大型壓力容器的壓力跟蹤控制

張偉，廖義德

1武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢430205

2武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢430205

0 引 言

在深海資源開發(fā)領(lǐng)域，為了研究水下航行器的運動控制方法，一般需基于陸上臺架開展充分的模擬試驗，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是模擬航行器在水中的外部壓力環(huán)境。為了在陸上環(huán)境真實地模擬水下航行器的外部壓力試驗條件，需開展大型壓力筒的壓力跟蹤控制研究工作。目前，主要有2種方法可實現(xiàn)壓力容器的內(nèi)部壓力控制：第1種是人為改變有效容積的大小，從而控制內(nèi)部壓力，但這種方法只適用于慣性較小的小容積壓力控制系統(tǒng)［1-3］；第 2種是有效容積不變，通過控制進/出壓力容器流體的體積，強制改變內(nèi)部壓力［4-5］。其中，第2種方法需要精確控制流入和流出壓力容器的液體流量。目前，由于泵源開關(guān)特性限制，傳統(tǒng)的泵控注水方式難以滿足瞬時大流量的要求，當(dāng)模擬較大慣性的水下航行器快速變深工況時，無法提供足夠的壓力跟蹤速度和精度。

針對該問題，本文擬研發(fā)新型壓力容器的內(nèi)部壓力控制系統(tǒng)，將一個高壓氣水罐作為蓄能元件，用以滿足升壓段的快速大流量需求；同時在壓力容器出口管路上設(shè)置電磁開關(guān)閥和流量調(diào)節(jié)閥，用于提高跟隨精度和穩(wěn)態(tài)控制精度，從而滿足水下航行器大慣性變深場景的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

新型壓力容器內(nèi)部壓力的控制系統(tǒng)主要由75 m3大型壓力容器、控制系統(tǒng)、加壓與泄壓管路系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。控制系統(tǒng)的硬件主要包括PC（上位機）、PLC（下位機）和閥，其中PC實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)存儲等功能，PLC實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)閥的開度控制、開關(guān)閥的通斷控制以及泵的啟停控制功能，PC和PLC之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。首先通過壓力傳感器檢測壓力容器的內(nèi)部壓力，然后反饋給PLC模擬量輸入模塊，接著PLC按照一定的控制策略對相應(yīng)泵閥進行控制，從而實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制［6-8］。

圖1 系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Block diagram of system control

管路系統(tǒng)主要包括大型壓力容器、氣/水壓力罐（圖2所示的蓄能壓力罐）、高壓泵、帶氣動式閥門定位器的流量調(diào)節(jié)閥、GSR高速開關(guān)閥以及傳感器等。本文將氣/水壓力罐作為蓄能器使用，以滿足升壓段大流量要求。實驗前，大型壓力容器需預(yù)先注滿水，然后開啟高壓泵向蓄能壓力罐內(nèi)注水，罐內(nèi)的密閉空氣壓縮儲能；控制系統(tǒng)啟動后，蓄能壓力罐內(nèi)的高壓水經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥可控地注入大型壓力容器內(nèi)，從而提升壓力筒內(nèi)的壓力。

如圖2所示，大型壓力容器和蓄能壓力罐均配置了管路流量調(diào)節(jié)閥，出口管路上除配置流量調(diào)節(jié)閥外，還并聯(lián)一個電磁開關(guān)閥。需注意，蓄能壓力罐與大型壓力容器間的壓差一般較高，單獨采用流量調(diào)節(jié)閥即可滿足大型壓力容器的壓力上升梯度要求。然而，當(dāng)其需要降壓且內(nèi)部壓力較低時，由于流量調(diào)節(jié)閥的頻響偏低，在小壓差工況下無法保證壓力跟蹤的控制精度，故需在出水管路上并聯(lián)電磁開關(guān)閥。在系統(tǒng)操作控制區(qū)（圖2的點劃線方框內(nèi)）安裝有液位傳感器、壓力傳感器和壓力表，用以實時觀測控制系統(tǒng)。

圖2 管路系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of pipeline system

此外，監(jiān)測系統(tǒng)主要由工控機及其外圍設(shè)備組成，可以滿足基本的人機交互需求。以太網(wǎng)可將PLC采集的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)以適當(dāng)?shù)男问接枰燥@示，并將相應(yīng)的工況選擇參數(shù)反饋至PLC。

2 控制算法

本控制系統(tǒng)采用氣動流量調(diào)節(jié)閥（配置西門子智能定位器）和高速電磁開關(guān)閥，其中高速電磁開關(guān)閥啟閉時間小于200 ms。為解決氣動流量調(diào)節(jié)閥的遲滯效應(yīng)，采用基于前饋校正的PID控制算法［9］，該方法是在系統(tǒng)主反饋回路外采用的校正方式，通常連接至系統(tǒng)給定值與主反饋作用點間的前向通道上。本系統(tǒng)的校正環(huán)節(jié)可對氣動流量調(diào)節(jié)閥的遲滯予以補償，以改善系統(tǒng)的跟蹤性能。

