一种基于PID 智能调节仪的贮箱增压技术

2021-10-25林国福

科学技术创新 2021年30期

林国福郭婷

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

1 概述

在某型号的氢氧发动机试验过程中，贮箱压力在发动机主级工作阶段特别是启动的瞬间会有幅度很大的跳跃，发动机设计方要求试验过程中贮箱增压系统控制精度高，响应速度快，使贮箱压力能够快速稳定下来，保证发动机氢氧泵前压力满足高转速低温泵的试验要求。本文以液氧贮箱增压系统为研究对象，此型号发动机试验在用的液氧贮箱容积为4m3，发动机启动前贮箱气垫量为0.2 m3，发动机试验中液氧贮箱液体介质消耗速度非常快，气垫量就会随之增大，贮箱压力处于一种快速变化的状态中。为了满足发动机在试验过程中一直处于稳定状态下的工作的要求，依据试验台液氧贮箱的性能和增压的特性，设计出了一种基于PID 智能调节仪控制的贮箱增压系统。

2 系统设计

常见的氢氧发动机贮箱增压控制采用的是孔板式增压方式，通过将压力变送器测量到的贮箱压力传输至控制器，增压程序将实测值与设定值之间进行对比，通过相应压力下开启对应不同孔径板的电磁阀实现增压的目的。虽然这种增压方式结构简单，实现成本较低，但是缺点是控制精度比较低，受贮箱气枕大小和气源压力影响比较大。为了提升贮箱压力控制的精度以及稳定性，设计了一种基于PID 智能调节仪控制的连续增压系统，是以PID 智能调节仪作为算法控制核心，薄膜调节阀作为流量调节执行机构的一种闭环控制系统。

该贮箱增压系统主要包括PID 智能调节仪、电动阀门定位器、气动薄膜调节阀、贮箱和供气管路等，系统工作原理如图1所示。增压气体通过气动薄膜调节阀进入贮箱内，增压气量大小是由安装在进气管路上的薄膜调节阀控制。贮箱压力传感器的4-20mA 信号输出到PID 智能调节仪中，调节仪内部控制电路计算贮箱压力值与设定值之间的差值，并进行数学比例积分运算，输出控制电气阀门定位器的4-20mA 电流信号。电气阀门定位器调节控制气压力，使气动薄膜调节阀阀芯的位置发生变化，从而引起增压气体流通面积变化，达到调节增压气量的目标，使贮箱的压力值与设定值趋向一致，完成动态的增压功能。

图1 贮箱增压系统示意图

气动薄膜调节阀的原理是阀门控制气体经过减压器后，进入电气阀门定位器，最后再进入薄膜执行机构的膜室，在膜片上产生推力，压缩一组弹簧，使推杆移动，并通过阀杆带动阀芯产生相应的行程，阀芯位置的变化使流通截面积变化，从而达到调节增压气体流量的目的。气动薄膜调节阀选用的是上海阀门厂的ZMBM-64K 型产品。PID 智能调节仪是比例积分微分调节仪的简称，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。简单来说，PID 调节仪各校正环节如下：(1)比例控制(P)：成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节仪立即产生控制作用以减少误差。当偏差为0 时，控制作用也为0。因此，比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。(2)积分控制(I)：对误差进行记忆，主要用于消除静差，提高系统的无差度。(3)微分环节(D)：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID 智能调节仪能够根据被控量的动态变化特性进行反馈信号输出，完成自主增压控制过程。其工作原理如图2 所示。HST2011B 型号压力变送器采集到贮箱压力后转换为4-20mA信号，PID 智能调节仪根据设定的P、I、D 值进行数学运算，输出4-20mA 信号到电气转换器，驱动气动薄膜调节阀进行增压调节。针对以上技术要求，自动增压系统采用西门子公司SIPART DR21 紧凑型数字式PID 调节仪，具有贮箱压力、初始开度值、PID 值数字式显示功能，调节精度高，便于观察增压过程中的参数。在PID 参数优化设计之后，可以有效地适应液体火箭发动机入口压力控制非线性、时滞大的特点，增压过程稳定。

