褚衛(wèi)華，謝明偉

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設備設計及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

燃氣發(fā)生器是一種采用氧化劑(氧、空氣或其他氧化劑)和燃料(酒精、煤油、天然氣等)燃燒生成預定流量、壓力和溫度的高溫燃氣裝置，適合短時輸出大功率熱能動力，在工業(yè)用燃氣輪機、火箭沖壓、高超聲速推進地面試驗系統(tǒng)、氣動激光器和化學激光器壓力恢復系統(tǒng)等軍事和民用領域得到廣泛應用[1-2]。典型的以空氣為氧化劑的燃氣發(fā)生系統(tǒng)組成原理如圖1所示，由氣源、空氣調(diào)節(jié)管路、燃料擠推管路、點火裝置和燃氣發(fā)生器組成，空氣調(diào)節(jié)管路主要功能是為發(fā)生器供應穩(wěn)定流量的空氣，燃料擠推管路為燃燒過程提供穩(wěn)定的燃料供應。當燃氣發(fā)生器應用于激光器等移動裝置時，為了方便安裝運輸，減小裝備規(guī)模，提高機動能力，需要將空氣等氧化劑壓縮到高壓氣瓶中，在工作過程中通過控制系統(tǒng)高精度調(diào)節(jié)調(diào)壓閥為燃氣發(fā)生器燃燒提供滿足流量和壓力要求的空氣等氧化劑，從而保證燃氣發(fā)生器穩(wěn)定燃燒[3-4]。因此，如何將氣源高壓空氣等氧化劑高精度穩(wěn)定控制調(diào)節(jié)，滿足燃氣發(fā)生器燃燒要求的氣流，以最大效率利用高壓氣源空氣等是安裝于移動裝置上燃氣發(fā)生器需要解決的難題。

圖1 燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of gas generator

對于高壓氣源，特別是大流量空氣等氧化劑供應管道，如果采用單級調(diào)壓閥直接調(diào)壓則對調(diào)壓閥閥門強度、尺寸、型面設計和調(diào)壓精度等都提出很高要求，很大的降壓比在工程上甚至無法實現(xiàn)，一般都采用雙調(diào)節(jié)閥串聯(lián)調(diào)壓的方式實現(xiàn)[5]。雙調(diào)節(jié)閥串聯(lián)調(diào)壓方式有兩種，一種是機械式減壓閥加伺服調(diào)壓閥方式，伺服調(diào)壓閥與調(diào)壓閥后壓力傳感器、控制器組成壓力閉環(huán)控制。這種調(diào)壓方式原理是：首先采用減壓閥將閥前高壓氣源較高的壓力減少至某一固定壓力，然后通過控制器自動控制伺服調(diào)壓閥將閥后壓力高精度調(diào)節(jié)到目標值；另一種方法是采用兩個伺服調(diào)壓閥串聯(lián)調(diào)壓的方式。由于減壓閥的特點是在進口壓力不斷發(fā)生變化波動的情況下，保持氣體出口壓力在一定可控范圍之內(nèi)[6]，因此機械式減壓閥與伺服調(diào)壓閥串聯(lián)的調(diào)壓方式，控制策略和調(diào)試過程簡單，但由于減壓閥閥后壓力與閥前壓力有一定比值要求，高壓氣源終止使用壓力過高，高壓氣源壓力低于某一值后減壓閥無法按要求完成減壓工作，因此高壓氣瓶組高壓氣體有效利用率很低。采用雙伺服調(diào)壓閥串聯(lián)自動調(diào)節(jié)的方式，可以最有效利用高壓氣瓶組氣源，但是控制策略復雜。本文以串聯(lián)伺服調(diào)壓閥為研究對象，研究雙級串聯(lián)伺服調(diào)壓閥實現(xiàn)高壓氣源高精度調(diào)節(jié)的控制策略，并分析控制策略的實現(xiàn)過程和調(diào)試方法。

1 控制系統(tǒng)組成與控制策略分析

調(diào)壓閥是通過總壓調(diào)節(jié)實現(xiàn)氣流速度和流量的精確控制。隨著氣源壓力降低，通過控制調(diào)壓閥的開度，以保證穩(wěn)定室內(nèi)氣流壓力穩(wěn)定在某一運行值[7]。為了保證壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，閥門型面曲線通常采用指數(shù)特性曲線。其優(yōu)點在于調(diào)壓過程中，閥后壓力相對變化量與閥芯的相對位移量基本呈線性，有利于閥門控制系統(tǒng)設計與壓力調(diào)節(jié)。典型的環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥的氣源特性公式[8]為

