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基于AMESim金属管浮子流量计试验台恒温恒压供气控制系统仿真研究

发布日期:2019-12-04  来源:  编辑:  浏览次数:
【导读】:摘 要:先容了金属管浮子流量计试验台恒温恒压供气控制系统基本组成及工作原理。利用PCD气压元件库建立了恒压供气控 制系统的AMESim仿真模型,设置模型参数,对出口压力的动态特性进行仿真分析,确保该控制系统满足出口绝对压力及精度为490±10 kPa 的要求。在此基础上利用PID控制器进行校正及优化分析。仿真结果表明,该控制系统能够满足出口压力恒定的要求。......
    摘 要:先容了金属管浮子流量计试验台恒温恒压供气控制系统基本组成及工作原理。利用PCD气压元件库建立了恒压供气控 制系统的AMESim仿真模型,设置模型参数,对出口压力的动态特性进行仿真分析,确保该控制系统满足出口绝对压力及精度为490±10 kPa 的要求。在此基础上利用PID控制器进行校正及优化分析。仿真结果表明,该控制系统能够满足出口压力恒定的要求。
 
    引 言
    随着现代汽车行业的迅猛发展,带来了环境污染与 能源紧张等一系列的问题。而涡轮增压技术的研究正是通过强化发动机来节约能源、保护环境的一种技术。所以 作为汽车核心部件之一的金属管浮子流量计,对其技术的研究也就成为当今研究热点。发动机采用涡轮增压技术与采 用自然进气技术相比具有许多优点,比如汽油发动机采 用涡轮增压技术可节能10%~20%;柴油发动机采用涡轮 增压技术可节能20%~40%;涡轮增压技术尾气污染排放 较小;与混合动力和电动汽车技术相比,金属管浮子流量计技术成本优势明显。因此金属管浮子流量计技术应用日益普及。但随着金属管浮子流量计不断进步与发展,在金属管浮子流量计试验台的研究过程中对给金属管浮子流量计试验台供气的设备要求也越 来越高,并且对供气设备出口压力控制系统的研究逐渐成为核心,这对分析、验证增压器总成及其零部件的可靠性和机械性能具有重要作用。
 
    本文主要对供气设备控制系统进行如下分析。 
 
 
    1 金属管浮子流量计试验台恒温恒压供气控制系统的组成及原理分析
    1.1 基本组成 
    供气设备由空气供气及恒压控制系统、空气加热及 温度控制系统、PLC电气控制系统构成。每个部分之间由对应的管道及电缆连接,如图1所示。
 
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    1)恒压控制系统的基本组成包括气动三联件、 调压阀、节流阀、 储气罐、压力传感器、PLC可编程控制器、阀控制器(PID控制器)等。2)恒温控制系统的基本组成有油箱、油 泵、空气-油换热器、加热器、阀门、管道附件、PLC可编程 控制器、温控表等。3)电气控制系统主要由以下几大部分 组成:a.油箱温度控制系统,包括温控器、调压模块、温度传感器、加热装置。b.空气压力控制系统,包括阀控制器、 压力传感器、调压阀。c.其它元器件控制系统。设备中的其 它电气元件与PLC的IO口相连接,由PLC统一控制,被控制的元器件包括按钮、液位计、指示灯、电动机、压力开关、 气动阀等。
 
    1.2 工作原理
    1.2.1 恒压控制系统原理分析
    气体经过空气压缩机产生绝对压力为0.73 MPa的压 缩空气。压缩空气经过高精度过滤器后到达调压阀,再到节流阀和储气罐,再经过加热装置后非常后到达耐久试验 实验设备。为了应对用气量的剧烈变化状态,采用比例调 压阀构成闭环压力控制系统来完成对压力的精确控制,同时采用节流阀实现对不同试验项目的不同控制策略, 储气罐对整个系统起到稳定压力的作用,并且减小了系 统波动。恒压控制系统的组成及原理如图2所示。
 
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    恒压控制系统的控制方式采用局部闭环控制和整体 闭环控制两种方式,如图3所示。通过这两种闭环控制方 式可使恒温恒压供气设备的出口压力更加稳定,有利于减小压力波动。
 

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    1.2.2 恒温控制系统原理分析
    恒温控制系统非常重要的是在诸多加热方式中(如电 热丝、热铜板、热铝板等电加热和空气-油换热等)选择何 种加热方式给气体加热。如果采用普通管道式电加热的 方式,无法满足对空气流量矩形波形变化形态的空气温 度控制要求。故采用空气-油换热的方式,无论空气流量 如何变化都不会影响温度控制的要求。 
 
    加热设备采用上下两层式结构,这样可以减少占用 空间。系统的组成原理图如图4所示。设备下层主要是油 箱,油箱中配有加热器、温度传感器、液位计、空气滤清器 等,油箱外部及管道包裹保温材料,防止热量散失。设备上层主要由空气-油换热器组成,油泵与上部换热器之间配有截止阀便于维修,换热器的空气出口处配有温度传感器以便控制及显示温度。
 
