2〜2 MPa，进气和 气电磁 择德国CO AX的A 45系列电磁阀，DN2 口，最小开关时间20/45 ms(打开/关闭#。

气源
过滤器减压器压力传感器放气阀
固定容腔节流孔
图5实验平台
上位机
图6
配套测控设备
百标压力八
图7控制系统框图
该控制系统原理框图如图7所示，通过实时采集 固定容腔的
压力，与目标压力进行比较，得到的偏
作为 器的输人量， 器的
PWM 发生器产生周期一定的PWM ，对充气和
气电磁阀的开
间进行有效
，从而达到动态节固定容腔压力的目的。

这 用工程上最为常用
的P ： 进行 ，充
期3 =2,。

首先在该实 进行了连续充放气的性能测
，得到了充气和放气过程的特性曲线，与仿
比'
，仿的压力变
线与实
为
近，证明了仿真程
的有效性。

图8仿真与实测对比曲线图
为了 方式的有效性，在 实 台
进行
跃响应。

对充放气过程分别进行实
，实
线
9、图10
，
看
方 好的 效果，稳定的 度 达
到0.01 MPa 。

并且实 线在充放气至目标值后，随
图10放气过程阶跃响应
着时间 ，容腔内气体与外界进行了充分的热交换，气体压力 随着温度的变化而产生一定的变化，控
器也能够及 应，将压力 度 。

并
且
看出当选择较高的
压力时，系
应速度快，但是
在一定的 量。

量在电磁阀的性能
择较小的充放气最小调节时间也
效减小 量。

为了 方 在
连续充 气 程 的
动态跟随特性，进行了相应的正
应。

目
标曲线为一个
置为1 MPa ，振为0.2 MPa ，周
期分别约为30 ,和40 s 的正 线。

目标曲线
和实 线 11 ，当目标曲线变 期在一定
，
方
好的跟随特性，实
及
随目标值的动态变
程。

而当目标曲线变
期较小时，会造成 充放气速率
高，该系能力无
，存在一定的。

图9充气过程阶跃响应图11
充放气过程动态跟随
为了减小动态跟随试验的滞后，采取增大节流孔
的方式，将节
增大至
1.2 m m ，
进行周期为30 S 的正弦响应测试，结果如图12
，动态跟随
效果得到了提升，但是也在一定程度上降低了
的
节精度， 这
节速度和调节精度综
合考虑。

图12增大孔径后的动态跟随效果
4
结论
对目前管
压力调节方
在的引人中间
件造成的压力调节死 ，提了一种高精度气动容腔自动调压技术。

成
建立了
的动态数学 ，
在LAVIEW 环境下进行了仿 。

利用正交
•
方法，对影 度的4个关键一容腔容积、
节 、容腔
压力及最小充放气时间进行了分
析。

仿
$
(1)
仿
与实测数值可以很好地吻合，验证
了该仿真程序的正确性；
(2) 容腔容积、节 、压力及最小充放气时间对 度的贡献率依次为27. 2%、24. 4%、23. 9%和24.5%，4个 对固定容腔充放气精度的影响都很大， 压速度和调压精度综
合考虑。

了气动容腔自动调压
，
择一组
合理的参数搭建了实验平台，同时结合PID 控制算法
进行了压力调节。

$
(1) 压力调节 度 达到0.01 MPa ;
(2) 目标曲线变 期在 能力 ，该控制方 好的跟随特性，实际输出可以及 随目标 的动态变 程。

参考文献：
[1]
贺小锋，张铁华.一种高压大流量气动定差压力阀的研制
和可靠性分析[J ].液压与气动，1999，（ 3 )$30 - 32.
HE Xiaofeng ，ZHANGTiehua. The Development and Relia­
bility Analysis of a High Pressure and Hhigh Flow Pneumatic Differential Pressure Valve [ J ]. Chinese Hydraulics & Pneumatics ，1999，（3 )$30 - 32.[2
] 阇耀保，陈洁萍，罗九阳，等.氢能源汽车车载超高压气动减压阀的机理与特性 [J ].中国工程机械学报，2007,(2) $44 -48.YIN Yaobao ， CHEN Jieping，LUO Jinyang，et al. Mecha­nism and Property Analysis on Ultrahigh-pressure Pneumatic Decompressing Valve for Hydrogen Vehicles [ J ]. Chinese Journal of Construction Machinery ，2007，（2) $44 -48.[3
] 金立波，赵升吨，李靖祥.气动用电气比例/伺服减压阀的
压方式探讨[J ].锻压装备与制造技术，2015, (2) $41 -45.JINLibo ，ZHAOShengdun，LI Jingxiang. Discussion About Proper Pressure Regulating Method of Electric-pneumatic Proportion/servo Reducing Valve [ J ]. China Metalforming
Equipment & Manufacturing Technology ，
2015，（2)$41 -45.[4
] 徐志鹏，王宣银，罗语溪.高压气动比例减压阀设计与仿 真[J ].农业机械学报，2011，42(1)$209 -212.
XU Zhipeng，WANG Xuanyin，LUO Yuxi. Design and Sim­ulation of a High Pressure Proportional Pneumatic Pressure Reducing Valve [ J ]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery ，2011，42(1) $209 -212.
[5
] 蔡茂林.现代气动技术理论与实践第一讲:气动元件的 流量特性[J ].液压气动与密封，2007，（2)$44 -48.
CAI Maolin. The Theory and Practice of Modern Pneumatic Technology ( First )$ The Flow Characteristics of Pneumatic Components [ J ]. Hydraulics Pneumatics & Seals ， 2007， (2) $44 -48.
[6
] 蔡茂林.现代气动技术理论与实践第二讲:固定容腔的 充放气[J ].液压气动与密封，2007，（3)$43 -47.
CAI Maolin. The Theory and Practice of Modern Pneumatic Technology (Second )$ The Charge and Discharge of Fixed Chamber [ J ]. Hydraulics Pneumatics & Seals ，2007, ( 3 )$ 43 -47.[7
] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8. 20程序设计[M].北京:清 华大学出版社，2007.CHENXihui ，ZHANGYinhong. The Program Design Based on LabVIEW 8. 20 [ M ]. Beijing $ Tsinghua University Press ， 2007&
[8
] 刘文卿.实验设计[M ].北京:清华大学出版社，2005. LIUWenqing. The Experimental Design [ M ]. Beijing $ Ts- inghua University Press ，
2005.。