高壓氣體壓力控制系統分析

郝紅英 陳世瓊

（西昌學院 汽車與電子工程學院，四川 西昌 615013）

1 HPGCS 工作原理及特性分析

1.1 HPGCS 工作原理及操作過程

1.1.1 工作原理

HPGCS 是壓力計量中對壓力精密控制的關鍵器件，其系統主要由氣源、比例電磁閥、氣容、測壓傳感器、控制器、微調器、步進電機和各種連接安裝器件組成，各部件功能如下。

（1）氣源用于提供高壓氣，一般為氣瓶或壓力儲罐，實際壓力值會隨調壓工作過程變化，為簡化處理，可認為其為一恒定值。

（2）進排氣閥能根據控制要求以一定的開度進行開啟，從而實現氣源與系統或系統與大氣的連通，完成HPGCS 的進氣或排氣。

（3）控制器用于檢測系統的實時壓力值，接受用戶輸入設置，按照一定的控制策略實現對進排氣閥、步進電機的控制，最終使系統輸出滿足用戶設定要求的壓力。

（4）壓力檢測元件是能實時檢測系統壓力值的元器件，一般為壓力傳感器或壓力變送器。

（5）氣容是系統負載部分，也是系統控制的關鍵對象。 本文所研究的氣容為非消耗型氣容， 即該氣容容積空間中的氣體在工作過程中其物質的量無變化 （忽略可能存在的少量滲漏干擾）。 對于消耗型氣容負載系統，通常采用流量調節閥來進行控制，不在本文研究范圍。

（6）連接器件是實現系統安全連接，提供氣流通路的管路和連接件，其材質一般為不銹鋼，按剛體考慮（即不存在彈性變形），故系統容積不受內部壓力變化影響。

系統工作原理：通過改變固定容積空間內氣體物質的量來改變其壓力（進排氣過程），通過改變一定物質的量的氣體的容積空間來改變其壓力（微調過程）。

1.1.2 操作過程

其工作流程如圖1 所示。

控制實施時，系統首先進行粗調：先通過檢測元件獲取系統當前壓力值，然后與設定值相比較，按照設定規則進行判斷，實現對進排氣閥的控制，使系統壓力值獲得改變。當系統壓力值達到一個設定的轉換限時，系統轉入微調（精確調節或精調）階段。 精調階段：系統通過微調器對系統壓力實施精細調節，最終使輸出壓力值滿足設定精度要求。

系統具有分層遞階式控制的特點， 輸出具有較高的精度，體現出智能多模態控制的特點。

1.2 HPGCS 特性分析

HPGCS 中高壓氣體在進行充放氣時具有以下顯著特征：

1.2.1 非線性。 氣流在HPGCS 中的流動受其結構影響，事實上，HPGCS 結構中存在各種形狀的流通通路， 各自對氣流都有很強的影響，使得進排氣時氣流呈現明顯的紊流特性。 因此，系統壓力的變化表現為明顯的非線性特征， 難以用簡單公式進行描述。

1.2.2 遲滯性。 氣流進入HPGCS 容積中不可能瞬時完成均勻混合，而是一個內壓逐步平和的過程，系統因此表現出明顯的遲滯性特征。

1.2.3 震蕩特性。 系統即使完成了進排氣或其他影響氣流的操作，由于氣流在密閉容積空間的傳播特性，在遇到其邊界時會產生反射，從而在容積空間中引起壓力震蕩，需要經過一定的時間才能穩定下來。

1.2.4 不準確性。 實際測量時，傳感器只能布置在系統特定位置，所測結果難以準確反映整個系統壓力狀況，即系統測量具有不準確性，具有明顯的局部特性，這也表現為遲滯性和震蕩性。

圖1 HPGCS 操作過程

2 HPGCS 技術要求、理想調壓特性及控制策略選擇

2.1 HPGCS 技術要求

對于全自動HPGCS，在用于壓力儀表檢定校準時，由操作者通過按鈕設置其控制輸出壓力值，在輸出穩定后，以此為標準同被檢設備的值進行比較完成其校準檢定工作。 系統基本要求如下：（1）數字式的配置管理模式，即能通過數字輸入設定需要的輸出結果；（2）自動的動作響應，可自動快速完成調壓工作，工作中不需人工干預；（3）高精度的輸出結果，可直接用作標準值，滿足計量相關規程要求。

據此， 結合計量規程及使用要求可知，HPGCS 作為壓力計量的關鍵設備，其技術性能基本要求應包括以下內容：（1）沖擊小。 調壓過程應盡可能平穩，避免壓力的較大波動，確保能精確地反映被檢設備的性能，避免設備受到沖擊損壞。 （2）超調量小。檢定規程明確要求在進行壓力示值檢定校準時， 應平穩地升壓或降壓，避免沖擊和回程。 因此，HPGCS 的超調量要小，否則難以達到平穩升降壓的要求。 一般來說，系統的超調量應小于其校準檢定對象允許誤差。 （3）響應時間短。 由于高壓氣體在受到壓縮時會產生振蕩，因此，其穩定時間對系統影響較大，一般一臺工作性能良好的HPGCS，其從開始調壓到穩定輸出應在30s 內。（4）穩態誤差小。 為實現對被檢設備的有效校準檢定，要求標準器部分所帶來的誤差應小于被檢允許誤差的1/3，故系統輸出的穩態誤差應盡可能小。 根據實際使用要求，HPGCS 輸出穩態誤差應小于被檢允許誤差的1/3，考慮各種不確定度的影響，其輸出穩態誤差為被檢允許誤差的1/4 為宜。

