一種基于PID 智能調(diào)節(jié)儀的貯箱增壓技術(shù)

林國福 郭 婷

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

1 概述

在某型號的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，貯箱壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)主級工作階段特別是啟動(dòng)的瞬間會有幅度很大的跳躍，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方要求試驗(yàn)過程中貯箱增壓系統(tǒng)控制精度高，響應(yīng)速度快，使貯箱壓力能夠快速穩(wěn)定下來，保證發(fā)動(dòng)機(jī)氫氧泵前壓力滿足高轉(zhuǎn)速低溫泵的試驗(yàn)要求。本文以液氧貯箱增壓系統(tǒng)為研究對象，此型號發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)在用的液氧貯箱容積為4m3，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前貯箱氣墊量為0.2 m3，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中液氧貯箱液體介質(zhì)消耗速度非?？欤瑲鈮|量就會隨之增大，貯箱壓力處于一種快速變化的狀態(tài)中。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程中一直處于穩(wěn)定狀態(tài)下的工作的要求，依據(jù)試驗(yàn)臺液氧貯箱的性能和增壓的特性，設(shè)計(jì)出了一種基于PID 智能調(diào)節(jié)儀控制的貯箱增壓系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常見的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)貯箱增壓控制采用的是孔板式增壓方式，通過將壓力變送器測量到的貯箱壓力傳輸至控制器，增壓程序?qū)?shí)測值與設(shè)定值之間進(jìn)行對比，通過相應(yīng)壓力下開啟對應(yīng)不同孔徑板的電磁閥實(shí)現(xiàn)增壓的目的。雖然這種增壓方式結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)成本較低，但是缺點(diǎn)是控制精度比較低，受貯箱氣枕大小和氣源壓力影響比較大。為了提升貯箱壓力控制的精度以及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種基于PID 智能調(diào)節(jié)儀控制的連續(xù)增壓系統(tǒng)，是以PID 智能調(diào)節(jié)儀作為算法控制核心，薄膜調(diào)節(jié)閥作為流量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。

該貯箱增壓系統(tǒng)主要包括PID 智能調(diào)節(jié)儀、電動(dòng)閥門定位器、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、貯箱和供氣管路等，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。增壓氣體通過氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥進(jìn)入貯箱內(nèi)，增壓氣量大小是由安裝在進(jìn)氣管路上的薄膜調(diào)節(jié)閥控制。貯箱壓力傳感器的4-20mA 信號輸出到PID 智能調(diào)節(jié)儀中，調(diào)節(jié)儀內(nèi)部控制電路計(jì)算貯箱壓力值與設(shè)定值之間的差值，并進(jìn)行數(shù)學(xué)比例積分運(yùn)算，輸出控制電氣閥門定位器的4-20mA 電流信號。電氣閥門定位器調(diào)節(jié)控制氣壓力，使氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥閥芯的位置發(fā)生變化，從而引起增壓氣體流通面積變化，達(dá)到調(diào)節(jié)增壓氣量的目標(biāo)，使貯箱的壓力值與設(shè)定值趨向一致，完成動(dòng)態(tài)的增壓功能。

圖1 貯箱增壓系統(tǒng)示意圖

氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的原理是閥門控制氣體經(jīng)過減壓器后，進(jìn)入電氣閥門定位器，最后再進(jìn)入薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜室，在膜片上產(chǎn)生推力，壓縮一組彈簧，使推桿移動(dòng)，并通過閥桿帶動(dòng)閥芯產(chǎn)生相應(yīng)的行程，閥芯位置的變化使流通截面積變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)增壓氣體流量的目的。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥選用的是上海閥門廠的ZMBM-64K 型產(chǎn)品。PID 智能調(diào)節(jié)儀是比例積分微分調(diào)節(jié)儀的簡稱，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制。簡單來說，PID 調(diào)節(jié)儀各校正環(huán)節(jié)如下：(1)比例控制(P)：成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)儀立即產(chǎn)生控制作用以減少誤差。當(dāng)偏差為0 時(shí)，控制作用也為0。因此，比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。(2)積分控制(I)：對誤差進(jìn)行記憶，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。(3)微分環(huán)節(jié)(D)：反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID 智能調(diào)節(jié)儀能夠根據(jù)被控量的動(dòng)態(tài)變化特性進(jìn)行反饋信號輸出，完成自主增壓控制過程。其工作原理如圖2 所示。HST2011B 型號壓力變送器采集到貯箱壓力后轉(zhuǎn)換為4-20mA信號，PID 智能調(diào)節(jié)儀根據(jù)設(shè)定的P、I、D 值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，輸出4-20mA 信號到電氣轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥進(jìn)行增壓調(diào)節(jié)。針對以上技術(shù)要求，自動(dòng)增壓系統(tǒng)采用西門子公司SIPART DR21 緊湊型數(shù)字式PID 調(diào)節(jié)儀，具有貯箱壓力、初始開度值、PID 值數(shù)字式顯示功能，調(diào)節(jié)精度高，便于觀察增壓過程中的參數(shù)。在PID 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，可以有效地適應(yīng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力控制非線性、時(shí)滯大的特點(diǎn)，增壓過程穩(wěn)定。

