基于PCM數(shù)字閥和針形閥的流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

康洪銘， 霍 國， 成 壘， 陳輔政， 唐 領(lǐng)

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心， 四川 綿陽 621000)

引言

進氣道試驗、噴流試驗、吹氣流動控制、渦扇動力模擬是風(fēng)洞試驗的重要組成部分，為我國發(fā)動機進氣道氣動力的設(shè)計和改進，以及飛行器氣動布局部件的優(yōu)化提供相關(guān)的性能參數(shù)[1-2]。隨著試驗技術(shù)研究的不斷深入，高壓供氣控制系統(tǒng)作為風(fēng)洞試驗的最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對氣體流量控制品質(zhì)提出了更高的要求，如何提高流量控制精度、擴寬流量調(diào)節(jié)范圍、縮短調(diào)節(jié)時間以及保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行是供氣試驗技術(shù)不斷發(fā)展和進步的重要研究內(nèi)容。

目前高壓供氣試驗通常采用模擬調(diào)節(jié)閥或者數(shù)字閥來調(diào)節(jié)流量。其中，模擬調(diào)節(jié)閥在自動控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，它通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助氣動、電動或者液動等動力源去改變流體流量[3-4]。在實際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)閥通常與管路系統(tǒng)的其他閥門串、并聯(lián)使用，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥上的壓差隨管路的阻力變化或其他閥門開啟程度而改變，從而使調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比通常低于設(shè)計值(通常為30～60)。此外，調(diào)節(jié)閥還存在控制死區(qū)、調(diào)節(jié)滯后、易堵卡、密封件易磨損等缺陷，因此很難滿足試驗要求。

數(shù)字閥作為近幾十年發(fā)展起來的流量控制閥門，已大量應(yīng)用在各行各業(yè)中[5-8]，其主要包括脈沖寬度調(diào)制(PWM)數(shù)字閥和脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字閥。PWM數(shù)字閥通過調(diào)節(jié)電磁閥的占空比來控制輸出的平均流量，但是電磁閥一直處于高頻開關(guān)狀態(tài)，零件容易磨損，使用壽命不長，而且高頻電磁閥流量相對偏小，不能滿足大流量的需要，同時會帶來較大的高頻噪聲。PCM數(shù)字閥是將噴嘴的喉道面積按照一定規(guī)律的排列組合(二進制、斐波那契數(shù)列等)實現(xiàn)對流量的控制，使用位數(shù)足夠多的數(shù)字閥可以解決大流量的問題，但是它是一種有級控制，輸出的流量是離散的，要實現(xiàn)非常高的控制精度就需要設(shè)計喉道面積足夠小的噴嘴，但是小口徑噴嘴的制造工藝難度較高，加工誤差會導(dǎo)致進退階時極易發(fā)生振蕩。另外電磁閥不同口徑的開關(guān)時間存在一定差異，會降低切換過程中的同步性，也會誘發(fā)振蕩。

為解決上述問題，本研究采用PCM數(shù)字閥和針形閥對氣體流量進行組合調(diào)節(jié)，能夠有效彌補數(shù)字閥和模擬調(diào)節(jié)閥的不足，同時利用針形閥流量控制的連續(xù)性，在有限的數(shù)字閥位數(shù)下，獲得較高的控制精度和較寬的調(diào)節(jié)范圍。

1 流量調(diào)節(jié)原理

為使流量特性不受下游試驗?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)變化及背壓的影響，數(shù)字閥的噴嘴和針形閥的節(jié)流口都采用臨界流噴嘴。當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)，噴嘴喉道流速為音速，流量由入口壓力、溫度和喉道面積唯一確定。在理想狀態(tài)下，入口壓力和溫度保持不變，通過控制數(shù)字閥和針形閥總的喉道面積，即可實現(xiàn)對流量的精確調(diào)節(jié)。PCM數(shù)字閥各閥位的開閉和針形閥的開度通過流量調(diào)節(jié)器進行精確控制。

PCM數(shù)字閥由多路臨界流文丘里噴嘴與開關(guān)閥按照二進制規(guī)律排列組合而成，為流量調(diào)節(jié)提供基準(zhǔn)流量。針形閥在此基礎(chǔ)上進行微調(diào)，其流量范圍為閥門關(guān)閉和最大開度之間連續(xù)調(diào)節(jié)，在針形閥調(diào)節(jié)過程中，數(shù)字閥不進行進位或退位操作。由于針形閥在開啟瞬間及完全開啟這兩個過渡階段的調(diào)節(jié)性能較差，且存在死區(qū)，因此在設(shè)計時將調(diào)節(jié)范圍控制在10%～90%區(qū)間內(nèi)。