2.2 HPGCS 理想調壓特性

想象HPGCS 的理想調壓（升壓）特性應是：在初始階段，系統以較快速度上升，此時閥門輸入開度增益達到最大。隨著輸出增大，開度增益逐漸減小，但系統輸出開始逐漸變緩，直到系統輸出接近設定值時，閥門開度到達零，隨后系統持續緩慢變化直到輸出等于設定值。降壓與此類似。因此系統理想調壓特性曲線（10MPa 到15MPa）可用圖2 表示。

圖2 反映的工作特性是，在起始時由于系統遲滯和閥門開度影響，其上升速度很慢。 隨后閥門開度達到最大，系統快速上升，達到一定值后系統閥門開度逐漸減少，實現對系統的緩慢補壓，直到輸出趨近設定輸出值，關閉閥門的同時系統輸出壓力基本穩定。 理想調壓特性顯示，系統輸出壓力平穩、無超調、無穩態誤差，顯然滿足HPGCS 既定要求。

圖2

事實上，這種理想情況是不存在的，而且對于電控閥要實現精確的無級開度調整非常困難， 因為高壓下其閥座密封的狀態在變化，相同開度可能隨著時間的推移而出現較大變化。根據相關研究，采用直動電磁閥控制的氣壓系統，其壓力輸出脈動往往較為明顯。 因此，為降低系統實現難度，同時滿足系統快速性和高精度要求，可參照現有手動HPGCS 的分段調壓模式，即將系統分為粗調和精調兩種過程。 在調壓前期，誤差較大時采用電控閥調節，在接近輸出設定值時采用微調器進行調節，從而有效降低系統實現成本，同時通過微調器的調節，實現系統的高精度輸出。

圖3 HPGCS 控壓輸出曲線比較

HPGCS 理想控壓輸出曲線、 常規控壓輸出曲線 （10MP 到20MPa 增壓過程）如圖3 所示。

2.3 HPGCS 控制策略選擇

為確保HPGCS 滿足使用要求， 應根據系統特性選擇控制策略。 為有效選用系統的控制模型，通?？刹捎靡欢ǖ臏y試方法對系統進行性能測試，通過測試反映系統的響應特點，在此基礎上進一步進行控制策略選擇。 對于用于計量的高壓氣體壓力控制系統，要求極高，其壓力精確度控制難度較大，故需進行更為詳盡全面的分析。

根據HPGCS 技術要求，系統應具有超調小、響應速度快、穩態誤差小的特點， 而一般的PID 控制算法難以兼顧系統多個指標。因此，為保證HPGCS 滿足計量需要，采用智能控制算法是最佳途徑。

由于經典控制的時域性能和復域性能指標只能作為傳統單模態控制最后調整的工具，控制設計無法兼顧他們。 傳統最優控制的誤差泛函積分性能指標也只是各種經典時域性能指標的折衷，難以做到他們之間的兼顧，實現的只是指定指標的最優。因此，為實現各個指標的最優，研究世界上最高級、最有效的控制系統—人類自身表現出來的控制機制，并用機器加以模仿，這是研究自動控制的重要途徑。 比較目前常用的控制策略可知，智能控制更能適應復雜高精度系統的控制。 其中， 仿人智能控制（HISC）策略對實現類似HPGCS 這樣具有非線性、遲滯性且要求無超調、無靜差的系統效果良好，故采用HISC 作為HPGCS 的控制策略是一種解決問題的有效途徑。

大量研究表明，HISC 算法在解決非線性、 遲滯性上具有獨特的優勢，能有效調和系統穩定性、快速性和超調量的關系，可以極為簡單的輸入參數量實現對系統的高精度控制， 其采樣傳感器數量較少，對于控制精度要求極高的場合，其制作成本可得到較好控制。 因為HPGCS 系統具有典型遲滯特性和非線性特征，引入仿人智能控制是一種比較合理的選擇。

2.4 研究思路

根據前面的分析， 確定系統開展設計研究的基本思路如下：（1）首先介紹HISC 的基本思想及其應用的基本步驟；（2）根據現有的技術手段和條件， 構建HPGCS 硬件結構；（3）研究HPGCS 所用控制執行元器件的工作特性， 為系統設計提供支持；（4）綜合分析HPGCS 系統結構特點， 完成控制算法詳細設計；（5）對系統進行仿真驗證，分析所設計系統的效果。

2.5 HPGCS 技術指標

本文所研究的HPGCS 擬實現的主要技術指標如下： 工作范圍為（0～60）MPa；量程上限為（10～60）MPa；超調量＜0.1%PF（PF 系統量程）； 響應速度為每次步進小于30s； 輸出精度為0.1%PF；步進能力為2MPa、5MPa、10MPa。

3 結語

本文主要介紹了HPGCS 的工作原理、基本結構、工作特點和技術要求，給出了HPGCS 的主要元器件及其功能特點。 在比較現有的常用控制策略的基礎上，指出HPGCS 控制策略應選擇采用智能控制，確保其能解決HPGCS 難以采用數學模型進行精確描述的問題，介紹了開展研究的基本思路和所研究的HPGCS擬實現的主要技術指標。

[1]屠立猛.JJG 544-1999.壓力控制器檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2000：1-3.

[2]王福生，孟曉風.一種氣體壓力控制方法及應用[J].測控技術，2001（4）：26-27.