摘 要：介紹了金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)恒溫恒壓供氣控制系統(tǒng)基本組成及工作原理。利用PCD氣壓元件庫(kù)建立了恒壓供氣控 制系統(tǒng)的AMESim仿真模型，設(shè)置模型參數(shù)，對(duì)出口壓力的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，確保該控制系統(tǒng)滿足出口絕對(duì)壓力及精度為490±10 kPa 的要求。在此基礎(chǔ)上利用PID控制器進(jìn)行校正及優(yōu)化分析。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠滿足出口壓力恒定的要求。

 

    引 言

    隨著現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶來(lái)了環(huán)境污染與 能源緊張等一系列的問(wèn)題。而渦輪增壓技術(shù)的研究正是通過(guò)強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的一種技術(shù)。所以 作為汽車(chē)核心部件之一的金屬管浮子流量計(jì)，對(duì)其技術(shù)的研究也就成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)與采 用自然進(jìn)氣技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)采 用渦輪增壓技術(shù)可節(jié)能10%~20%；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪 增壓技術(shù)可節(jié)能20%~40%；渦輪增壓技術(shù)尾氣污染排放 較小；與混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)相比，金屬管浮子流量計(jì)技術(shù)成本優(yōu)勢(shì)明顯。因此金屬管浮子流量計(jì)技術(shù)應(yīng)用日益普及。但隨著金屬管浮子流量計(jì)不斷進(jìn)步與發(fā)展，在金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的研究過(guò)程中對(duì)給金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)供氣的設(shè)備要求也越 來(lái)越高，并且對(duì)供氣設(shè)備出口壓力控制系統(tǒng)的研究逐漸成為核心，這對(duì)分析、驗(yàn)證增壓器總成及其零部件的可靠性和機(jī)械性能具有重要作用。

 

    本文主要對(duì)供氣設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行如下分析。 

 

 

    1 金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)恒溫恒壓供氣控制系統(tǒng)的組成及原理分析

    1.1 基本組成 

    供氣設(shè)備由空氣供氣及恒壓控制系統(tǒng)、空氣加熱及 溫度控制系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)部分之間由對(duì)應(yīng)的管道及電纜連接，如圖1所示。

 

 

    1）恒壓控制系統(tǒng)的基本組成包括氣動(dòng)三聯(lián)件、 調(diào)壓閥、節(jié)流閥、 儲(chǔ)氣罐、壓力傳感器、PLC可編程控制器、閥控制器（PID控制器）等。2）恒溫控制系統(tǒng)的基本組成有油箱、油 泵、空氣-油換熱器、加熱器、閥門(mén)、管道附件、PLC可編程 控制器、溫控表等。3）電氣控制系統(tǒng)主要由以下幾大部分 組成：a.油箱溫度控制系統(tǒng)，包括溫控器、調(diào)壓模塊、溫度傳感器、加熱裝置。b.空氣壓力控制系統(tǒng)，包括閥控制器、 壓力傳感器、調(diào)壓閥。c.其它元器件控制系統(tǒng)。設(shè)備中的其 它電氣元件與PLC的IO口相連接，由PLC統(tǒng)一控制，被控制的元器件包括按鈕、液位計(jì)、指示燈、電動(dòng)機(jī)、壓力開(kāi)關(guān)、 氣動(dòng)閥等。

 

    1.2 工作原理

    1.2.1 恒壓控制系統(tǒng)原理分析

    氣體經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生絕對(duì)壓力為0.73 MPa的壓 縮空氣。壓縮空氣經(jīng)過(guò)高精度過(guò)濾器后到達(dá)調(diào)壓閥，再到節(jié)流閥和儲(chǔ)氣罐，再經(jīng)過(guò)加熱裝置后非常后到達(dá)耐久試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備。為了應(yīng)對(duì)用氣量的劇烈變化狀態(tài)，采用比例調(diào) 壓閥構(gòu)成閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)壓力的精確控制，同時(shí)采用節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)對(duì)不同試驗(yàn)項(xiàng)目的不同控制策略， 儲(chǔ)氣罐對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到穩(wěn)定壓力的作用，并且減小了系 統(tǒng)波動(dòng)。恒壓控制系統(tǒng)的組成及原理如圖2所示。

