一種流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及氣體壓力數(shù)字控制領(lǐng)域，尤其涉及一種流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓 力控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)氣體壓力控制裝置多通過(guò)機(jī)械式調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)膜片等彈性感壓元器件， 將輸出端氣體壓力反饋至控制機(jī)構(gòu)，推動(dòng)活門(mén)建立流量，進(jìn)而改變輸出端壓力。但由于控制 機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，機(jī)構(gòu)之間存在摩擦等因素，其控制的響應(yīng)速度及精度都受此影響。隨著數(shù)字 控制技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始嘗試應(yīng)用數(shù)字控制裝置控制氣體壓力，由于該控制通過(guò)驅(qū)動(dòng)元 件直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)而能夠提高響應(yīng)速度和精度。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā) 現(xiàn)常規(guī)的數(shù)字控制方法，如PID控制、PI模糊控制等，雖然在某些應(yīng)用范圍獲得了預(yù)期的效 果，但對(duì)一些特殊應(yīng)用范圍，如小目標(biāo)容積和有大范圍流量干擾項(xiàng)的控制，其效果不如機(jī)械 式調(diào)節(jié)器的控制效果。
[0003] 在這樣的小目標(biāo)容積和有大范圍流量的領(lǐng)域，如飛行員供氧調(diào)節(jié)裝置，其控制的 目標(biāo)腔體容積不足1L，而使用過(guò)程中會(huì)有流量變化范圍在0~300L/min的干擾項(xiàng)。由于 實(shí)際情況下存在較大變化量的干擾輸出流量，如果單純使用出口壓力進(jìn)行控制，流量干擾 項(xiàng)對(duì)控制系統(tǒng)是不可觀的，因此在調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)法針對(duì)變化的干擾項(xiàng)進(jìn)行有效地調(diào)整和跟 隨，這導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)的輸出流量相較干擾流量始終存在動(dòng)態(tài)誤差。同時(shí)由于系統(tǒng)阻尼及數(shù) 字系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期等原因，會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)存在靜態(tài)誤差。
[0004] 綜上，傳統(tǒng)的機(jī)械式氣體壓力控制裝置在響應(yīng)速度和響應(yīng)精度上達(dá)不到要求，常 規(guī)的數(shù)字化氣體壓力控制裝置又存在不可控的動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械式氣體壓力控制裝置在 響應(yīng)速度和響應(yīng)精度上達(dá)不到要求，常規(guī)的數(shù)字化氣體壓力控制裝置又存在不可控的動(dòng)態(tài) 誤差和靜態(tài)誤差的缺陷，提供一種能夠解決動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差，并且響應(yīng)速度快、控制精 度高的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置。
[0006] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本實(shí)用新型提供一種流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置，包括氣源腔、待控制 壓力腔和控制裝置；
[0008] 所述待控制壓力腔內(nèi)安裝有流量傳感器和壓力傳感器；
[0009] 所述控制裝置包括活門(mén)座、活門(mén)桿、橡膠墊、音圈電機(jī)、控制板和彈簧；
[0010] 所述控制板與所述音圈電機(jī)、所述流量傳感器和所述壓力傳感器相連，并控制所 述音圈電機(jī)的工作狀態(tài)；
[0011] 所述音圈電機(jī)與所述活門(mén)桿相連，并在通電時(shí)帶動(dòng)所述活門(mén)桿運(yùn)動(dòng)；
[0012] 所述活門(mén)桿上套接有所述彈簧，所述彈簧將所述活門(mén)桿壓緊在所述活門(mén)座上；所 述活門(mén)桿的活動(dòng)端設(shè)置有用于對(duì)所述氣源腔密封的所述橡膠墊。
[0013] 所述活門(mén)座、所述活門(mén)桿和所述橡膠墊構(gòu)成可變密封結(jié)構(gòu)。
[0014] 所述流量傳感器設(shè)置在靠近流量干擾源處。
[0015] 本實(shí)用新型產(chǎn)生的有益效果是：本實(shí)用新型的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝 置針對(duì)一類(lèi)小目標(biāo)容積和大流量范圍的氣體壓力控制系統(tǒng)，如飛行員供氧調(diào)節(jié)裝置，根據(jù) 采集到的氣體壓力數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出干擾流量的大小以及壓力輸出的誤差，并通過(guò) 控制裝置控制活門(mén)桿調(diào)節(jié)輸入的氣體壓力，使待控制腔內(nèi)的壓力達(dá)到目標(biāo)控制范圍，能夠 有效的消除動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差，提高了控制精度；另外，通過(guò)音圈電機(jī)帶動(dòng)活門(mén)桿進(jìn)行調(diào) 節(jié)，能夠快速的對(duì)氣體壓力的變化做出響應(yīng)，控制效率高。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：