圖2 PID 智能調(diào)節(jié)儀工作原理圖

電氣轉(zhuǎn)換器采用的是西門子的SIPART PS2 智能定位器，它是一種采用高集成度微處理器的數(shù)字式現(xiàn)場設(shè)備，具有安裝簡單、自動(dòng)初始化等功能。帶有預(yù)控壓電閥的氣動(dòng)閥組，可以釋放出很短的控制脈沖，定位精度高。使用三個(gè)按鍵和雙行的LCD 顯示就可以實(shí)現(xiàn)簡單便捷的操作和編程，通過SIMATIC PDM的編程實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量在線自適應(yīng)程序。壓力變送器通過對貯箱的壓力值進(jìn)行采集，作為PID 調(diào)節(jié)儀的輸入?yún)?shù)。采用北京華衡訊工業(yè)技術(shù)控制有限公司的HST2011B 型號產(chǎn)品，供電電壓DC24V，測量精度0.01%，輸出信號為DC 4-20mA，兩線制信號傳輸方式。24V 直流電源作為給安全柵和壓力變送器提供能源的裝置，采用固緯GPC3060D 產(chǎn)品，電源調(diào)節(jié)率＜5mV，具有過載和極性反向保護(hù)功能，三位數(shù)0.5″LED 顯示，具有高度可靠性和穩(wěn)定性。安全柵采用上海儀表集團(tuán)公司的DFA-3300 型號產(chǎn)品，額定工作電壓為DC24V，額定工作電流為DC 4-20mA，精度為0.5%，能夠達(dá)到有效隔離現(xiàn)場危險(xiǎn)能量進(jìn)入控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)抗干擾的能力。

3 技術(shù)狀態(tài)與驗(yàn)證結(jié)果（圖3-7）

圖3 P=2 I=20 氮?dú)庠鰤阂貉跸鋲毫η€圖

圖4 P=5 I=10 氮?dú)庠鰤阂貉跸鋲毫η€圖

圖5 P=8 I=5 氮?dú)庠鰤阂貉跸鋲毫η€圖

圖6 P=5 I＝10 液氮冷凍調(diào)試液氧箱壓力曲線圖

由于工業(yè)控制中，系統(tǒng)參數(shù)都是隨著時(shí)間不斷變化，在近似模型基礎(chǔ)上得到的理論值在實(shí)際中并不一定是最優(yōu)化的解決方法。在實(shí)踐應(yīng)用中，PID 自動(dòng)增壓系統(tǒng)還需以液氧介質(zhì)為例，多次調(diào)試驗(yàn)證得到參數(shù)的設(shè)定值。液氧貯箱增壓系統(tǒng)在試驗(yàn)階段的技術(shù)狀態(tài)：（1）液氧貯箱總?cè)莘e：4m3；（2）起始階段氣墊容積：0.5m3；（3）液氧流量：約16kg/s；（4）增壓氣體：常溫氮?dú)?；?）增壓介質(zhì)：液氧；該增壓系統(tǒng)建成后需設(shè)置適合于試驗(yàn)工作狀態(tài)的P、I 參數(shù)值。依據(jù)試驗(yàn)工作特點(diǎn)和節(jié)約費(fèi)用的原則，調(diào)試工作分為以下兩個(gè)步驟：(1) 貯箱在空置狀態(tài)下進(jìn)行氮?dú)庠鰤赫{(diào)試，貯箱在0MPa（表壓）條件下增壓到0.2MPa（表壓），穩(wěn)定一定時(shí)間后再次增壓，從0.2MPa（表壓）增壓到0.4MPa（表壓），找出滿足試驗(yàn)系統(tǒng)要求的P、I 值；根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)分析，P 值決定增壓的速度，I 值則決定了增壓調(diào)節(jié)的頻率。P=5,I=10的數(shù)據(jù)組合能夠比較平穩(wěn)的將貯箱的壓力增壓到設(shè)定值。(2) 貯箱內(nèi)充填3.9m3液氮，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)，在液氧出口處調(diào)節(jié)出口閥門的開度，保持貯箱出口液氧流量在14L/s，檢驗(yàn)系統(tǒng)的增壓特性；上圖中可以看出，在液氧貯箱出口剛剛打開的瞬間（對應(yīng)0 秒時(shí)刻），貯箱壓力跳變。PID 智能調(diào)節(jié)儀在3S 內(nèi)就完成了增壓管路D的開度調(diào)節(jié)，保持貯箱壓力的穩(wěn)定。從3S 以后，貯箱壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，并參考試車經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，確定在增壓系統(tǒng)中將P 值設(shè)定為5，I 值設(shè)定值為10。在某次正式試車中，試驗(yàn)主級時(shí)間120s，P 值設(shè)定值為5，I 值設(shè)定值為10，0s 貯箱壓力值為0.50MPa（絕壓），貯箱壓力設(shè)定值為0.49MPa（絕壓）。試車結(jié)果數(shù)據(jù)見圖7。從圖中可以得出，PID 智能調(diào)節(jié)儀選用的P=5，I＝10的參數(shù)組合能夠在主級120S 試車中保持氧箱壓力的穩(wěn)定，超調(diào)量不大于0.02MPa。

圖7 P=5 I=10 正式試車液氧箱壓力曲線圖

4 結(jié)論

本文介紹的一種基于PID 智能調(diào)節(jié)儀的貯箱增壓方法，綜合各智能調(diào)節(jié)儀設(shè)置參數(shù)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，智能調(diào)節(jié)儀的參數(shù)在選用P=5，I=10 時(shí)性能較為穩(wěn)定，增壓效果良好，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方對試驗(yàn)系統(tǒng)提出的要求。