流量調(diào)節(jié)裝置要求總的調(diào)節(jié)范圍為0.1～8 kg/s，在此將針形閥設(shè)計的最大流量定為1 kg/s，實際調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.9 kg/s，數(shù)字閥最低位的流量選取0.5 kg/s，并按照四位二進制進行設(shè)計，實際調(diào)節(jié)范圍為0.5～7.5 kg/s。

2 PCM數(shù)字閥

PCM數(shù)字閥由四位噴嘴喉道面積按照二進制排列的數(shù)字閥組成，其數(shù)字閥支路如圖1所示。

圖1 數(shù)字閥支路示意圖Fig.1 Schematic diagram of digital valve branch

氣流依次通過臨界流噴嘴、高壓軟管、電磁閥后流出，系統(tǒng)通過開關(guān)電磁閥來控制每條支路的通斷以達(dá)到組合不同流量的目的。

2.1 噴嘴的設(shè)計

臨界流噴嘴主要包括臨界流標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和臨界流文丘里噴嘴。臨界流標(biāo)準(zhǔn)噴嘴在保持入口壓力p1和溫度不變的情況下，出口壓力p2逐步下降至臨界壓力pC，

通過噴嘴的氣體流量將逐漸增加至臨界流量。通過下列公式可計算得到臨界壓力比為0.528，其中空氣比熱比γ為1.4。

(1)

由于噴嘴入口壓力穩(wěn)定在10 MPa，為保證噴嘴的臨界流特性，出口壓力必須低于臨界壓力5.28 MPa，因此臨界流標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的壓力損耗太大。為使出口壓力得到恢復(fù)，采用帶擴壓管的臨界流文丘里噴嘴，其出口壓力的恢復(fù)能力與其擴散段尺寸有關(guān)。根據(jù)文獻[9]，選擇了擴散段面積比為4的噴嘴，在理想條件下，當(dāng)出口壓力低于0.8937倍入口壓力即8.937 MPa，就能達(dá)到臨界狀態(tài)，其噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 臨界流文丘里噴嘴的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of critical flow venturi-type nozzle

2.2 喉道面積的分配

PCM數(shù)字閥通過不同喉道面積的噴嘴可以組合出不同的流量，其調(diào)節(jié)范圍介于所有電磁閥全開與最低位電磁閥開啟之間，由于微調(diào)是靠針形閥控制，因此不需要設(shè)計喉道面積足夠小的噴嘴。

數(shù)字閥的設(shè)計工況是入口壓力為10 MPa、入口溫度為20 ℃，流量為7.5 kg/s，在喉道流速為音速并忽略喉道溫度和黏性流動等影響因素的前提下，根據(jù)式(2)可得PCM數(shù)字閥需要的喉道總面積為317.61 mm2。

(2)

式中，q—— 質(zhì)量流量，kg/s

p1—— 噴嘴入口壓力，MPa

t1—— 噴嘴入口溫度，K

A*—— 喉道面積，m2

將數(shù)字閥的喉道總面積按照四位二進制分配，經(jīng)計算，各噴嘴喉道面積分配值及工作流量分配值見表1。

表1 PCM數(shù)字閥噴嘴喉道面積及流量表

2.3 電磁閥參數(shù)計算

流量系數(shù)KV是電磁閥主要的計算參數(shù)，表征為閥門流通能力大小，設(shè)計時采用入口壓力10 MPa，最大出口壓力8.937 MPa，并按照式(3)進行估算，可得到每個閥位所需要的最大流量系數(shù)，結(jié)果見表2。

(3)

式中，Q—— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最大流量，Nm3/h

G—— 空氣比重，1.1 kg/ Nm3

t—— 氣體溫度，℃

p1—— 入口壓力，0.1 MPa

p2—— 出口壓力，0.1 MPa

Δp—— 入口與出口的壓力差，

Δp=p1-p2，0.1 MPa

表2 數(shù)字閥流量系數(shù)計算與電磁閥選型Tab.2 Digital valve flow coefficient calculation and magnetic valve selection