[0017] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置的系統(tǒng)框圖；
[0019] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置的控制算法流程 圖；
[0020] 圖中1-活門(mén)座，2-活門(mén)桿，3-橡膠墊，4-音圈電機(jī)，5-控制板，6-流量傳感器， 7_壓力傳感器，8-彈簧，9-氣源腔，10-待控制壓力腔。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本 實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0022] 如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置，包括氣源 腔9、待控制壓力腔10和控制裝置；
[0023] 待控制壓力腔10內(nèi)安裝有流量傳感器6和壓力傳感器7 ;
[0024] 控制裝置包括活門(mén)座1、活門(mén)桿2、橡膠墊3、音圈電機(jī)4、控制板5和彈簧8 ;活門(mén) 座1、活門(mén)桿2和橡膠墊3構(gòu)成可變密封結(jié)構(gòu)。
[0025] 控制板5與音圈電機(jī)4、流量傳感器6和壓力傳感器7相連，并控制音圈電機(jī)4的 工作狀態(tài)；流量傳感器6設(shè)置在靠近流量干擾源處。
[0026] 音圈電機(jī)4與活門(mén)桿2相連，并在通電時(shí)帶動(dòng)活門(mén)桿2運(yùn)動(dòng)；
[0027] 活門(mén)桿2上套接有彈簧8,彈簧8將活門(mén)桿2壓緊在活門(mén)座1上；活門(mén)桿2的活動(dòng) 端設(shè)置有用于對(duì)氣源腔9密封的橡膠墊3。
[0028] 如圖2所示，在本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例中，雙閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)通過(guò)監(jiān)測(cè)活門(mén) 的輸入流量和系統(tǒng)出口處的壓力變化，計(jì)算出干擾流量的大小，再以輸入流量和干擾流量 的差值作為內(nèi)環(huán)控制參數(shù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，確定活門(mén)移動(dòng)方向和相對(duì)位移量，進(jìn)而使活門(mén)輸 出流量始終與干擾流量在整個(gè)控制過(guò)程中保持一致。同時(shí)由于系統(tǒng)阻尼及數(shù)字系統(tǒng)調(diào)節(jié)周 期等原因，會(huì)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)存在靜差，通過(guò)外環(huán)的壓力控制環(huán)，對(duì)靜差進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)系統(tǒng) 的調(diào)節(jié)周期為活門(mén)附加以較小的位移量，使系統(tǒng)的壓力能夠在若干個(gè)周期內(nèi)到達(dá)目標(biāo)控制 范圍。
[0029] 控制板5按預(yù)設(shè)的內(nèi)部程序，一定的頻率采集及處理流量傳感器6和壓力傳感器 7的輸出量，獲取待控制壓力腔的流量E和壓力P，之后根據(jù)物理結(jié)構(gòu)的流量與活門(mén)開(kāi)度傳 遞函數(shù)關(guān)系及上一控制周期輸出的活門(mén)開(kāi)度確定系統(tǒng)的等效流量E'，同時(shí)根據(jù)待控制壓力 腔的壓力P與目標(biāo)壓力的差值換算出補(bǔ)償流量E*，接下來(lái)根據(jù)流量傳感器6測(cè)得的流量E 與等效流量E'及補(bǔ)償流量E*的流量誤差EO = E-E' +E*，之后根據(jù)流量誤差EO的PID運(yùn) 算出控制量增量Xi，通過(guò)與本控制周期之前的X0、XI、……Xi-I累加獲得控制輸出，當(dāng)控 制板5向音圈電機(jī)4輸出控制信號(hào)，音圈電機(jī)4動(dòng)作克服彈簧8作用打開(kāi)活門(mén)桿2與活門(mén) 座1的密封，建立相應(yīng)的流量，進(jìn)而消除流量干擾項(xiàng)對(duì)待控制壓力腔氣體壓力的影響，同時(shí) 保證在調(diào)節(jié)過(guò)程中待控制壓力腔的壓力不會(huì)出現(xiàn)較大下降。
[0030] 如圖3所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的控制方框圖中有系統(tǒng)的干擾項(xiàng)，如果單純使用 出口壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，流量干擾項(xiàng)對(duì)控制系統(tǒng)是不可觀的，因此在調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)法針對(duì) 變化的干擾項(xiàng)進(jìn)行有效地調(diào)整和跟隨，這導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)的輸出流量相較干擾流量始終存在 動(dòng)態(tài)誤差，而系統(tǒng)采用的閉環(huán)控制參數(shù)為壓力，由干擾項(xiàng)不可觀引起的動(dòng)態(tài)誤差經(jīng)過(guò)時(shí)間 的積分就會(huì)反映在壓力上，進(jìn)而引起系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動(dòng)，因此通過(guò)增加內(nèi)環(huán)的流量控制，消除因 干擾項(xiàng)不可觀引起的動(dòng)態(tài)誤差，可有效控制系統(tǒng)的波動(dòng)。
