CN104712902A - 一种气体恒流量输出的前馈控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体恒流量输出的前馈控制***，包括储气罐、操作站、PLC控制器、调节阀、截止阀、压力传感器；储气罐内部设有压力传感器，储气罐的输出管路上依次设有调节阀、截止阀，PLC控制器与操作站、储气罐、调节阀连接；其方法包括以下步骤：PLC控制器检测储气罐的初始罐压和温度，并根据操作站发送的控制信息控制调节阀；当不需要气体输出时，PLC控制器控制截止阀关闭。本发明结构简单，控制方法相对简单易行，能够恒定输出mol/s级流量气体。

Description

一种气体恒流量输出的前馈控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种气体恒流量输出的前馈控制***及其方法，具体地说是一种根据克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程开环控制管道气流恒定输出的***和方法。

背景技术

目前为使管道内气体以恒流量输出，在工程中有以下几种途径：（1）在管道内设置稳流器件（如文氏管）；（2）在管道内安装稳压阀；（3）自行设计控制算法。其中，第一种方法需要器件上游压力足够大且恒定不变，但实际上某些气体的饱和蒸汽压决定了其气态压力不可能无限提高，并且，除非气体储罐足够大，否则随着气体流出，上游压力无法保持恒定，尤其在气体流量较大时更难以达到；第二种方法虽然可以闭环调节输出压力（进而控制输出流量），但只适用于mmol/s级流量，鲜有适用于mol/s级气体流量输出的装置；第三种方法的优势在于可以根据控制对象的模型设计更合适的控制算法，使流量输出达到恒定，通常采用反馈控制方法，但也存在以下弊端：（1）气体湍流常使采集量抖动较大，影响执行器输出值；（2）反馈控制的控制滞后于采集，且控制执行器调节阀存在响应延迟，使控制难度增加。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种气体恒流量输出的前馈控制方法，控制器根据克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程向调节阀输出前馈控制信号，使调节阀后的气体输出流量保持恒定。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种气体恒流量输出的前馈控制***，包括储气罐、操作站、PLC控制器、调节阀、截止阀、压力传感器；储气罐的输出管路上依次设有调节阀、截止阀，PLC控制器与操作站、调节阀、储气罐内的压力传感器连接；

PLC控制器用于检测储气罐状态并根据操作站输出的控制信息控制调节阀。

所述状态包括初始罐压和温度。

所述控制信息包括气体分子量μ，气体储罐温度T，调节阀最大开度时管道内有效横截面积A_max，气体储罐体积V，目标摩尔流量q_mol，初始罐压P₀。

一种气体恒流量输出的前馈控制方法，包括以下步骤：

PLC控制器检测储气罐的初始罐压和温度，并根据操作站发送的控制信息控制调节阀；

当不需要气体输出时，PLC控制器控制截止阀关闭。

所述PLC控制器（3）根据操作站（2）发送的控制信息控制调节阀（4）具体为调节阀（4）的输入通过以下公式得到：

$k\left(t\right)=\frac{M\·q_{\mathrm{mol}}\·\sqrt{\mathrm{\μ}}\·\sqrt{T}}{A_{\max }\·(P_0-\frac{R\×{10}^{-5}}{V}\·T\·q_{\mathrm{mol}}\·t)}$

其中，M为常数，A_max为调节阀最大开度时管道内有效横截面积，q_mol为目标摩尔流量，P₀为初始罐压，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常数，T为气体储罐温度，μ为气体分子量，t为时间。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明控制方案相对简单易行，能够恒定输出mol/s级流量气体。

2.本发明装置在储气罐的基础上外接调节阀，利用PLC控制器改变调节阀开度，补偿自然压降下管道气体流量的下降趋势。

3.本发明方法构造实时开环控制算法，避免了闭环控制中测量值扰动或控制响应滞后带来的气流输出不稳定。

附图说明

图1为本发明的方案实施框图；

图2为本发明的***控制框图；

图3为本发明与无调节时的管道出口压力曲线对比；

其中，1储气罐，2操作站，3PLC控制器，4调节阀,5截止阀。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

事先根据气体储罐压力下降速率与气体流量的关系编写PLC控制程序，并设定输入参数，在气体储罐压力下降的过程中，由PLC控制调节阀的开度不断增大，构造一种气体恒流量输出的前馈控制方法，用于气液混合反应中大流量气体恒流量供给，方案包括PLC控制器、压力传感器、调节阀、气体储罐及管路、截止阀。

操作站用于参数设定及实时监测，PLC控制器用于计算阀门开度并驱动调节阀，气体储罐预先存储好一定摩尔数的气体；气体储罐中的初始压力由PLC采集，并在操作站设定参数初始值，PLC根据各参数计算出不同时刻阀门开度百分比，并将其转化为模拟信号驱动调节阀开度变化。

所述的气体储罐压力下降速率与气体流量的关系是指根据克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程推导出的气体储罐压力下降速率与管道出口流量的理论关系。

所述的克拉伯龙方程的微分形式是指对克拉伯龙方程P·V=n·R·T（P为气体储罐压力，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常系数，T为气体储罐温度）两边分别对P和n求导，得到的P变化率与n变化率的关系式

所述的管道内气体流量方程是指（q_质量为气体质量流量，K为常系数，T为气体温度，P^*为气体的总压，A为管道最小口径的横截面积）。

所述的前馈控制方法是指预先设定对调节阀的控制策略，而不是通过反馈方式在线调节，即根据目标流量计算出气体储罐压力的初始值和下降速率，再由此计算出调节阀随时间的控制曲线，将其作为前馈控制策略。