電磁閥選用GSR二位二通系列開關(guān)閥，其流量系數(shù)越大，工作壓降就越小。為降低電磁閥對噴嘴的影響，對應(yīng)電磁閥的流量系數(shù)應(yīng)盡量選大，因此選擇電磁閥型號時，在計算得到最大流量系數(shù)的基礎(chǔ)上再考慮一倍余量。

3 針形閥

3.1 流量特性分析

在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥具有一定的靜態(tài)和動態(tài)特性，將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定和自動調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)，其流量特性是指介質(zhì)通過閥的相對流量與其相對位移之間的關(guān)系，見式(4)。

(4)

式中，qV—— 調(diào)節(jié)閥在某一開度下的流量

qVmax—— 調(diào)節(jié)閥在全開狀態(tài)下的流量

l—— 調(diào)節(jié)閥在某一開度下閥芯的位移

L—— 調(diào)節(jié)閥在全開狀態(tài)下閥芯的位移

為了便于分析，假定調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變，可以得到調(diào)節(jié)閥的固有流量特性，主要分為直線、快開、等百分比和拋物線4種，如圖3所示。此時的可調(diào)比稱為理想可調(diào)比R，其含義為在可控范圍內(nèi)流量最大值與最小值的比值?？烧{(diào)比的大小和調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在本研究設(shè)計中選取30。

圖3 調(diào)節(jié)閥的固有流量特性Fig.3 Inherent flow characteristics of regulating valve

在上述4種流量特性中，快開不作為調(diào)節(jié)閥使用，從調(diào)節(jié)性能上看，等百分比調(diào)節(jié)穩(wěn)定，性能最好，拋物線次之，直線最差，因此選用了等百分比流量特性，其關(guān)系見式(5)。等百分比特性的調(diào)節(jié)閥在各點所引起的流量變化都與該點的流量成正比，其流量變化的百分比是相等的，優(yōu)點在于流量小時流量變化較小，流量大時流量變化就大，在不同的開度上具有相同的調(diào)節(jié)精度[10-11]。

(5)

在實際的工作過程中，調(diào)節(jié)閥通常串聯(lián)或并聯(lián)在管路系統(tǒng)中，閥前后的壓差總是變化的，閥的壓降分配比和旁通閥的流量也對調(diào)節(jié)閥的流量特性產(chǎn)生影響，造成特性曲線的畸變，這時的流量特性稱為工作流量特性。由于針形閥的節(jié)流口采用與數(shù)字閥相同的臨界流文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)，不受閥后壓力影響，同時閥前壓力始終穩(wěn)定在10 MPa，因此該針形閥工作流量特性與固有流量特性相差不大，在實際應(yīng)用中可以通過PID調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制進行調(diào)節(jié)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針形閥主要由腔體、孔板、喉道、閥芯等部分組成，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 針形閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of needle valve

針形閥的流量控制是通過改變節(jié)流口面積來實現(xiàn)，而節(jié)流口面積的改變通過閥芯的軸向運動來實現(xiàn)。閥芯尾部通過套筒與作動筒相連，將作動筒的運動轉(zhuǎn)換為閥芯的軸向運動。為防止腔體內(nèi)氣流不均勻?qū)﹂y芯的運動穩(wěn)定性造成影響，設(shè)計了圓筒孔板來進行整流，以降低閥芯附近的氣流不均勻度。為防止長期使用引起的密封面泄漏對試驗和安全造成影響，在針形閥支路上串聯(lián)1個開關(guān)電磁閥，能夠在必要時切斷氣源。

針形閥的節(jié)流口面積為喉道面積與在喉道處閥芯的堵塞面積之差，其中D為針形閥的喉道直徑，r為在某一開度下閥芯在喉道處的半徑(閥芯在每一截面處都為圓形)。

(6)

由式(2)、式(5)和式(6)，可得閥芯的型面曲線為：

(7)

由式(2)可知，當(dāng)設(shè)計最大的流量為1 kg/s時，對應(yīng)的喉道直徑應(yīng)為7.34 mm。為保證閥芯能完全截斷高壓空氣實現(xiàn)密封，閥芯的最大直徑應(yīng)大于喉道直徑，因此將閥芯最大直徑定為8 mm。閥芯行程的選擇不宜過小，否則會降低分辨率和控制精度，同時行程過長會增加閥門尺寸，在此選取10倍喉道直徑的長度，即73.4 mm。

