深海超高壓模擬裝置卸壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

陳春俊　周建容　楊槐　張?jiān)啤?qiáng)克勇

摘要：為確保深海設(shè)備在海水載荷作用時(shí)的安全可靠性，設(shè)計(jì)一套壓力高達(dá)180MPa的深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置卸壓控制系統(tǒng)，模擬深海設(shè)備上升過(guò)程中受到的海水載荷作用。采用多系統(tǒng)建模軟件AMEsim建立該模擬試驗(yàn)裝置的流體系統(tǒng)模型，與simulink建立的控制系統(tǒng)模型聯(lián)合求解。通過(guò)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化算法對(duì)卸壓系統(tǒng)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)22次迭代過(guò)程，試壓容器中實(shí)測(cè)壓力能較好追蹤期望軌跡，此時(shí)系統(tǒng)最大誤差不超過(guò)1%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

關(guān)鍵詞：深海超高壓；模擬試驗(yàn)裝置；卸壓控制系統(tǒng)；AMEsim與simulink聯(lián)合仿真；迭代學(xué)習(xí)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0067-05

0引言

隨著深海資源開(kāi)發(fā)以及軍事發(fā)展需要，對(duì)深海設(shè)備提出了更高的要求，為確保設(shè)備在深海下受到海水載荷作用時(shí)的安全可靠性，亟需設(shè)計(jì)一套模擬試驗(yàn)裝置模擬設(shè)備在深海下受到的海水載荷作用。

目前國(guó)內(nèi)在深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究中已有一些研究成果，其中文獻(xiàn)研制了一套壓力在0～20mPa范圍內(nèi)的深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置壓力控制系統(tǒng)，控制誤差在±2%FS，可實(shí)現(xiàn)壓力的精確穩(wěn)定控制與連續(xù)可調(diào)。文獻(xiàn)建立了一套設(shè)計(jì)壓力為10MPa的深海壓力環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的恒壓控制系統(tǒng)。研制了一套壓力可大范圍連續(xù)變化的深海模擬試驗(yàn)裝置，其控制系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力控制，仿真試驗(yàn)壓力達(dá)4.5mPa?？傊?，目前深海模擬試驗(yàn)裝置由于試驗(yàn)條件有限、深海下極端環(huán)境的影響，其設(shè)計(jì)壓力均太低，基本在幾十兆帕以內(nèi)，難以模擬深海超高壓環(huán)境：并且一般的PID控制器其響應(yīng)速度較慢，動(dòng)態(tài)控制效果不理想，因此亟需設(shè)計(jì)一套超高壓的模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)，同時(shí)保證壓力的快速穩(wěn)定控制。

為此，本文設(shè)計(jì)了一套壓力高達(dá)180mPa的深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置的壓力卸載控制系統(tǒng)，并通過(guò)AMESim與Simulink聯(lián)合仿真模擬試壓容器內(nèi)壓力從180MPa卸壓至2MPa的過(guò)程，仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，為全深海下的深海設(shè)備壓力試驗(yàn)精確性及安全可靠性提供保障。

1壓力卸載流體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)指標(biāo)

深海設(shè)備在深海下受到的海水載荷作用大，不僅要求超高壓模擬試驗(yàn)裝置需要耐高壓性能，其液壓控制系統(tǒng)更要保證高的精確性與穩(wěn)定性，以確保深海設(shè)備在水下作業(yè)時(shí)的安全可靠。本文設(shè)計(jì)了一套深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置卸壓控制系統(tǒng)，壓力可從180MPa卸載至2mPa，卸載速率在0～2mPa/min范圍內(nèi)。為了確保模擬試驗(yàn)裝置在壓力卸載過(guò)程中系統(tǒng)的高準(zhǔn)確度與高穩(wěn)定性，需要保證壓力的卸載誤差在±2%FS以內(nèi)。

