基于AMESim金屬管浮子流量計試驗臺恒溫恒壓供氣控制系統(tǒng)仿真研究

上海自動化儀表有限公司介紹了金屬管浮子流量計試驗臺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)，對出口壓力的動態(tài)特性進行仿真分析，確保該控制系統(tǒng)滿足出口絕對壓力及精度為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)代汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶來了環(huán)境污染與 能源緊張等一系列的問題。而渦輪增壓技術(shù)的研究正是通過強化發(fā)動機來節(jié)約能源、保護環(huán)境的一種技術(shù)。所以 作為汽車核心部件之一的金屬管浮子流量計，對其技術(shù)的研究也就成為當今研究熱點。發(fā)動機采用渦輪增壓技術(shù)與采 用自然進氣技術(shù)相比具有許多優(yōu)點，比如汽油發(fā)動機采 用渦輪增壓技術(shù)可節(jié)能10%~20%；柴油發(fā)動機采用渦輪 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??；與混合動力和電動汽車技術(shù)相比，金屬管浮子流量計技術(shù)成本優(yōu)勢明顯。因此金屬管浮子流量計技術(shù)應(yīng)用日益普及。但隨著金屬管浮子流量計不斷進步與發(fā)展，在金屬管浮子流量計試驗臺的研究過程中對給金屬管浮子流量計試驗臺供氣的設(shè)備要求也越 來越高，并且對供氣設(shè)備出口壓力控制系統(tǒng)的研究逐漸成為核心，這對分析、驗證增壓器總成及其零部件的可靠性和機械性能具有重要作用。

本文主要對供氣設(shè)備控制系統(tǒng)進行如下分析。

1 金屬管浮子流量計試驗臺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。每個部分之間由對應(yīng)的管道及電纜連接。

1）恒壓控制系統(tǒng)的基本組成包括氣動三聯(lián)件、 調(diào)壓閥、節(jié)流閥、 儲氣罐、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、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、指示燈、電動機、壓力開關(guān)、 氣動閥等。

1.2 工作原理

1.2.1 恒壓控制系統(tǒng)原理分析

氣體經(jīng)過空氣壓縮機產(chǎn)生絕對壓力為0.73 MPa的壓 縮空氣。壓縮空氣經(jīng)過高精度過濾器后到達調(diào)壓閥，再到節(jié)流閥和儲氣罐，再經(jīng)過加熱裝置后非常后到達耐久試驗 實驗設(shè)備。為了應(yīng)對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)來完成對壓力的精確控制，同時采用節(jié)流閥實現(xiàn)對不同試驗項目的不同控制策略， 儲氣罐對整個系統(tǒng)起到穩(wěn)定壓力的作用，并且減小了系 統(tǒng)波動。恒壓控制系統(tǒng)的組成及原理。

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。

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，無法滿足對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，無論空氣流量 如何變化都不會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。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、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。通過這兩種閉環(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。

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)，通過對3個控制參數(shù)進行反復設(shè)置調(diào)節(jié) 得到優(yōu)化結(jié)果。對于簡單的控制系統(tǒng)來說，這種方法確實 簡單、易于實現(xiàn)，但對復雜的控制系統(tǒng)來說，憑借調(diào)試經(jīng) 驗去試湊，工作量過于龐大。因此，筆者采用AMESim中的輸入輸出模塊和設(shè)計開發(fā)功能，完成對PID參數(shù)進行自動 求解。將輸入信號和反饋信號的差值引出，并串聯(lián)一個積 分環(huán)節(jié)，得到誤差的積分值作為控制系統(tǒng)的一項精度考核 指標，并對其進行精度設(shè)定。經(jīng)過AMESim的循環(huán)批量數(shù)據(jù)處理和分析運算，得到PID非常終的運算結(jié)果為kP=7，kI=3，kD= 2。將運算結(jié)果應(yīng)用到PID控制器模塊中進行仿真，得到的供氣設(shè)備出口端氣體壓力曲線如圖11所示。可以看 出，供氣設(shè)備出口端氣體的絕對壓力大約在14 s時達到穩(wěn) 定，并且從14~50 s時氣體壓力非常穩(wěn)定，波動非常小，幾乎 可以忽略不計。由此可以判斷該恒壓控制系統(tǒng)對氣體壓力 的控制滿足金屬管浮子流量計試驗臺的要求。

結(jié) 論

上海自動化儀表有限公司主要對恒壓供氣設(shè)備控制系統(tǒng)基于AMESim軟件進行建模和仿真分析，并通過分析仿真結(jié)果可得到以下結(jié)論： 1）恒壓控制系統(tǒng)在沒有PID控制器的作用下供氣設(shè)備出口 壓力的波動非常大。2）恒壓控制系統(tǒng)加入PID控制器后分析可以得出，在滿足實驗要求負載的條件下，系統(tǒng)出口壓力滿足（490±10）kPa（絕對壓力）。3）恒壓供氣設(shè)備控制系統(tǒng)系的設(shè)計利用 AMESim 軟件進行建模和仿真，與傳統(tǒng)的數(shù)學建模推導傳遞函數(shù)相比，更加直觀、方便得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。