高压气体压力控制系统分析

郝红英 陈世琼

（西昌学院 汽车与电子工程学院，四川 西昌 615013）

1 HPGCS 工作原理及特性分析

1.1 HPGCS 工作原理及操作过程

1.1.1 工作原理

HPGCS 是压力计量中对压力精密控制的关键器件，其系统主要由气源、比例电磁阀、气容、测压传感器、控制器、微调器、步进电机和各种连接安装器件组成，各部件功能如下。

（1）气源用于提供高压气，一般为气瓶或压力储罐，实际压力值会随调压工作过程变化，为简化处理，可认为其为一恒定值。

（2）进排气阀能根据控制要求以一定的开度进行开启，从而实现气源与系统或系统与大气的连通，完成HPGCS 的进气或排气。

（3）控制器用于检测系统的实时压力值，接受用户输入设置，按照一定的控制策略实现对进排气阀、步进电机的控制，最终使系统输出满足用户设定要求的压力。

（4）压力检测元件是能实时检测系统压力值的元器件，一般为压力传感器或压力变送器。

（5）气容是系统负载部分，也是系统控制的关键对象。 本文所研究的气容为非消耗型气容， 即该气容容积空间中的气体在工作过程中其物质的量无变化 （忽略可能存在的少量渗漏干扰）。 对于消耗型气容负载系统，通常采用流量调节阀来进行控制，不在本文研究范围。

（6）连接器件是实现系统安全连接，提供气流通路的管路和连接件，其材质一般为不锈钢，按刚体考虑（即不存在弹性变形），故系统容积不受内部压力变化影响。

系统工作原理：通过改变固定容积空间内气体物质的量来改变其压力（进排气过程），通过改变一定物质的量的气体的容积空间来改变其压力（微调过程）。

1.1.2 操作过程

其工作流程如图1 所示。

控制实施时，系统首先进行粗调：先通过检测元件获取系统当前压力值，然后与设定值相比较，按照设定规则进行判断，实现对进排气阀的控制，使系统压力值获得改变。当系统压力值达到一个设定的转换限时，系统转入微调（精确调节或精调）阶段。 精调阶段：系统通过微调器对系统压力实施精细调节，最终使输出压力值满足设定精度要求。

系统具有分层递阶式控制的特点， 输出具有较高的精度，体现出智能多模态控制的特点。

1.2 HPGCS 特性分析

HPGCS 中高压气体在进行充放气时具有以下显著特征：

1.2.1 非线性。 气流在HPGCS 中的流动受其结构影响，事实上，HPGCS 结构中存在各种形状的流通通路， 各自对气流都有很强的影响，使得进排气时气流呈现明显的紊流特性。 因此，系统压力的变化表现为明显的非线性特征， 难以用简单公式进行描述。

1.2.2 迟滞性。 气流进入HPGCS 容积中不可能瞬时完成均匀混合，而是一个内压逐步平和的过程，系统因此表现出明显的迟滞性特征。

1.2.3 震荡特性。 系统即使完成了进排气或其他影响气流的操作，由于气流在密闭容积空间的传播特性，在遇到其边界时会产生反射，从而在容积空间中引起压力震荡，需要经过一定的时间才能稳定下来。

1.2.4 不准确性。 实际测量时，传感器只能布置在系统特定位置，所测结果难以准确反映整个系统压力状况，即系统测量具有不准确性，具有明显的局部特性，这也表现为迟滞性和震荡性。

图1 HPGCS 操作过程

2 HPGCS 技术要求、理想调压特性及控制策略选择

2.1 HPGCS 技术要求

对于全自动HPGCS，在用于压力仪表检定校准时，由操作者通过按钮设置其控制输出压力值，在输出稳定后，以此为标准同被检设备的值进行比较完成其校准检定工作。 系统基本要求如下：（1）数字式的配置管理模式，即能通过数字输入设定需要的输出结果；（2）自动的动作响应，可自动快速完成调压工作，工作中不需人工干预；（3）高精度的输出结果，可直接用作标准值，满足计量相关规程要求。

据此， 结合计量规程及使用要求可知，HPGCS 作为压力计量的关键设备，其技术性能基本要求应包括以下内容：（1）冲击小。 调压过程应尽可能平稳，避免压力的较大波动，确保能精确地反映被检设备的性能，避免设备受到冲击损坏。 （2）超调量小。检定规程明确要求在进行压力示值检定校准时， 应平稳地升压或降压，避免冲击和回程。 因此，HPGCS 的超调量要小，否则难以达到平稳升降压的要求。 一般来说，系统的超调量应小于其校准检定对象允许误差。 （3）响应时间短。 由于高压气体在受到压缩时会产生振荡，因此，其稳定时间对系统影响较大，一般一台工作性能良好的HPGCS，其从开始调压到稳定输出应在30s 内。（4）稳态误差小。 为实现对被检设备的有效校准检定，要求标准器部分所带来的误差应小于被检允许误差的1/3，故系统输出的稳态误差应尽可能小。 根据实际使用要求，HPGCS 输出稳态误差应小于被检允许误差的1/3，考虑各种不确定度的影响，其输出稳态误差为被检允许误差的1/4 为宜。

