基于PID控制的艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.上?？臻g推進(jìn)研究所, 上海 201112；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100044)

引言

為了分析空間動(dòng)力裝置在空間狀態(tài)的工作性能，需在模擬真空艙內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。試驗(yàn)中真空艙的壓力應(yīng)與所對(duì)應(yīng)空間的壓力保持一致，試驗(yàn)過程影響真空艙壓力變化的因素較多，若抽空流量大于燃?xì)鈬娚淞髁繉?dǎo)致艙壓下降，需向艙內(nèi)補(bǔ)充等溫氣體；反之則需減少或停止補(bǔ)氣，以保持艙壓。真空艙壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于真空艙的壓力調(diào)節(jié)與控制，以便在點(diǎn)火試驗(yàn)過程保持壓力的穩(wěn)定，還需考慮滿足不同產(chǎn)品試驗(yàn)不同壓力參數(shù)的需求[1-2]。

1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)一般由真空艙、熱沉、抽空、補(bǔ)氣以及推進(jìn)劑供給、廢氣處理、控制、測(cè)量等系統(tǒng)構(gòu)成。真空艙、熱沉、抽空、補(bǔ)氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火試驗(yàn)過程的真空模擬和保持，如圖1所示。補(bǔ)氣、測(cè)控系統(tǒng)組成真空艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是維持艙壓穩(wěn)定的主體[3]。

抽空系統(tǒng)由五級(jí)大流量引射泵構(gòu)成。每一級(jí)引射泵噴嘴處均設(shè)置開關(guān)閥，第三級(jí)引射泵前設(shè)有比例調(diào)節(jié)閥。試驗(yàn)過程真空度要求較高時(shí)，五級(jí)引射泵全部開啟；真空度要求降低時(shí)，僅后四級(jí)引射泵工作；真空度繼續(xù)降低時(shí)，調(diào)節(jié)三級(jí)引射泵入口調(diào)節(jié)閥控制艙壓?？芍谠囼?yàn)過程中抽空系統(tǒng)的抽空流量基本為定值[4-5]。

熱沉安裝在真空艙內(nèi)，其作用是吸收點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)的輻射熱，模擬空間冷黑環(huán)境。

圖1 真空艙構(gòu)造模型

因此，試驗(yàn)過程中向真空艙補(bǔ)充等溫氣體是保持艙壓的主要途徑。艙壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制補(bǔ)氣流量對(duì)真空艙內(nèi)的壓力實(shí)施微調(diào)。

2 補(bǔ)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

補(bǔ)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主體，由控制閥門、管道、布?xì)猸h(huán)及壓力傳感器、壓力/真空傳感器等組成[6-7]，見圖2所示。

圖2 補(bǔ)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1) 系統(tǒng)最大補(bǔ)氣能力為0.4 kg/s；

(2) 系統(tǒng)補(bǔ)氣流量控制(即艙壓穩(wěn)定性控制)，采用主動(dòng)控制和被動(dòng)控制2種方案；

(3) 布?xì)猸h(huán)結(jié)構(gòu)依據(jù)約束動(dòng)力裝置試車燃?xì)鈬娚涞奈矚饬鲌?chǎng)分布需要設(shè)計(jì)。

2.2 補(bǔ)氣管道管徑確定

依據(jù)化工管道設(shè)計(jì)規(guī)范，流體在管道內(nèi)流動(dòng)的馬赫數(shù)一般應(yīng)不高于0.3；真空管道內(nèi)的氣體流速一般不超過100 m/s。特殊的氣體管道馬赫數(shù)不得超過0.7。

根據(jù)上述規(guī)則和系統(tǒng)補(bǔ)氣量需求，按可壓縮流體相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算得到管徑應(yīng)為φ250。經(jīng)校驗(yàn)，在流量為0.4 kg/s、壓力為7 kPa的狀態(tài)下，可滿足馬赫數(shù)不大于0.7的要求[8-10]。