4.jpg
 
   恒温控制系统的控制方式采用局部闭环控制和主闭 环控制两种方式,如图5所示。通过这两种闭环控制方式 可使恒温恒压供气设备出口的气体温度更加稳定,有利于减小温度波动。
 

5.jpg

 
 
    2 基于 AMESim恒压控制系统模型建立
    2.1 调压阀模型的建立 
    调压阀作为恒温供气控制系统的重要核心元件,它 的好坏直接影响系统的响应时间、稳定性和控制精度[1]。在AMESim中建立的模型如图 6所示[2-4]。模型中具体参数值如表 1 所示。
 
6.jpg
 
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    2.2 负载模型的建立 
    根据耐久试验实验设备的要求,对负载进行模 拟。利用AMESim对其进行建模(图7)。选可调节气 动节流阀为负载,用方波信号与惯性环节组合作为调节 气动节流阀的外部信号源。具体参数如表2所示。
 
 
表2.jpg
 
 
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    2.3 闭环控制系统模型的建立
    PLC可编程逻辑控制器首先通过D/A转换模块得到模拟量信号,模拟量信号再通过阀控制器作用于调压阀,非常后压力传感器检测到流经调压阀和节流阀的气体压力信号,并把其检测到的信号先作用于阀控制器形成局部闭环控制,再通过A/D转换模块作用于PLC形成整 体闭环控制。
 
    根据恒压系统控制框图和模拟的负载建立恒压控制系统 AMESim 模型,如图8所示[2-4]。
 

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    3 控制系统动态特性分析
    恒压控制系统出口压力的动态特性分析,是指在输 入气源绝对压力值为0.73 MPa时,恒压供气设备出口压 力的响应变化。按照表3设置AMESim模型中的关键参数 后,对恒压控制系统进行仿真,得到如图9所示的出口绝 对压力曲线图。由图9可得到金属管浮子流量计试验台恒温恒压供气设备控制系统, 对供气设备出口端的压力控制情况有以下几点:
 
表3.jpg
 
 
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     1)当时间到从7~8 s开始时 供气设备出口端的压力就已经 达到了金属管浮子流量计试验台对控 制气体压力的要求,并且直到仿真实验结束时也都满足涡轮 增压器试验台对控制气体压力的要求。
 
     2)从图9可以看出,供气设 备出口端的压力虽然已经达到 了金属管浮子流量计试验台对控制气 体压力的要求,但是气体的压力一直在0.48~0.50 MPa之间波动,且波动频繁,这样会对涡轮 增压器试验台所进行的实验造 成不良的影响。 
 
    3) 对恒压控制系统加入PID控制器,运用PID控制方法 对恒压控制系统进行控制调 节,以达到供气设备出口端压力稳定、减小波动的目的。 
 
    4 恒压控制系统PID校正与优
    化分析为了仿真模拟加入PID校正恒压控制系统,进而分析系统的动态特性和误差,首先需要建立仿真模型。利用AMESimApp中信号库自带的模拟PID控制器对系统进行仿真优化十分方便,在上一节恒压控制系统的基础上加入模拟PID控制器,建立如图10所示的模拟PID控制的恒 压控制系统模型[5]。
 
10.jpg
 
 
    在工程上通常采用临界比例法和试凑法相结合的方 式确定PID参数,通过对3个控制参数进行反复设置调节 得到优化结果。对于简单的控制系统来说,这种方法确实 简单、易于实现,但对复杂的控制系统来说,凭借调试经 验去试凑,工作量过于庞大。因此,笔者采用AMESim中的输入输出模块和设计开发功能,完成对PID参数进行自动 求解。将输入信号和反馈信号的差值引出,并串联一个积 分环节,得到误差的积分值作为控制系统的一项精度考核 指标,并对其进行精度设定。经过AMESim的循环批量数据处理和分析运算,得到PID非常终的运算结果为kP=7,kI=3,kD= 2。将运算结果应用到PID控制器模块中进行仿真,得到的供气设备出口端气体压力曲线如图11所示。从图11可以看 出,供气设备出口端气体的绝对压力大约在14 s时达到稳 定,并且从14~50 s时气体压力非常稳定,波动非常小,几乎 可以忽略不计。由此可以判断该恒压控制系统对气体压力 的控制满足金属管浮子流量计试验台的要求。 
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    5 结 论
    本文主要对恒压供气设备控制系统基于AMESimApp
进行建模和仿真分析,并通过分析仿真结果可得到以下结论: 1)恒压控制系统在没有PID控制器的作用下供气设备出口 压力的波动非常大。2)恒压控制系统加入PID控制器后分析可以得出,在满足实验要求负载的条件下,系统出口压力满足(490±10)kPa(绝对压力)。3)恒压供气设备控制系统系的设计利用 AMESim App进行建模和仿真,与传统的数学建模推导传递函数相比,更加直观、方便得到系统的动态响应曲线。

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