式中：μ為閥門前后總壓比；μmin為閥門前后最小總壓比；Ma為氣流馬赫數(shù)；F為試驗段截面積；K為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù);Th為氣源初始總溫；ph為氣源初始壓力；p0為穩(wěn)定段總壓；B為氣源容積；n為氣流試驗過程多變指數(shù)；K為絕熱指數(shù)。

伺服調(diào)壓閥后壓力調(diào)節(jié)閉環(huán)控制原理如圖2所示，閉環(huán)控制由控制器、調(diào)壓閥、閥后壓力傳感器構(gòu)成，控制器根據(jù)壓力目標值與調(diào)壓閥后壓力傳感器差值實時調(diào)節(jié)閥芯位置，改變閥芯受控流體的壓差，實現(xiàn)閥后壓力精確控制。

圖2 調(diào)壓閥后壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of pressure closed-loop control system after pressure regulating valve

目前燃氣發(fā)生器等空氣供應管路雙級伺服調(diào)壓閥調(diào)壓控制方式有兩種：第一種方式是第一、二級調(diào)壓閥均采用獨立的壓力閉環(huán)控制，第一級調(diào)壓閥輸出作為第二級調(diào)壓閥輸入。由于采用這種方式一級調(diào)壓閥后壓力調(diào)節(jié)會直接影響到二級調(diào)壓閥后壓力，在兩級之間壓力控制存在很大的耦合性，空氣管路供應壓力很難實現(xiàn)高精度控制。第二種方式是第一級調(diào)壓閥采用位置控制，調(diào)壓閥位置隨氣源壓力線性變化，二級調(diào)壓閥采用壓力閉環(huán)。第二種調(diào)壓方式克服了第一種方式存在的控制耦合問題，控制穩(wěn)定性和精度有所提高，但一級調(diào)壓閥后壓力變化較大，增加了二級調(diào)壓閥調(diào)壓難度，也不能使二級調(diào)壓閥工作在最佳調(diào)壓位置，難以充分發(fā)揮二級調(diào)壓閥最佳調(diào)壓特性，無法達到高精度調(diào)壓效果。

本文采用位置與壓力閉環(huán)控制解決雙級伺服調(diào)壓閥控制耦合問題的基礎上，研究一級調(diào)壓閥按氣源壓力移動定位的關(guān)系曲線調(diào)試獲取方法，確保一級調(diào)壓閥后壓力基本穩(wěn)定在某一固定值，簡化二級調(diào)壓閥控制策略，同時使二級調(diào)壓閥調(diào)壓過程中工作在最佳調(diào)壓位置，發(fā)揮二級調(diào)壓閥最佳調(diào)壓特性，使雙級調(diào)壓閥調(diào)壓達到最佳效果，雙級伺服調(diào)壓閥位置與壓力閉環(huán)控制原理圖如圖3所示。

圖3 雙級伺服調(diào)壓閥位置與壓力串聯(lián)閉環(huán)控制原理圖Fig.3 Closed-loop control schematic diagram of position and pressure series of two-stage pressure regulating valve

2 控制調(diào)試與實現(xiàn)方式

2.1 二級調(diào)壓參數(shù)調(diào)節(jié)與最佳調(diào)壓位置確定

調(diào)壓閥調(diào)壓特性與閥門入口氣流總溫、氣流馬赫數(shù)Ma、摩爾質(zhì)量等有密切關(guān)系，特別是閥門壓比曲線，閥后壓力/閥前壓力與閥門開度關(guān)系曲線與調(diào)壓閥閥芯型面有直接聯(lián)系[9-10]。圖4是典型調(diào)壓閥調(diào)壓特性曲線，從閥門調(diào)壓特性曲線可以看出，隨著Ma的增加，壓力增大，調(diào)壓性能曲線整體下移。因此，要使雙級調(diào)壓閥達到最佳調(diào)壓效果和精度，需要分析二級調(diào)壓閥在要求工作狀態(tài)下其壓比特性曲線和最佳調(diào)壓位置，在進行壓力閉環(huán)控制的過程中，在最佳調(diào)壓位置附近完成目標壓力精調(diào)。