2.3 艙壓穩(wěn)定性控制方案

1) 影響穩(wěn)定性的因素分析

經(jīng)分析，可引起艙壓波動(dòng)的因素包括：

(1) 動(dòng)力源水蒸氣的壓力或溫度發(fā)生波動(dòng)所導(dǎo)致的水蒸氣噴射泵抽氣能力波動(dòng)；

(2) 補(bǔ)氣氣源壓力或溫度發(fā)生波動(dòng)所導(dǎo)致的補(bǔ)氣流量、流速波動(dòng)；

(3) 動(dòng)力裝置由停車狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)階段氣體參數(shù)發(fā)生大的階躍式突變。此時(shí)泵的抽氣能力會(huì)因被抽氣體的成分、溫度、壓力變化而出現(xiàn)大幅度波動(dòng)；

(4) 動(dòng)力裝置由連續(xù)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖工作狀態(tài)時(shí)，過渡過程氣體參數(shù)發(fā)生小的階躍式突變以及發(fā)動(dòng)機(jī)處于脈沖工作狀態(tài)時(shí)，脈沖所導(dǎo)致的氣體參數(shù)階躍式變化。

2) 控制方案規(guī)劃

(1) 主動(dòng)控制

主動(dòng)控制適用于非穩(wěn)恒工作時(shí)的大、小階躍突變狀態(tài)?？刂圃瓌t為采用與工作狀態(tài)變化同步(甚至超前)的主動(dòng)變化，依據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算量值，主動(dòng)(提前)完成大量值調(diào)整，達(dá)到壓力穩(wěn)定控制的目標(biāo)?？刂品椒椴捎貌⒙?lián)旁路閥門通斷控制，改變補(bǔ)氣流量。

(2) 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制適用于穩(wěn)恒工作時(shí)的壓力波動(dòng)控制。控制原理為以測(cè)取的艙壓信號(hào)為目標(biāo)函數(shù)，以補(bǔ)氣主管道調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行元件。依據(jù)檢測(cè)到的壓力波動(dòng)反饋，控制調(diào)節(jié)閥的開度?？刂品椒椴捎肞ID算法，控制補(bǔ)氣主管道調(diào)節(jié)閥的開度。

2.4 布?xì)猸h(huán)結(jié)構(gòu)與艙內(nèi)流場(chǎng)分析

1) 布?xì)猸h(huán)的結(jié)構(gòu)

布?xì)猸h(huán)安裝在真空艙內(nèi)，如圖1所示。布?xì)猸h(huán)為與真空艙同心的圓弧狀管道，采用圓柱型多孔結(jié)構(gòu)，圓孔的面積總和大于流通截面積，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成額外阻力。圓柱對(duì)稱分布，保證氣流向各個(gè)方向均勻流出，試驗(yàn)時(shí)擾動(dòng)罐內(nèi)空氣，促進(jìn)溫度均勻性。同時(shí)氣流向各個(gè)方向均勻流動(dòng)，能夠自己抵消氣流流出的反作用力，避免單一方向射流而造成過大反沖力，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[11]。

2) 補(bǔ)氣過程仿真分析

在補(bǔ)氣仿真模型中，分別定義動(dòng)力裝置排放的燃?xì)夂筒細(xì)猸h(huán)補(bǔ)充的氣體，以區(qū)分其流線，判斷約束效果并驗(yàn)證補(bǔ)氣氣流噴射的合理角度。將布?xì)猸h(huán)氣流噴射的平均流速計(jì)算簡(jiǎn)化成等寬圓環(huán)(為二維簡(jiǎn)化模型準(zhǔn)備)，而后再簡(jiǎn)化為離散的圓噴嘴(計(jì)算噴射孔的面積和分布間距)。

采用Fluent軟件，按可壓縮流體流動(dòng)狀態(tài)，以空氣的物性參數(shù)，建立模型進(jìn)行分析。

模擬過程采用降低氣體負(fù)荷的方式得到氣體的流場(chǎng)。采用的參數(shù)為：動(dòng)力裝置模擬噴嘴(簡(jiǎn)稱“噴嘴”)的氣體流量為0.02 kg/s；補(bǔ)氣流量為0.03 kg/s。后續(xù)分析中逐步提高氣體負(fù)荷，最后得到工作狀態(tài)的氣體流場(chǎng)分布[9-11]。