3.3 電動作動筒

電動作動筒詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，它采用同軸傳動，選用精密滾珠絲杠、高等級精度圓錐滾子軸承(成對使用)與深溝球軸承，具有傳動平穩(wěn)、精確的特點，可承受較大的推力和壓力，并對圓錐滾子軸承預(yù)緊，徹底消除軸向間隙。電動作動筒的動力源采用交流永磁同步電機，位置傳感器為整合式長光柵尺，控制系統(tǒng)為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，因此它具有很高的精度和一定的系統(tǒng)穩(wěn)定性，可補償因機械傳動部件傳動誤差、間隙非線性、機械變形、溫度變化以及其他因素等對精度的影響。

圖5 電作動筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure schematic diagram of electric actuator

試驗要求流量調(diào)節(jié)裝置的相對控制精度優(yōu)于±0.1% FS，相當(dāng)于針形閥節(jié)流口面積的控制精度必須優(yōu)于0.1% FS。根據(jù)式(2)、式(5)可推導(dǎo)出針形閥節(jié)流口面積的變化與閥芯行程變化的關(guān)系如下：

(8)

由式(8)可知，當(dāng)閥芯總行程為73.4 mm時，閥芯位移控制精度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于0.0216 mm，而該電動作動筒控制精度可達(dá)到0.01 mm，因此能夠滿足試驗要求。

4 流量控制策略

4.1 供氣控制系統(tǒng)

供氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，高壓氣源來自設(shè)計壓力25 MPa、總?cè)莘e70 m3的儲氣罐，經(jīng)氣動高壓球閥、前置過濾器、高壓減壓閥和空氣緩沖罐輸出至數(shù)字閥和針形閥組合的流量調(diào)節(jié)裝置，再通過換熱器、后置過濾器和流量計傳至試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

圖6 供氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure diagram of air supply control system

由于上游的溫度變化較小且影響不大，因此保證入口壓力穩(wěn)定是流量精確控制的重要環(huán)節(jié)。其中，高壓減壓閥采用高精度電子壓力控制器和先導(dǎo)比例閥驅(qū)動2臺大流量薄膜式調(diào)節(jié)閥，能夠?qū)⑸嫌螇毫Ψ€(wěn)定減壓至10 MPa，在下游流量不變的情況下控制精度能達(dá)到0.2%。同時為了吸收下游流量變化造成高壓減壓閥的壓力波動，提高流量控制的穩(wěn)定性，在主管路上增加了2.5 m3的空氣緩沖器。流量檢測單元采用2種不同量程的高精度科氏力質(zhì)量流量計，可以兼顧不同流量區(qū)間的測量精度，該流量計利用流體質(zhì)量流量對振動管振蕩的調(diào)制作用為原理，可在線直接測量流體的質(zhì)量流量。

4.2 控制流程

首先計算出流量給定值與反饋值的偏差，再經(jīng)流量調(diào)節(jié)器計算輸出值，并根據(jù)流量分配表(見表3)，確定數(shù)字閥和針形閥所對應(yīng)的的流量。在某一特定的流量給定下，數(shù)字閥4個電磁閥的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)保持不變，雖然入口總壓和總溫的變化會導(dǎo)致數(shù)字閥和針形閥所計算的流量產(chǎn)生偏差，但是只要在合理的偏差范圍內(nèi)，只需通過調(diào)節(jié)針形閥的開度實現(xiàn)對流量的控制，這樣可避免數(shù)字閥和針形閥同時動態(tài)調(diào)節(jié)導(dǎo)致控制振蕩的發(fā)生。

表3 數(shù)字閥和針形閥流量分配表Tab.3 Flow distribution table for digital and needle valves

由上表可知，當(dāng)流量給定在0.8 kg/s以下，數(shù)字閥全閉，此時只調(diào)節(jié)針形閥，調(diào)節(jié)范圍為10%～80%；當(dāng)流量給定在0.8 kg/s以上，數(shù)字閥根據(jù)不同的區(qū)間對每個閥位進行控制以提供基準(zhǔn)流量，再調(diào)節(jié)針形閥的開度，其調(diào)節(jié)范圍為30%～80%，該范圍是調(diào)節(jié)閥最佳的調(diào)節(jié)區(qū)間，性能最為出色[12]。