圖4 典型調(diào)壓閥調(diào)壓特性曲線Fig.4 Pressure regulating gulating characteristic curve of typical pressure regulating valve

二級調(diào)壓閥目標工作狀態(tài)下壓比曲線最有效的調(diào)試獲取方法是：

1)將一級調(diào)壓閥100%全開，二級調(diào)壓閥采用壓力閉環(huán)控制，控制目標壓力為燃氣發(fā)生器工作壓力，采用傳統(tǒng)PID控制通過試驗完成二級調(diào)壓閥后壓力閉環(huán)控制參數(shù)調(diào)節(jié)。

2)二級控制參數(shù)調(diào)節(jié)完成后，將氣源壓力填充到二級調(diào)壓閥工作壓力上限值，繼續(xù)保持一級調(diào)壓閥100%全開，開始二級調(diào)壓閥后壓力調(diào)節(jié)，氣源壓力開始下降，直到氣源壓力下降到二級調(diào)壓閥后壓力無法實現(xiàn)目標壓力調(diào)節(jié)為止。

3)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合獲取二級調(diào)壓閥全位置壓比曲線。

以某引射系統(tǒng)燃氣發(fā)生器空氣高壓調(diào)節(jié)管路為例，通過試驗調(diào)試獲得的二級調(diào)壓閥全位置壓比曲線具體見圖5。在壓比曲線中，橫坐標為二級調(diào)壓閥開度，縱坐標為二級調(diào)壓閥閥后壓力與調(diào)壓閥閥前壓力比值。

圖5 二級調(diào)壓閥壓比曲線圖Fig.5 Pressure ratio curve of second-stage pressure regulating valve

在壓比曲線上，調(diào)壓閥最佳調(diào)壓位置是斜率為1的直線中點部分。

2.2 一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)控制目標曲線分析

一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)控制目標曲線實際上就是實現(xiàn)二級調(diào)壓閥在目標工作壓力處高精度調(diào)壓時一級調(diào)壓閥位置隨氣源壓力變化關(guān)系曲線。一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)控制目標曲線確定的目的是：調(diào)壓過程中，一級調(diào)壓閥實時以該位置曲線為目標值進行位置閉環(huán)定位，實現(xiàn)二級調(diào)壓閥閥前壓力，即一級調(diào)壓閥閥后壓力基本穩(wěn)定，實現(xiàn)二級調(diào)壓閥前壓力粗調(diào)，從而保證二級調(diào)壓閥在最佳調(diào)壓點附近完成微調(diào)，實現(xiàn)二級調(diào)壓閥閥后壓力高精度穩(wěn)定在目標值。

一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)控制目標曲線具體調(diào)試過程是：

1)將二級調(diào)壓閥固定到最佳調(diào)壓位置，由控制器、二級調(diào)壓閥閥后壓力傳感器和一級調(diào)壓閥組成壓力閉環(huán)控制，控制算法采用傳統(tǒng)PID。

2)將氣源壓力打到氣源壓力上限值后進行控制參數(shù)調(diào)節(jié)，將二級調(diào)壓后壓力穩(wěn)定控制在目標壓力。

3)控制參數(shù)調(diào)試完成，對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到二級調(diào)壓閥工作在最佳調(diào)壓位置時，一級調(diào)壓閥位置與氣源壓力關(guān)系曲線。

以某引射系統(tǒng)燃氣發(fā)生器空氣高壓調(diào)節(jié)管路為例，通過試驗調(diào)試獲得的一級調(diào)壓閥位置與氣源壓力關(guān)系曲線如圖6所示，橫坐標為氣源壓力，縱坐標為一級調(diào)壓閥開度。圖7為一級調(diào)壓閥后壓力變化曲線。一級調(diào)壓閥沿氣源壓力目標位置曲線閉環(huán)控制方法，克服了雙壓力閉環(huán)控制在壓力通道之間出現(xiàn)的耦合效應，解決了串聯(lián)壓力通道閉環(huán)控制之間交叉干擾導致嚴重影響控制性能問題。在氣源壓力高壓(大于12 MPa)階段，保持二級調(diào)壓閥工作在最佳調(diào)壓位置，一級調(diào)壓閥后壓力基本穩(wěn)定在5%以內(nèi)，為二級高精度調(diào)壓奠定基礎。隨著氣源壓力下降進入低壓(6～12 MPa)階段，一級調(diào)壓閥后壓力平穩(wěn)降低，通過二級調(diào)壓閥后壓力閉環(huán)控制可實現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)壓。