图1示出的是一种气体恒流量输出的前馈控制方法的方案实施框图，如图所示，一种气体恒流量输出的前馈控制方法包括：储气罐1、操作站2、PLC控制器3、调节阀4、截止阀5；所述的气体储罐压力下降速率与气体流量的关系是指根据克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程推导出的气体储罐压力下降速率与管道出口流量的理论关系；所述的克拉伯龙方程的微分形式是指对克拉伯龙方程P·V=n·R·T（P为气体储罐压力，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常系数，T为气体储罐温度）两边分别对P和n求导，得到的P变化率与n变化率的关系式所述的管道内气体流量方程是指（q_质量为气体质量流量，K为常系数，T为气体温度，P^*为气体的总压，A为管道最小口径的横截面积）；所述的前馈控制方法是指预先设定对调节阀的控制策略，而不是通过反馈方式在线调节，即根据目标流量计算出气体储罐压力的初始值和下降速率，再由此计算出调节阀随时间的控制曲线，将其作为前馈控制策略。

图2示出的是一种气体恒流量输出的前馈控制方法的***控制框图，如图所示。

输入参数：包括环境参数、控制参数和时间参数。环境参数是指***运行所需的内部和外部常量，包括气体分子量、环境温度、管道最小口径横截面积和储气罐容积，其中管道最小口径横截面积在本方法中指调节阀最大开度时管道内有效横截面积A_max，可根据估算得到，储气罐容积需与目标流量、阀门实际调节范围等相匹配。控制参数是指每次恒流量输出实验所需设定的参数，包括目标摩尔流量q_mol、初始罐压P₀，其中初始罐压不高于气体饱和蒸汽压，以保证出气时储气罐内压力变化遵循克拉伯龙方程。时间参数是指控制策略作用的周期，根据调节阀动态迟滞特性，选定时间参数为2秒。

控制策略：采用前馈时变控制律。根据克拉伯龙方程的微分形式和管道内气体流量方程，并设定调节阀流量特性为纯比例线性，可以得到调节阀开度与输入参数之间的函数关系，如下式所示，由此对调节阀

$k\left(t\right)=\frac{M\·q_{\mathrm{mol}}\·\sqrt{\mathrm{\μ}}\·\sqrt{T}}{A_{\max }\·(P_0-\frac{R\×{10}^{-5}}{V}\·T\·q_{\mathrm{mol}}\·t)}$

进行控制。其中，M为常数，A_max为调节阀最大开度时管道内有效横截面积，q_mol为目标摩尔流量，P₀为初始罐压，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常数，T为气体储罐温度，μ为气体分子量，t为相对时间。

被控对象：包括执行器及管道出口流量。PLC控制器将控制策略的输出转换为4～20mA电信号，驱动调节阀开度变化，从而使管道出口流量变化。

图3示出的是本方法与无调节时的管道出口压力曲线对比，如图所示，在出气10秒过程中，无调节时，输出压力下降了0.7巴，而本方法的输出压力基本恒为1巴。因为管道出口压力恒定必然有管道出口流量恒定，可以由此图比拟本方法与无调节时管道出口流量的效果对比，即可得到，本方法可以使管道出口气体流量基本保持恒定，恒流量输出效果比较理想。

Claims (5)

1.一种气体恒流量输出的前馈控制***，其特征在于：包括储气罐（1）、操作站（2）、PLC控制器（3）、调节阀（4）、截止阀（5）、压力传感器；储气罐（1）的输出管路上依次设有调节阀（4）、截止阀（5），PLC控制器（3）与操作站（2）、调节阀（4）、储气罐（1）内的压力传感器连接；

PLC控制器（3）用于检测储气罐（1）状态并根据操作站（2）输出的控制信息控制调节阀（4）。

2.根据权利要求1所述的一种气体恒流量输出的前馈控制***，其特征在于：所述状态包括初始罐压和温度。

3.根据权利要求1所述的一种气体恒流量输出的前馈控制***，其特征在于：所述控制信息包括气体分子量μ，气体储罐温度T，调节阀最大开度时管道内有效横截面积A_max，气体储罐体积V，目标摩尔流量q_mol，初始罐压P₀。

4.一种气体恒流量输出的前馈控制方法，其特征在于包括以下步骤：

PLC控制器（3）检测储气罐（1）的初始罐压和温度，并根据操作站（2）发送的控制信息控制调节阀（4）；

当不需要气体输出时，PLC控制器（3）控制截止阀（5）关闭。

5.根据权利要求4所述的一种气体恒流量输出的前馈控制方法，其特征在于：所述PLC控制器（3）根据操作站（2）发送的控制信息控制调节阀（4）具体为调节阀（4）的输入通过以下公式得到：

$k\left(t\right)=\frac{M\·q_{\mathrm{mol}}\·\sqrt{\mathrm{\μ}}\·\sqrt{T}}{A_{\max }\·(P_0-\frac{R\×{10}^{-5}}{V}\·T\·q_{\mathrm{mol}}\·t)}$

其中，M为常数，A_max为调节阀最大开度时管道内有效横截面积，q_mol为目标摩尔流量，P₀为初始罐压，V为气体储罐体积，n为气体摩尔数，R为常数，T为气体储罐温度，μ为气体分子量，t为时间。