本控制系統(tǒng)有3個執(zhí)行機構(gòu)：大型壓力容器的進口及出口流量調(diào)節(jié)閥和出口電磁開關(guān)閥。當(dāng)系統(tǒng)誤差大于0時，將控制進口流量調(diào)節(jié)閥；當(dāng)系統(tǒng)誤差小于0時，將控制出口流量調(diào)節(jié)閥或出口電磁開關(guān)閥。在大誤差范圍內(nèi)，可同時控制上述兩閥以保證快速性；在小誤差范圍內(nèi)，可僅控制流量調(diào)節(jié)閥來保證實時控制精度。此外，為避免穩(wěn)態(tài)時調(diào)節(jié)閥的頻繁動作，本系統(tǒng)采用了帶有死區(qū)的PID控制算法［10］，完整的算法描述如下。

式中：kp2為出口流量調(diào)節(jié)閥的比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki2為出口流量調(diào)節(jié)閥的積分調(diào)節(jié)系數(shù)；kd2為出口流量調(diào)節(jié)閥的微分調(diào)節(jié)系數(shù)。

大型壓力容器的內(nèi)部壓力控制系統(tǒng)如圖3所示，進/出口流量調(diào)節(jié)閥的PID控制器參數(shù)及前饋補償參數(shù)均可獨立設(shè)置。圖3中：pr為系統(tǒng)給定的參考壓力；ps為壓力筒實際壓力；e為系統(tǒng)誤差。

圖3 控制系統(tǒng)方塊圖Fig.3 Block diagram of control system

為了保證在系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度方面的良好跟蹤控制效果，需在出口處并聯(lián)電磁開關(guān)閥和流量調(diào)節(jié)閥（圖3），同時采用動態(tài)結(jié)合開環(huán)控制和閉環(huán)控制的方法，具體如下：

1）在系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求以快速性為主的工況下，采用以電磁開關(guān)閥為主的主開環(huán)控制模式，從而保證響應(yīng)速度。

2）在系統(tǒng)調(diào)節(jié)需求以精度為主的工況下，采用以流量調(diào)節(jié)閥為主的主閉環(huán)控制模式，同步抑制外界干擾，保證響應(yīng)精度。

3）在閉環(huán)控制算法中采用帶死區(qū)的PID控制方式，以有效避免執(zhí)行器（閥門）在平衡位置附近的頻繁動作，從而延長系統(tǒng)及設(shè)備使用壽命。

3 試驗驗證

針對本文控制策略進行試驗驗證的壓力跟蹤控制效果如圖4所示。試驗條件為：采用6 m3的蓄能壓力罐，在低液位時向蓄能壓力罐內(nèi)充氣至1 MPa，然后開啟高壓水泵將罐內(nèi)壓力打壓至5 MPa以上。試驗過程中，指令壓力梯形曲線在0～3 MPa之間變化，周期為240 s。PLC為西門子S7-300系列產(chǎn)品，采樣控制周期為100 ms。設(shè)定最大加、減壓的變化速率為0.1 MPa/s，另設(shè)PID調(diào)參窗口用以整定PID參數(shù)。

圖4 系統(tǒng)壓力的跟蹤響應(yīng)曲線Fig.4 Tracking response curves of system pressure

由圖4可知：在低壓上升階段，因大型壓力容器內(nèi)的殘余氣體導(dǎo)致加壓剛度不足，故跟蹤控制精度較低；隨著壓力的升高，跟隨精度逐漸提高；在穩(wěn)態(tài)點附近，因指令信號突變，壓力跟蹤精度又略有下降，但整體動態(tài)跟蹤精度維持在0.4 MPa內(nèi)，穩(wěn)態(tài)精度在0.1 MPa內(nèi)，可滿足系統(tǒng)疲勞試驗的要求。在此需要指出的是：當(dāng)容器內(nèi)壓力接近大氣壓時，因大型壓力容器出口處閥門兩端的壓差很小，所以系統(tǒng)內(nèi)的壓力難以跟蹤指令信號；同時，大型壓力容器內(nèi)的壓力檢測口位于容器的中上部，其液位高度也會導(dǎo)致測量誤差，但對于試驗系統(tǒng)，該誤差在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文以蓄能壓力罐作為假海壓力源，設(shè)計了75 m3大型壓力容器的內(nèi)部壓力控制系統(tǒng)開展試驗驗證。通過采用含死區(qū)的PID控制，引入前饋補償方法，有效解決了跟蹤控制中的相位滯后問題，提高了系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤精度。同時，通過在出口處并聯(lián)設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥和高速電磁開關(guān)閥，顯著改善了大型壓力筒在小壓差工況下的降壓跟隨性能。

針對在陸上模擬水下航行器大慣性變深場景的應(yīng)用需求，本文提供了兼顧假海背壓控制瞬時大流量與壓力控制精度的有效解決方案，具備一定的海洋工程實際應(yīng)用價值。