圖6 一級調(diào)壓閥位置與氣源壓力關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between position of first-stage pressure regulating valve and gas source pressure

圖7 一級調(diào)壓閥后壓力曲線Fig.7 Pressure curve after first-stage pressure regulating valve

2.3 雙級伺服調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)實現(xiàn)方式

明確二級調(diào)壓閥最佳調(diào)壓位置和一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)控制曲線調(diào)試方法后，可以按以下步驟高效實現(xiàn)高壓氣源雙級高精度調(diào)壓控制：

1)將氣源壓力填充到二級調(diào)壓閥工作壓力上限值，一級調(diào)壓閥保持100%全開，二級調(diào)壓閥采用壓力閉環(huán)控制，控制目標壓力為燃氣發(fā)生器工作壓力，通過實驗完成二級調(diào)壓閥后壓力閉環(huán)控制參數(shù)調(diào)節(jié)。

2)二級控制參數(shù)調(diào)節(jié)完成后，從試驗數(shù)據(jù)里得到二級調(diào)壓閥全位置壓比曲線。

3)壓比曲線調(diào)壓直線部分中點確定為二級調(diào)壓閥的最佳調(diào)壓位置。

4)將二級調(diào)壓閥固定到最佳調(diào)壓位置，由控制器、二級調(diào)壓閥后壓力傳感器和一級調(diào)壓閥組成壓力閉環(huán)控制，以燃氣發(fā)生器工作壓力為控制目標壓力，經(jīng)調(diào)試從試驗數(shù)據(jù)中得到二級調(diào)壓閥工作在最佳位置時的一級調(diào)壓閥位置與氣源壓力關(guān)系曲線。

5)完成控制器中雙級調(diào)壓控制算法編寫，其中，第一級調(diào)壓閥控制為閉環(huán)位置控制，控制目標是一級調(diào)壓閥位置隨氣源壓力變化的關(guān)系曲線，二級調(diào)壓閥以二級調(diào)壓閥后壓力為目標壓力，進行PID壓力閉環(huán)控制。

6)將氣源壓力打到高壓狀態(tài)，進一步對雙級調(diào)壓控制參數(shù)進行試驗驗證與控制參數(shù)優(yōu)化。

2.4 控制策略

在雙級調(diào)壓閥位置和壓力閉環(huán)控制中，第一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)和第二級壓力閉環(huán)控制都采用PID控制算法。PID控制算法是通過輸出反饋誤差，調(diào)節(jié)比例、積分、微分系數(shù)，從而實現(xiàn)在線控制和調(diào)整。PID控制數(shù)學模型[11-12]為

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

第一級調(diào)壓閥位置閉環(huán)主要任務是：依據(jù)氣源壓力與調(diào)壓閥位置關(guān)系曲線根據(jù)氣源壓力完成調(diào)壓閥位置快速跟蹤定位，控制過程中必須在快速跟蹤基礎上兼顧定位。由于比例系數(shù)kp主要影響系統(tǒng)的響應速度，增大比例系數(shù)，會提高系統(tǒng)的響應速度；反之，減小比例系數(shù)會使調(diào)節(jié)過程變慢，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。因此，采用第一級調(diào)壓閥位置環(huán)采用單比例控制算法，比例系數(shù)依據(jù)誤差自動變參數(shù)。具體變化規(guī)則如下[13-14]：

if |e(t)|>ep1，kp=Cp1

ifep2<|e(t)| ≤ep1，kp=Cp2

elsekp=Cp3

式中ep1>ep2；Cp1

第二級調(diào)壓閥壓力閉環(huán)主要目的是實現(xiàn)二級調(diào)壓閥后壓力高精度控制。為了保證二級調(diào)壓閥在氣源壓力高壓階段和低壓階段都能實現(xiàn)高精度和穩(wěn)定，采用常規(guī)PID由于不能在線整定，無法取得滿意的控制效果[15-16]，因而需要利用模糊控制規(guī)則在線對其進行參數(shù)的自適應整定，實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)的、準確的和穩(wěn)定的控制。