1.2流體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該模擬試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)卸壓過(guò)程，是通過(guò)將模擬裝置內(nèi)試壓容器中的液體由泄壓閥排出至水箱，其設(shè)計(jì)壓力高達(dá)180mPa，不僅對(duì)試壓容器材料需要耐高溫高壓的特性有很高的要求，還應(yīng)保證足夠的容器容積，因此設(shè)計(jì)試壓容器容積為25.8m3。由于試壓容器內(nèi)壓力變化范圍大，為了便于調(diào)節(jié)與控制容器內(nèi)的壓力變化，該模擬裝置設(shè)計(jì)了3組不同閥芯直徑的液控泄壓閥，3組閥芯直徑分別為1，0.6，0.4mm，這3組泄壓閥可同時(shí)、也可分別組合使用，以便于容器內(nèi)壓力的局部調(diào)節(jié)。液控泄壓閥輸出流量值將會(huì)由試壓容器內(nèi)的壓力直接影響，若泄壓閥排出的流量太多，導(dǎo)致試壓容器內(nèi)壓力下降太快，超過(guò)容器內(nèi)壓力卸載速率，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該自動(dòng)補(bǔ)壓，因此對(duì)該模擬試驗(yàn)裝置同時(shí)設(shè)計(jì)了3組加壓系統(tǒng)，以供試壓容器在壓力下降過(guò)快時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。每組加壓系統(tǒng)由變量泵、電磁換向閥、增壓器以及安全保護(hù)閥、單向閥等組成，每個(gè)變量泵經(jīng)兩個(gè)3位4通電磁換向閥向兩組雙向增壓器同時(shí)提供動(dòng)力，推動(dòng)增壓器中的活塞桿移動(dòng)，當(dāng)增壓器達(dá)到行程位移時(shí)，電磁換向閥接收到反向信號(hào)，油液從增壓器另一端輸入，增壓器反向，水將注入到容器中給容器加壓。

最終設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)裝置包括3組泄壓閥、3組加壓系統(tǒng)、試壓容器以及水箱、油箱、管路等，其流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，閥門(mén)1、閥門(mén)2、閥門(mén)3分別是3組加壓系統(tǒng)中變量泵的控制閥門(mén)；閥門(mén)4、閥門(mén)5、閥門(mén)6分別是3組不同閥芯直徑液控泄壓閥的控制閥門(mén)。

該模擬試驗(yàn)裝置最大壓力為180mPa，卸壓控制過(guò)程中通過(guò)量程為250mPa的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試壓容器中壓力情況，當(dāng)傳感器檢測(cè)到試壓容器內(nèi)的實(shí)際壓力小于期望壓力時(shí)，表明泄壓閥輸出流量多于期望值，此時(shí)可通過(guò)組合調(diào)節(jié)加壓系統(tǒng)閥門(mén)1、閥門(mén)2、閥門(mén)3向容器補(bǔ)壓，以平衡泄壓閥輸出流量，使得容器內(nèi)實(shí)際壓力貼近期望壓力。若容器內(nèi)的實(shí)際壓力大于或等于期望壓力時(shí)，加壓系統(tǒng)不工作。

2控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

2.1流體仿真模型建立

通過(guò)多系統(tǒng)建模軟件AMESim建立該深海超高壓模擬裝置流體系統(tǒng)模型，核心元器件主要包括3組加壓系統(tǒng)元器件、3組泄壓閥和試壓容器，圖2分別列出了單組加壓系統(tǒng)以及單個(gè)泄壓閥、試壓容器在AMESim中搭建的子模型。

其中，圖2（a）中搭建的是單組加壓系統(tǒng)模型，包括兩組雙向增壓器，可同時(shí)動(dòng)作，也可分別動(dòng)作。每組增壓器由3位4通電磁換向閥導(dǎo)通換向，增壓器的行程位移由位移傳感器分別檢測(cè)。圖2（a）中標(biāo)注為1、2、3、4的4條線分別為位移傳感器檢測(cè)到增壓器的位移信號(hào)、兩個(gè)電磁換向閥的控制信號(hào)以及變量泵的控制信號(hào)。

圖2（b）為單個(gè)液控泄壓閥子模型，圖2（c）為試壓容器和壓力傳感器的子模型，其中試壓容器采用容積腔模型BHC11，壓力傳感器采用PT001模型。

模型建立后，對(duì)該液壓系統(tǒng)各個(gè)元器件按照選定的實(shí)際元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以及對(duì)管路的布置。部分元器件的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

2.2迭代控制優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

該模擬試驗(yàn)裝置試壓容器中壓力從180mPa卸壓至2mPa，同時(shí)卸壓速度在0-2mPa/min范圍內(nèi)。在卸壓初期，容器中壓力較高，泄壓閥的輸出流量較大，可實(shí)現(xiàn)大速率卸壓。隨著容器壓力下降，泄壓閥的輸出流量變小，只能以小斜率卸壓。因此在卸壓全程中不能均以相同斜率卸壓，為了保證卸壓系統(tǒng)的工作效率以及節(jié)省能量資源，采取分段斜率卸壓的方式，分段斜率見(jiàn)表2。