 

 

    恒壓控制系統(tǒng)的控制方式采用局部閉環(huán)控制和整體 閉環(huán)控制兩種方式，如圖3所示。通過(guò)這兩種閉環(huán)控制方 式可使恒溫恒壓供氣設(shè)備的出口壓力更加穩(wěn)定，有利于減小壓力波動(dòng)。

 

 

 

    1.2.2 恒溫控制系統(tǒng)原理分析

    恒溫控制系統(tǒng)非常重要的是在諸多加熱方式中（如電 熱絲、熱銅板、熱鋁板等電加熱和空氣-油換熱等）選擇何 種加熱方式給氣體加熱。如果采用普通管道式電加熱的 方式，無(wú)法滿足對(duì)空氣流量矩形波形變化形態(tài)的空氣溫 度控制要求。故采用空氣-油換熱的方式，無(wú)論空氣流量 如何變化都不會(huì)影響溫度控制的要求。 

 

    加熱設(shè)備采用上下兩層式結(jié)構(gòu)，這樣可以減少占用 空間。系統(tǒng)的組成原理圖如圖4所示。設(shè)備下層主要是油 箱，油箱中配有加熱器、溫度傳感器、液位計(jì)、空氣濾清器 等，油箱外部及管道包裹保溫材料，防止熱量散失。設(shè)備上層主要由空氣-油換熱器組成，油泵與上部換熱器之間配有截止閥便于維修，換熱器的空氣出口處配有溫度傳感器以便控制及顯示溫度。

 

 

   恒溫控制系統(tǒng)的控制方式采用局部閉環(huán)控制和主閉 環(huán)控制兩種方式,如圖5所示。通過(guò)這兩種閉環(huán)控制方式 可使恒溫恒壓供氣設(shè)備出口的氣體溫度更加穩(wěn)定，有利于減小溫度波動(dòng)。

 

 

 

    2 基于 AMESim恒壓控制系統(tǒng)模型建立

    2.1 調(diào)壓閥模型的建立 

    調(diào)壓閥作為恒溫供氣控制系統(tǒng)的重要核心元件，它 的好壞直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性和控制精度[1]。在AMESim中建立的模型如圖 6所示[2-4]。模型中具體參數(shù)值如表 1 所示。

 

 

 

 

    2.2 負(fù)載模型的建立 

    根據(jù)耐久試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求，對(duì)負(fù)載進(jìn)行模 擬。利用AMESim對(duì)其進(jìn)行建模（圖7）。選可調(diào)節(jié)氣 動(dòng)節(jié)流閥為負(fù)載，用方波信號(hào)與慣性環(huán)節(jié)組合作為調(diào)節(jié) 氣動(dòng)節(jié)流閥的外部信號(hào)源。具體參數(shù)如表2所示。

 

 

 

 

 

    2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)模型的建立

    PLC可編程邏輯控制器首先通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊得到模擬量信號(hào)，模擬量信號(hào)再通過(guò)閥控制器作用于調(diào)壓閥，非常后壓力傳感器檢測(cè)到流經(jīng)調(diào)壓閥和節(jié)流閥的氣體壓力信號(hào)，并把其檢測(cè)到的信號(hào)先作用于閥控制器形成局部閉環(huán)控制，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊作用于PLC形成整 體閉環(huán)控制。

 

    根據(jù)恒壓系統(tǒng)控制框圖和模擬的負(fù)載建立恒壓控制系統(tǒng) AMESim 模型,如圖8所示[2-4]。

 

 

 

    3 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

    恒壓控制系統(tǒng)出口壓力的動(dòng)態(tài)特性分析，是指在輸 入氣源絕對(duì)壓力值為0.73 MPa時(shí)，恒壓供氣設(shè)備出口壓 力的響應(yīng)變化。按照表3設(shè)置AMESim模型中的關(guān)鍵參數(shù) 后，對(duì)恒壓控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到如圖9所示的出口絕 對(duì)壓力曲線圖。由圖9可得到金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)恒溫恒壓供氣設(shè)備控制系統(tǒng), 對(duì)供氣設(shè)備出口端的壓力控制情況有以下幾點(diǎn)：