4.3 控制算法

從流量調(diào)節(jié)裝置后管路結(jié)構(gòu)和控制方式分析，并通過施加階躍流量激勵所得到的流量響應(yīng)曲線，其控制對象的傳遞函數(shù)為一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)。其時間常數(shù)與供氣管路、換熱器、過濾器等管長、管容和管阻有關(guān)，由于流量調(diào)節(jié)區(qū)間較大，給定值需要實時調(diào)整，模型負(fù)載變化會帶來的擾動，對控制系統(tǒng)的跟隨性、魯棒性、響應(yīng)性要求較高，因此控制算法采用非線性整定的PID調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)3個調(diào)節(jié)參數(shù)在一定范圍內(nèi)的整定。

該控制算法的基本原理如下：

(1) 比例增益參數(shù)kp：當(dāng)誤差較大時，為保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，期望kp較大；當(dāng)誤差較小時，為了減小超調(diào)量，期望kp較小。由此可構(gòu)造kp的非線性函數(shù)為：

kp=kp1+kp2[exp(kp3e(t))+exp(-kp3e(t))]

(9)

其中，kp1，kp2，kp3為正實常數(shù)，分別為kp的最小值、變化區(qū)間和變化速率，e(t)為控制誤差。

(2) 積分增益參數(shù)ki：當(dāng)誤差較大時，期望ki不要太大，以防止震蕩和減小超調(diào)量；當(dāng)誤差較小時，期望ki增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由此可構(gòu)造ki的非線性函數(shù)為：

(10)

其中，ki1,ki2為正實常數(shù)，分別為ki的最大值和變化速率。

(3) 微分增益參數(shù)kd：在不影響速度的前提下，kd慢慢增大，減小超調(diào)，但是隨著響應(yīng)延長，對kd應(yīng)該進行限制，由此可構(gòu)造kd的非線性函數(shù)為：

(11)

其中，kd1,kd2,kd3,kd4為正實常數(shù)，kd1為kd的最小值，(kd1+kd2)為kd的最大值，kd4為kd的變化速率。

5 測試

該流量調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用在風(fēng)洞供氣控制系統(tǒng)中，在不同流量、不同試驗狀態(tài)的情況下，多次調(diào)整PID參數(shù)，使流量控制達(dá)到較為理想的狀態(tài)。圖7列出了給定流量從0.1 kg/s逐步上升至8.1 kg/s時的流量動態(tài)調(diào)節(jié)過程曲線，圖8列出了給定流量分別為2.5 kg/s和7.0 kg/s時的流量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程曲線。由測試結(jié)果可知，該裝置的流量調(diào)節(jié)范圍為0.1～8.1 kg/s，流量可調(diào)比達(dá)到了81，絕對控制精度優(yōu)于±3 g/s，相對控制精度優(yōu)于0.04% FS，超調(diào)量低于2.5%，調(diào)節(jié)時間在15 s以內(nèi)。

圖7 流量動態(tài)調(diào)節(jié)過程曲線Fig.7 Flow dynamic regulating process curve

圖8 流量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程曲線Fig.8 Flow steady regulating process curve

6 結(jié)論

(1) 基于PCM數(shù)字閥和針形閥相結(jié)合的流量調(diào)節(jié)裝置具有控制精度高、調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)時間短等特點，為風(fēng)洞高壓供氣試驗提供有力支撐；

(2) 能夠有效彌補PWM數(shù)字閥流量偏小、高頻噪聲、壽命較短等不足，同時也能克服PCM數(shù)字閥閥位較多、有級離散、控制振蕩以及加工精度要求較高的缺陷；

(3) 流量在0.3 kg/s以上時，針形閥的調(diào)節(jié)范圍控制在最佳的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)(30%～80%)，可避免小開度和大開度帶來的不利影響；

(4) 采用非線性整定的PID調(diào)節(jié)器具有更好的跟隨性、魯棒性、響應(yīng)性，但是中間參數(shù)較多，需要較為豐富的工程經(jīng)驗；

(5) 在保證較高控制精度的前提下，可以繼續(xù)擴展數(shù)字閥閥位，使流量調(diào)節(jié)裝置的可調(diào)比進一步得到提升，具有較大的應(yīng)用前景。