模糊控制器的模糊輸入確定為二級調(diào)壓閥后壓力偏差e和壓力偏差的變化ec。輸出變量確定為PID控制參數(shù)的變化量Δkp、Δki、Δkd。偏差e的基本論域為[-0.5，0.5]；偏差變化ec的基本論域為[-0.2，0.2]；輸出Δkp的基本論域為[-3.0，3.0]；Δki的基本論域為[-0.02，0.02]；Δkd的基本論域為[-10.0，10.0]。輸入輸出的模糊子集定義為[NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB],模糊論域定義為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]?？紤]到對論域的靈敏度、覆蓋程度、魯棒性和穩(wěn)定性等原則，用三角形隸屬函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，基本公式為[17-18]

模糊PID控制器的Δkp、Δki、Δkd控制規(guī)則如表1所示[19-21]。

表1 模糊PID控制器的Δkp、Δki、Δkd控制規(guī)則

模糊PID控制保證了二級調(diào)壓閥后壓力控制精度，實現(xiàn)了氣源壓力高壓階段和低壓階段都優(yōu)于1%。

3 調(diào)試結(jié)果分析

雙級調(diào)壓閥位置與壓力串聯(lián)閉環(huán)調(diào)壓控制策略和實現(xiàn)方法在某裝置大流量燃氣發(fā)生器中得到應用，高壓氣源壓力為35 MPa，二級調(diào)壓閥后目標壓力為5.3 MPa，調(diào)試結(jié)果(見圖8)表明：

圖8 雙級自動調(diào)壓控制結(jié)果曲線Fig.8 Result curve of two-stage automatic pressure regulating control

1)雙級調(diào)壓閥位置與壓力串聯(lián)閉環(huán)調(diào)壓控制策略很好解決了雙級調(diào)壓閥壓力控制耦合問題。通過調(diào)試試驗獲取氣源壓力與一級調(diào)壓閥位置關(guān)系曲線，與二級調(diào)壓閥最佳調(diào)壓位置相結(jié)合，大大提高空氣管路壓力控制精度，減小了發(fā)生器燃燒脈動和發(fā)生器振動問題。

2)燃氣發(fā)生器空氣供應壓力實現(xiàn)快速穩(wěn)定，縮短了發(fā)生器點火時間，減小了點火過程中的沖擊。

3)由于一級調(diào)壓閥位置嚴格按其試驗獲取的目標曲線運動，調(diào)壓閥后壓力穩(wěn)定無沖擊，減小壓力波動對二級低壓調(diào)壓閥的沖擊，延長二級調(diào)壓閥工作壽命。

4)多燃氣發(fā)生器同時工作時，保證了各燃氣發(fā)生器點火同步性。

4 結(jié)論

針對高壓氣源雙級調(diào)壓閥調(diào)壓存在的耦合和調(diào)節(jié)過程中壓力波動問題，在深入分析和試驗驗證的基礎上提出了一種雙級調(diào)壓閥位置與壓力串聯(lián)閉環(huán)調(diào)壓控制策略，給出了有效的實現(xiàn)方法，并在某引射系統(tǒng)燃氣發(fā)生器高壓空氣調(diào)節(jié)管路上得到了成功應用，主要結(jié)論如下：

1)采用一級位置閉環(huán)和二級壓力閉環(huán)控制策略可以很好地解決串聯(lián)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)過程中存在的壓力耦合問題，并可以將高壓氣源壓力得到最大效率利用。

2)二級調(diào)壓閥最佳調(diào)壓位置和一級調(diào)壓閥位置與氣源壓力關(guān)系曲線調(diào)試獲取方法簡單有效。

3)一級調(diào)壓閥按照位置與氣源壓力關(guān)系曲線進行跟蹤定位，二級調(diào)壓閥在最佳工作區(qū)域進行壓力閉環(huán)調(diào)壓，不僅保證了一級調(diào)壓閥后壓力穩(wěn)定無沖擊，而且實現(xiàn)了二級調(diào)壓閥后壓力快速穩(wěn)定，閥門系統(tǒng)調(diào)壓精度得到最有效的發(fā)揮。

4)雙級調(diào)壓閥壓力控制系統(tǒng)給出的調(diào)試和實現(xiàn)方式簡單有效，大大提高調(diào)試效率，縮短調(diào)試時間，降低調(diào)試成本，并且采用模糊PID控制可以更有效地實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)控制。