在壓力控制過(guò)程中，壓力傳感器檢測(cè)到容器中壓力，經(jīng)模擬量輸入輸出模塊轉(zhuǎn)換，控制算法調(diào)節(jié)，分別向3組泄壓閥的控制閥門(mén)輸出控制信號(hào)以及3組加壓系統(tǒng)中3個(gè)變量泵的控制閥門(mén)輸出控制信號(hào)，分別控制各泄壓閥的開(kāi)閉狀態(tài)以及各變量泵的輸出流量?？梢?jiàn)，閥門(mén)控制數(shù)量多，控制較復(fù)雜，簡(jiǎn)單的PTD控制難以滿足控制要求，基于迭代學(xué)習(xí)控制思想，將卸壓從180mPa至2mPa這一過(guò)程當(dāng)作可重復(fù)周期，設(shè)計(jì)迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化算法，以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的軌跡追蹤。

系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的迭代學(xué)習(xí)優(yōu)化算法是基于迭代學(xué)習(xí)控制的開(kāi)環(huán)PD型學(xué)習(xí)律思想，將單次卸壓過(guò)程當(dāng)作一次可重復(fù)周期，每次的控制輸入由上一次卸壓過(guò)程所得的誤差以及控制量得到，而誤差是由存儲(chǔ)的上一次容器內(nèi)實(shí)際壓力值與期望軌跡之差所得。該系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示，其學(xué)習(xí)律可以寫(xiě)作：

3聯(lián)合仿真與參數(shù)優(yōu)化

該深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置通過(guò)在AMESim中建立流體模型，在Simulink中建立控制算法，采用AMESim-Simulink聯(lián)合仿真求解。模擬試驗(yàn)裝置中試壓容器內(nèi)壓力按照表2中的4段斜率分段下降，壓力控制過(guò)程中，需要控制3組加壓系統(tǒng)變量泵閥門(mén)以及3組泄壓閥閥門(mén)。經(jīng)模擬仿真測(cè)試，模擬試驗(yàn)裝置經(jīng)過(guò)22次迭代，試壓容器內(nèi)的壓力能較好追蹤期望軌跡，完整的壓力卸載仿真曲線圖如圖4所示。

從圖中可看出，在第22次迭代時(shí)，試壓容器中的實(shí)際壓力已經(jīng)十分接近期望壓力，計(jì)算出相對(duì)誤差曲線如圖5所示。

從圖中可知，隨著迭代次數(shù)增加，壓力誤差越小，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到第22次時(shí)，系統(tǒng)誤差較小，在±1%以內(nèi)，完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，誤差增大，在每段斜率中，隨著時(shí)間的增加，系統(tǒng)誤差逐漸減小，趨于穩(wěn)定。

第22次迭代時(shí)泄壓閥總的輸出流量，即容器的輸出流量曲線圖如圖6所示。在840s時(shí)，容器的輸出流量突然增大，是因此時(shí)卸壓系統(tǒng)中工作的泄壓閥由2個(gè)變?yōu)?個(gè)。

在整個(gè)加載過(guò)程中，各個(gè)不同閥芯直徑的泄壓閥的輸出流量如圖7所示。從圖中可以觀察到，不同閥芯直徑的泄壓閥輸出流量不同，且在卸壓過(guò)程中，各泄壓閥輸出流量均在不斷減小。此時(shí)由加壓系統(tǒng)向試壓容器補(bǔ)壓的流量曲線，即容器進(jìn)口流量曲線如圖8所示，最大容器進(jìn)口流量達(dá)到近8L/min，則至少需要2組加壓系統(tǒng)工作，故在補(bǔ)壓過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際流量需求以及節(jié)約資源考慮，可以合適地調(diào)整加壓系統(tǒng)的工作組數(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

為保證深海設(shè)備的安全可靠，本文設(shè)計(jì)了一套壓力高達(dá)180mPa的深海超高壓模擬試驗(yàn)裝置卸壓控制系統(tǒng)，并通過(guò)AMESim與Simulink聯(lián)合仿真方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。運(yùn)用迭代控制優(yōu)化算法，模擬了試壓容器中壓力從180mPa以0-2mPa/min的速率下降至2MPa的過(guò)程，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)22次迭代過(guò)程，系統(tǒng)誤差不超過(guò)1%，完全能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確性與可靠性，為全深海壓力試驗(yàn)提供保障，具有十分重要的工程意義；同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供依據(jù)。