 

 

 

 

 

     1）當(dāng)時(shí)間到從7~8 s開(kāi)始時(shí) 供氣設(shè)備出口端的壓力就已經(jīng) 達(dá)到了金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)控 制氣體壓力的要求，并且直到仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)也都滿足渦輪 增壓器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)控制氣體壓力的要求。

 

     2）從圖9可以看出，供氣設(shè) 備出口端的壓力雖然已經(jīng)達(dá)到 了金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)控制氣 體壓力的要求，但是氣體的壓力一直在0.48~0.50 MPa之間波動(dòng)，且波動(dòng)頻繁，這樣會(huì)對(duì)渦輪 增壓器試驗(yàn)臺(tái)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)造 成不良的影響。 

 

    3） 對(duì)恒壓控制系統(tǒng)加入PID控制器，運(yùn)用PID控制方法 對(duì)恒壓控制系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào) 節(jié)，以達(dá)到供氣設(shè)備出口端壓力穩(wěn)定、減小波動(dòng)的目的。 

 

    4 恒壓控制系統(tǒng)PID校正與優(yōu)

    化分析為了仿真模擬加入PID校正恒壓控制系統(tǒng)，進(jìn)而分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和誤差，首先需要建立仿真模型。利用AMESim軟件中信號(hào)庫(kù)自帶的模擬PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化十分方便，在上一節(jié)恒壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入模擬PID控制器，建立如圖10所示的模擬PID控制的恒 壓控制系統(tǒng)模型[5]。

 

 

 

    在工程上通常采用臨界比例法和試湊法相結(jié)合的方 式確定PID參數(shù)，通過(guò)對(duì)3個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行反復(fù)設(shè)置調(diào)節(jié) 得到優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法確實(shí) 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，憑借調(diào)試經(jīng) 驗(yàn)去試湊，工作量過(guò)于龐大。因此，筆者采用AMESim中的輸入輸出模塊和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能，完成對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自動(dòng) 求解。將輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的差值引出，并串聯(lián)一個(gè)積 分環(huán)節(jié)，得到誤差的積分值作為控制系統(tǒng)的一項(xiàng)精度考核 指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行精度設(shè)定。經(jīng)過(guò)AMESim的循環(huán)批量數(shù)據(jù)處理和分析運(yùn)算，得到PID非常終的運(yùn)算結(jié)果為kP=7，kI=3，kD= 2。將運(yùn)算結(jié)果應(yīng)用到PID控制器模塊中進(jìn)行仿真，得到的供氣設(shè)備出口端氣體壓力曲線如圖11所示。從圖11可以看 出，供氣設(shè)備出口端氣體的絕對(duì)壓力大約在14 s時(shí)達(dá)到穩(wěn) 定，并且從14~50 s時(shí)氣體壓力非常穩(wěn)定，波動(dòng)非常小，幾乎 可以忽略不計(jì)。由此可以判斷該恒壓控制系統(tǒng)對(duì)氣體壓力 的控制滿足金屬管浮子流量計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的要求。 

 

 

    5 結(jié) 論

    本文主要對(duì)恒壓供氣設(shè)備控制系統(tǒng)基于AMESim軟件

進(jìn)行建模和仿真分析，并通過(guò)分析仿真結(jié)果可得到以下結(jié)論： 1）恒壓控制系統(tǒng)在沒(méi)有PID控制器的作用下供氣設(shè)備出口 壓力的波動(dòng)非常大。2）恒壓控制系統(tǒng)加入PID控制器后分析可以得出，在滿足實(shí)驗(yàn)要求負(fù)載的條件下，系統(tǒng)出口壓力滿足（490±10）kPa（絕對(duì)壓力）。3）恒壓供氣設(shè)備控制系統(tǒng)系的設(shè)計(jì)利用 AMESim 軟件進(jìn)行建模和仿真，與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)傳遞函數(shù)相比，更加直觀、方便得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。