(1) 僅考慮動(dòng)力裝置模擬噴嘴射流時(shí)，圖3～圖5為僅考慮噴嘴射流時(shí)模擬室的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和流線。從圖5可看出，噴嘴噴出的氣體進(jìn)入模擬室后高速噴射進(jìn)入DN400的法蘭。

圖3 僅考慮噴嘴射流時(shí)的壓力場(chǎng)

圖4 僅考慮噴嘴射流時(shí)的速度場(chǎng)

(2) 同時(shí)考慮動(dòng)力裝置模擬噴嘴射流和模擬補(bǔ)氣時(shí)，圖6～圖8為考慮噴嘴射流和布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣時(shí)模擬室的壓力場(chǎng)，速度場(chǎng)和流線。從圖中可看出，在增加布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣后，其速度場(chǎng)和流線變化不大，不致對(duì)噴嘴射流造成顯著的污染。圖9和圖10分別在模擬室中心和距中心高度0.2 m左右的壓力分布，可見氣體壓力可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

圖5 僅考慮噴嘴射流時(shí)的流線

圖6 考慮噴嘴射流和布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣時(shí)的壓力場(chǎng)

圖7 考慮噴嘴射流和布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣時(shí)的速度場(chǎng)

圖8 考慮噴嘴射流和布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣時(shí)的流線

根據(jù)模擬結(jié)果，認(rèn)為仿真模擬的模擬室直徑φ400 遠(yuǎn)大于噴嘴射流口直徑φ10.5，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。

圖9 考慮噴嘴射流和布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣時(shí)的壓力(中心軸線)

圖10 考慮噴嘴射流和布?xì)猸h(huán)補(bǔ)氣時(shí)的壓力(中心軸線之上)

采用PID算法實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程艙壓控制；實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程狀態(tài)參數(shù)的采集和顯示?？刂普婵丈淞鞅玫膯⑼：蜌鈩?dòng)、電動(dòng)閥門的開關(guān)并監(jiān)控其工況，完成試驗(yàn)過程的抽空、補(bǔ)氣，實(shí)現(xiàn)艙壓調(diào)節(jié)，保持艙壓穩(wěn)定[12]。

3 控制閥門設(shè)計(jì)

3.1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)

選用流量特性為等百分比氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其控制和閥位反饋均為4～20 mA的模擬量信號(hào)。采用ET200模塊輸出開關(guān)量，通過繼電器控制閥門的開關(guān)；閥位信號(hào)也接入ET200模塊，由PLC控制系統(tǒng)采集并顯示。由于調(diào)節(jié)閥所存在的調(diào)節(jié)死區(qū)，一般情況以相對(duì)開度6%～70%范圍用于調(diào)節(jié)較為適宜，在調(diào)節(jié)閥控制策略中對(duì)此給予了關(guān)注。

3.2 氣動(dòng)碟閥設(shè)計(jì)

氣動(dòng)蝶閥利用二位三通電磁換向閥控制開關(guān)。電磁換向閥回路中串聯(lián)繼電器，PLC輸出信號(hào)控制繼電器實(shí)現(xiàn)閥門的開閉。閥位信號(hào)接入ET200模塊，由PLC控制系統(tǒng)采集并顯示。

3.3 電動(dòng)減壓閥設(shè)計(jì)

減壓閥控制信號(hào)為4～20 mA模擬量，與壓力傳感器、PLC控制器形成閉環(huán)控制，通過模擬量信號(hào)對(duì)閥門的開度實(shí)施調(diào)節(jié)，從而控制氣源壓力。

4 結(jié)論

在某空間模擬試驗(yàn)系統(tǒng)配套的艙壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合艙壓穩(wěn)定保持的需求，在分析影響艙壓穩(wěn)定的主要因素的基礎(chǔ)上，確定了主、被動(dòng)控制的補(bǔ)氣策略，開展了大量的仿真模擬計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了動(dòng)力裝置熱試車試驗(yàn)的使用要求。