双级气流场压力解耦的控制范文

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《计测技术杂志》2015年第二期

1系统整体结构

气体需要保持一定流量的流动，从而提高实验舱内气体温度、压力和湿度的均匀性。气体的这种流动性给舱内压力控制带来了困难，本系统使用比例调节阀作为控制执行机构，通过调节阀门开度改变气路的有效导通面积，从而改变输入与输出气体的流量，实现饱和器和实验舱压力精密控制的目的。为了解决调节速度和分辨力这一矛盾，设计了粗调阀和精调阀并联结构。暂态过程使用粗调阀，减小调节时间;稳态过程使用精调阀，提高控制精度。如图1所示，上游饱和器C1以S1作正压源，以C2作负压源，通过V1，V2控制饱和器压力;下游实验舱C2以C1作正压源，以S2作负压源，通过V3，V4，V5，V6，V7控制实验舱压力。可以看出，饱和器压力与实验舱压力在控制过程中是相互影响的，彼此不是独立的，具有很强的耦合关系。饱和器与实验舱压力控制框图如图2所示。假定饱和器和实验舱压力控制对象的传递函数分别为GU(s)，GD(s);对应的控制器传递函数分别为LU(s)，LD(s);RU(s)，RD(s)分别表示饱和器和实验舱的压力阶跃输入;ULU(s)，ULD(s)分别表示控制器输出;YU(s)，YD(s)分别表示实际输出;PU(s)表示饱和器压力对实验舱压力的扰动，PD(s)表示实验舱压力对饱和器压力的扰动［2］。

2系统建模

压力控制的执行机构是比例调节阀，调节阀通过调节阀门开度大小改变通过的气体流量，容器的压力变化与流入和流出的气体流量差成正相关。因此，分析调节阀的流量与开度关系，就可以建立调节阀与压力的模型。本文以理想气体为研究对象，由理想气体状态方程。设饱和器输入流量为QUi，饱和器输出流量为QUo;实验舱输入流量为QDi，实验舱输出流量为QDo，则饱和器压力pU与实验舱压力pD的动态方程可以表示。

3解耦控制

针对图2中饱和器和实验舱压力控制中的耦合问题，本文设计了对角矩阵法来进行解耦控制，对角阵解耦的实质是让被控对象的传递函数矩阵与解耦矩阵的乘积等于对角阵。

4实验结果

课题要求实验舱压力检定范围:45～130kPa，稳态精度:10Pa。定义稳态精度为控制进入稳态后气压不超出目标值的最大幅度。在气体温度为25℃下，设定实验舱控制目标为90kPa，饱和器控制目标为180kPa，在其他条件不变的情况下，分别进行无解耦压力控制与有解耦压力控制实验。本文主要关注压力控制的稳态特性，因此对于控制过程的暂态特性不进行分析。实验结果如图4和图5所示，采样周期为100ms。图4为解耦前后饱和器的稳态压力对比图，可见，解耦后稳态精度提高了3倍。图5为解耦前后实验舱稳态压力对比图，可以发现，解耦后实验舱压力稳态精度提高了一个数量级，稳态精度在6Pa，达到了课题要求。

5结论

针对气候观测综合计量检定系统的饱和器与实验舱压力控制具有极强的耦合关系，应用对角矩阵法对双极气流场进行解耦，克服上游饱和器压力与下游实验舱压力的相互影响，并进行了实验验证，取得了很好的效果，提高了压力控制的稳态精度。

作者：何畔孟晓风单位：北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院