2.2 HPGCS 理想调压特性

想象HPGCS 的理想调压（升压）特性应是：在初始阶段，系统以较快速度上升，此时阀门输入开度增益达到最大。随着输出增大，开度增益逐渐减小，但系统输出开始逐渐变缓，直到系统输出接近设定值时，阀门开度到达零，随后系统持续缓慢变化直到输出等于设定值。降压与此类似。因此系统理想调压特性曲线（10MPa 到15MPa）可用图2 表示。

图2 反映的工作特性是，在起始时由于系统迟滞和阀门开度影响，其上升速度很慢。 随后阀门开度达到最大，系统快速上升，达到一定值后系统阀门开度逐渐减少，实现对系统的缓慢补压，直到输出趋近设定输出值，关闭阀门的同时系统输出压力基本稳定。 理想调压特性显示，系统输出压力平稳、无超调、无稳态误差，显然满足HPGCS 既定要求。

图2

事实上，这种理想情况是不存在的，而且对于电控阀要实现精确的无级开度调整非常困难， 因为高压下其阀座密封的状态在变化，相同开度可能随着时间的推移而出现较大变化。根据相关研究，采用直动电磁阀控制的气压系统，其压力输出脉动往往较为明显。 因此，为降低系统实现难度，同时满足系统快速性和高精度要求，可参照现有手动HPGCS 的分段调压模式，即将系统分为粗调和精调两种过程。 在调压前期，误差较大时采用电控阀调节，在接近输出设定值时采用微调器进行调节，从而有效降低系统实现成本，同时通过微调器的调节，实现系统的高精度输出。

图3 HPGCS 控压输出曲线比较

HPGCS 理想控压输出曲线、 常规控压输出曲线 （10MP 到20MPa 增压过程）如图3 所示。

2.3 HPGCS 控制策略选择

为确保HPGCS 满足使用要求， 应根据系统特性选择控制策略。 为有效选用系统的控制模型，通常可采用一定的测试方法对系统进行性能测试，通过测试反映系统的响应特点，在此基础上进一步进行控制策略选择。 对于用于计量的高压气体压力控制系统，要求极高，其压力精确度控制难度较大，故需进行更为详尽全面的分析。

根据HPGCS 技术要求，系统应具有超调小、响应速度快、稳态误差小的特点， 而一般的PID 控制算法难以兼顾系统多个指标。因此，为保证HPGCS 满足计量需要，采用智能控制算法是最佳途径。

由于经典控制的时域性能和复域性能指标只能作为传统单模态控制最后调整的工具，控制设计无法兼顾他们。 传统最优控制的误差泛函积分性能指标也只是各种经典时域性能指标的折衷，难以做到他们之间的兼顾，实现的只是指定指标的最优。因此，为实现各个指标的最优，研究世界上最高级、最有效的控制系统—人类自身表现出来的控制机制，并用机器加以模仿，这是研究自动控制的重要途径。 比较目前常用的控制策略可知，智能控制更能适应复杂高精度系统的控制。 其中， 仿人智能控制（HISC）策略对实现类似HPGCS 这样具有非线性、迟滞性且要求无超调、无静差的系统效果良好，故采用HISC 作为HPGCS 的控制策略是一种解决问题的有效途径。

大量研究表明，HISC 算法在解决非线性、 迟滞性上具有独特的优势，能有效调和系统稳定性、快速性和超调量的关系，可以极为简单的输入参数量实现对系统的高精度控制， 其采样传感器数量较少，对于控制精度要求极高的场合，其制作成本可得到较好控制。 因为HPGCS 系统具有典型迟滞特性和非线性特征，引入仿人智能控制是一种比较合理的选择。

2.4 研究思路

根据前面的分析， 确定系统开展设计研究的基本思路如下：（1）首先介绍HISC 的基本思想及其应用的基本步骤；（2）根据现有的技术手段和条件， 构建HPGCS 硬件结构；（3）研究HPGCS 所用控制执行元器件的工作特性， 为系统设计提供支持；（4）综合分析HPGCS 系统结构特点， 完成控制算法详细设计；（5）对系统进行仿真验证，分析所设计系统的效果。

2.5 HPGCS 技术指标

本文所研究的HPGCS 拟实现的主要技术指标如下： 工作范围为（0～60）MPa；量程上限为（10～60）MPa；超调量＜0.1%PF（PF 系统量程）； 响应速度为每次步进小于30s； 输出精度为0.1%PF；步进能力为2MPa、5MPa、10MPa。

3 结语

本文主要介绍了HPGCS 的工作原理、基本结构、工作特点和技术要求，给出了HPGCS 的主要元器件及其功能特点。 在比较现有的常用控制策略的基础上，指出HPGCS 控制策略应选择采用智能控制，确保其能解决HPGCS 难以采用数学模型进行精确描述的问题，介绍了开展研究的基本思路和所研究的HPGCS拟实现的主要技术指标。

[1]屠立猛.JJG 544-1999.压力控制器检定规程[S].北京：中国计量出版社，2000：1-3.

[2]王福生，孟晓风.一种气体压力控制方法及应用[J].测控技术，2001（4）：26-27.