[0031] 控制過(guò)程中可將氣體調(diào)節(jié)過(guò)程看成等熵絕熱過(guò)程，則物理系統(tǒng)的模型如下：由理 想氣體方程可得待控制壓力腔內(nèi)壓力微分方程為：
[0033] 其中，p--待控制壓力腔內(nèi)的壓力；
[0034] R--氣體常數(shù)；
[0035] V--待控制壓力腔容積；
[0036] κ--氣體絕熱指數(shù)；
[0037] T--溫度；
[0038] Qin--輸入待控制壓力腔的流量；
[0039] Qout一一輸出待控制壓力腔的流量，在飛行員供氧調(diào)節(jié)裝置中為飛行員的呼吸流 量干擾項(xiàng)。
[0040] 控制系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)控制活門(mén)桿的開(kāi)度，利用氣源腔的高壓氣體在待控制壓力腔建 立輸入待控制壓力腔的流量Q in，實(shí)現(xiàn)對(duì)待控制壓力腔氣體壓力的控制，輸入待控制壓力腔 的流量與活門(mén)開(kāi)度的關(guān)系為：
[0042] 其中，Cd-一活門(mén)流量系數(shù)；
[0043] A--活門(mén)流通面積；
[0044] p0--氣源腔氣體壓力；
[0045] T0--氣源腔氣體溫度。
[0046] 流通面積與活門(mén)開(kāi)度的關(guān)系為：
[0047] A = JT D · X
[0048] 其中，D 活門(mén)直徑；
[0049] X一一活門(mén)開(kāi)度；
[0050] 則活門(mén)開(kāi)度與待控制壓力腔的壓力的傳遞函數(shù)為：
[0053] 控制量Ui與活門(mén)開(kāi)度X的關(guān)系與電機(jī)特性相關(guān)，音圈電機(jī)的傳遞函數(shù)為：
[0055] 其中，kn--電磁力系數(shù)；
[0056] m--活門(mén)質(zhì)量；
[0057] c--阻尼系數(shù)；
[0058] k--彈簧剛度；
[0059] Tl 一一線圈回路電氣時(shí)間常數(shù)；
[0060] r--線圈回路電阻；
[0061] kn--電磁力系數(shù)；
[0062] kE--反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。
[0063] 則物理結(jié)構(gòu)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0065] 應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置，其特征在于，包括氣源腔（9)、待控制壓 力腔（10)和控制裝置； 所述待控制壓力腔（10)內(nèi)安裝有流量傳感器（6)和壓力傳感器（7); 所述控制裝置包括活門(mén)座（1)、活門(mén)桿（2)、橡膠墊（3)、音圈電機(jī)（4)、控制板（5)和彈 簧⑶； 所述控制板（5)與所述音圈電機(jī)（4)、所述流量傳感器（6)和所述壓力傳感器（7)相 連，并控制所述音圈電機(jī)（4)的工作狀態(tài)； 所述音圈電機(jī)（4)與所述活門(mén)桿（2)相連，并在通電時(shí)帶動(dòng)所述活門(mén)桿（2)運(yùn)動(dòng)； 所述活門(mén)桿（2)上套接有所述彈簧（8)，所述彈簧（8)將所述活門(mén)桿（2)壓緊在所述 活門(mén)座（1)上；所述活門(mén)桿（2)的活動(dòng)端設(shè)置有用于對(duì)所述氣源腔（9)密封的所述橡膠墊 (3)〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置，其特征在于，所述活門(mén) 座（1)、所述活門(mén)桿⑵和所述橡膠墊⑶構(gòu)成可變密封結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置，其特征在于，所述流量 傳感器（6)設(shè)置在靠近流量干擾源處。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種流量-壓力雙閉環(huán)氣體壓力控制裝置，包括氣源腔、待控制壓力腔和控制裝置；待控制壓力腔內(nèi)安裝有流量傳感器和壓力傳感器；控制裝置包括活門(mén)座、活門(mén)桿、橡膠墊、音圈電機(jī)、控制板和彈簧；控制板與音圈電機(jī)、流量傳感器和壓力傳感器相連，并控制音圈電機(jī)的工作狀態(tài)；音圈電機(jī)與活門(mén)桿相連，并在通電時(shí)帶動(dòng)活門(mén)桿運(yùn)動(dòng)；活門(mén)桿上套接有彈簧，彈簧將活門(mén)桿壓緊在活門(mén)座上；活門(mén)桿的活動(dòng)端設(shè)置有用于對(duì)氣源腔密封的橡膠墊。本實(shí)用新型能夠用于小目標(biāo)容積和大流量范圍的氣體壓力控制系統(tǒng)，并且控制效率高，響應(yīng)速度快。
【IPC分類(lèi)】G05D27/02
【公開(kāi)號(hào)】CN204965234
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520777167
【發(fā)明人】夏坤, 徐俊, 楊勇, 杜艷麗, 韓自強(qiáng)
【申請(qǐng)人】航宇救生裝備有限公司
【公開(kāi)日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年10月9日