图2 PID 智能调节仪工作原理图

电气转换器采用的是西门子的SIPART PS2 智能定位器，它是一种采用高集成度微处理器的数字式现场设备，具有安装简单、自动初始化等功能。带有预控压电阀的气动阀组，可以释放出很短的控制脉冲，定位精度高。使用三个按键和双行的LCD 显示就可以实现简单便捷的操作和编程，通过SIMATIC PDM的编程实现高质量在线自适应程序。压力变送器通过对贮箱的压力值进行采集，作为PID 调节仪的输入参数。采用北京华衡讯工业技术控制有限公司的HST2011B 型号产品，供电电压DC24V，测量精度0.01%，输出信号为DC 4-20mA，两线制信号传输方式。24V 直流电源作为给安全栅和压力变送器提供能源的装置，采用固纬GPC3060D 产品，电源调节率＜5mV，具有过载和极性反向保护功能，三位数0.5″LED 显示，具有高度可靠性和稳定性。安全栅采用上海仪表集团公司的DFA-3300 型号产品，额定工作电压为DC24V，额定工作电流为DC 4-20mA，精度为0.5%，能够达到有效隔离现场危险能量进入控制系统，提高系统抗干扰的能力。

3 技术状态与验证结果（图3-7）

图3 P=2 I=20 氮气增压液氧箱压力曲线图

图4 P=5 I=10 氮气增压液氧箱压力曲线图

图5 P=8 I=5 氮气增压液氧箱压力曲线图

图6 P=5 I＝10 液氮冷冻调试液氧箱压力曲线图

由于工业控制中，系统参数都是随着时间不断变化，在近似模型基础上得到的理论值在实际中并不一定是最优化的解决方法。在实践应用中，PID 自动增压系统还需以液氧介质为例，多次调试验证得到参数的设定值。液氧贮箱增压系统在试验阶段的技术状态：（1）液氧贮箱总容积：4m3；（2）起始阶段气垫容积：0.5m3；（3）液氧流量：约16kg/s；（4）增压气体：常温氮气；（5）增压介质：液氧；该增压系统建成后需设置适合于试验工作状态的P、I 参数值。依据试验工作特点和节约费用的原则，调试工作分为以下两个步骤：(1) 贮箱在空置状态下进行氮气增压调试，贮箱在0MPa（表压）条件下增压到0.2MPa（表压），稳定一定时间后再次增压，从0.2MPa（表压）增压到0.4MPa（表压），找出满足试验系统要求的P、I 值；根据调试数据分析，P 值决定增压的速度，I 值则决定了增压调节的频率。P=5,I=10的数据组合能够比较平稳的将贮箱的压力增压到设定值。(2) 贮箱内充填3.9m3液氮，模拟发动机试验状态，在液氧出口处调节出口阀门的开度，保持贮箱出口液氧流量在14L/s，检验系统的增压特性；上图中可以看出，在液氧贮箱出口刚刚打开的瞬间（对应0 秒时刻），贮箱压力跳变。PID 智能调节仪在3S 内就完成了增压管路D的开度调节，保持贮箱压力的稳定。从3S 以后，贮箱压力稳定在设定值附近。根据调试结果，并参考试车经验参数，确定在增压系统中将P 值设定为5，I 值设定值为10。在某次正式试车中，试验主级时间120s，P 值设定值为5，I 值设定值为10，0s 贮箱压力值为0.50MPa（绝压），贮箱压力设定值为0.49MPa（绝压）。试车结果数据见图7。从图中可以得出，PID 智能调节仪选用的P=5，I＝10的参数组合能够在主级120S 试车中保持氧箱压力的稳定，超调量不大于0.02MPa。