一种采用考虑阀门响应时间的数字阀控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种采用考虑阀门开启和闭合响应时间的数字阀控制系统及控制方法，系统包括高压气源、数字阀组、管道和流量计，控制方法包括确定阀门开启和闭合响应时间和数字阀流量控制两个步骤。本发明专利技术充分考虑了真实操作环境下的阀门响应时间，尤其是考虑了高压气流带来的压差以及流动的共同作用下的阀门的开启和闭合的响应时间，避免了其它方法由于工况无法真实模拟带来的误差，更符合实际情况，也更加准确。本发明专利技术针对不同的阀门及不同的动作（开启和闭合）分别通过试验来确定响应时间，考虑了不同阀门之间的个体差异，以及节流元件等阀门动作的影响，与其它笼统设置响应时间相比，要更精细。

【技术实现步骤摘要】
一种采用考虑阀门响应时间的数字阀控制系统及控制方法
本专利技术涉及实验空气动力学领域，具体涉及到一种采用考虑阀门响应时间的数字阀控制系统及控制方法。
技术介绍
在一些特种空气动力学实验中，喷流模拟、动力部件驱动等都需要使用高压气体。在使用过程中，需要精确调节高压气体的流量。近年来，数字阀是一种被广泛采用的先进的流量调节方式。数字阀是组合式流量调节阀，原理是将一系列不同流通面积的阀门进行组合控制来实现不同流量的控制，数字阀的流通面积按照二倍等比数列方式排列，即流通面积比例为1:2:4:8…。通过控制阀门的通断，来实现该阀门的0或1状态的切换。在阀门数量足够多、最小流通面积足够小的条件下，可以实现近似连续的任一流量的调节，具有控制精度高、调节范围宽、响应时间短的优点。在实验空气动力学领域，数字阀的阀门通常通过电磁阀来控制通断，阀门的节流部件通常采用不同喉道面积的文氏管。为了提高控制精度和响应时间，数字阀通常还采用了包括PID算法在内的先进控制方法进行自动控制。数字阀作为一种先进的流量调节方式，已经在实验空气动力学领域大量应用，但在实际使用过程中发现数字阀存在流量控制振荡的难题。导致流量控制振荡的因素很多，包括文氏管加工误差、控制算法等。此外，研究发现阀门开启和闭合响应时间也是导致流量控制振荡的重要因素。数字阀的通断控制在理论上是瞬间实现的，目前的数字阀控制方法也都只考虑将阀门视作开关量进行动作。但数字阀阀门的通断要通过电磁阀的开闭来控制。电磁阀的响应时间虽然很快，但在实际工作中发现电磁阀的开闭并无法实现理论上的瞬间切换，即阀门开闭需要响应时间。更重要的是，在真实工作环境下，由于高压气流带来的压差以及流动的共同作用，会对阀门的响应时间产生很大影响，且阀门的开启和闭合的响应时间存在比较严重的不一致，并且不同流通面积的阀门的开启和闭合时间也不一致。因此，虽然数字阀开启和闭合的动作指令是同时发出的，但是阀门实际上动作是滞后的，导致出现流量控制振荡。尤其是，阀门需要大范围的操作时，流量控制振荡更加难以控制，如阀门流通面积由7进到8时，虽然需要调节的流量变化很小，但操作上需要同时关闭流通面积为1、2、4的阀并打开流通面积为8的阀，不同阀门的开启和闭合响应时间不一致，就可能出现在一段时间内流通面积为8的阀已经完全打开，而流通面积为1、2、4的阀也处于打开或半打开状态，造成巨大的流量冲击。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种考虑阀门响应时间的数字阀控制系统和控制方法，解决数字阀在打开与关闭时存在的流量控制振荡问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种采用考虑阀门开启和闭合响应时间的数字阀控制方法，包括确定阀门开启和闭合响应时间、数字阀流量控制两个步骤：S1：确定阀门开启和闭合响应时间S11:阀门开启的数据采集打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量完全稳定的时刻，在时刻时该阀门的流量记为，在零时刻至时刻之间每隔一个时间，记录该阀门的各项参数；S12:阀门关闭的数据采集打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，当该阀门流量完全稳定后，该阀门的流量记为，关闭该阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量为0的时刻，在零时刻至时刻之间每隔一个时间，记录该阀门的各项参数；S13:修正阀门和流量计之间管道容积的影响，获得打开阀门的流量随时间的变化状态，具体为：其中：为管道容积，为通用气体常数，为空气分子量，为阀门的流量，为时刻流量计记录的流量，为时刻因管道容积带来的气体流量消耗，为时刻的管道压力，为至时刻之间的间隔数；S14：根据阀门的流量变化，计算阀门开启或关闭的相应时间：其中：为零时刻至时刻之间的间隔数，，当时为开启响应，当为闭合响应；S15:在S11至S15的基础上，依次对每一个阀门进行操作，获取到每一个阀门的开启和关闭的响应时间；S2：数字阀流量控制S21:设置目标流量，根据当前时刻流量计反馈和目标流量之差，计算数字阀位差；S22:根据当前阀位与数字阀位差，获得目标阀位；S23:根据当前阀位和目标阀位的差异，得到需要执行动作的阀位及其动作指令；S24:根据需要动作的阀位及其动作指令，根据S1中阀门的开启响应时间和闭合响应时间得到需要动作的阀位的响应时间；S25:将当前时刻记为零时刻，按照时间先后顺序依次发出阀门序列的操作动作指令序列，对需要动作的阀位执行关闭或者开启的动作，并通过流量计获取执行动作后阀门处的实际流量，判断实际流量是否接近目标流量，如果实际流量与目标流量的差值大于指定值，继续执行S21至S25的过程。在上述技术方案中，在S25中，操作动作指令序列的发出时刻为所有需要动作的阀门的最大响应时间与需要动作阀门的响应时间之差。一种采用考虑阀门开启和闭合响应时间的数字阀控制系统，包括：高压气源、数字阀组、管道和流量计，所述数字阀组的一端与高压气源连通，数字阀组的另一端通过管道与流量计连通，所述管道内设置有压力传感器和温度传感器；所述数字阀组包括并联设置的若干个节流部件，每一个节流部件通过电磁阀控制通断。在上述技术方案中，所述若干个节流部件的流通面积均不相等，所有的节流部件的流通面积按照等比数列的方式设置。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术充分考虑了真实操作环境下的阀门响应时间，尤其是考虑了高压气流带来的压差以及流动的共同作用下的阀门的开启和闭合的响应时间，避免了其它方法由于工况无法真实模拟带来的误差，更符合实际情况，也更加准确。本专利技术针对不同的阀门及不同的动作（开启和闭合）分别通过试验来确定响应时间，考虑了不同阀门之间的个体差异，以及节流元件等阀门动作的影响，与其它笼统设置响应时间相比，要更精细。本专利技术考虑了各个阀门开启和关闭的响应时间，通过控制时差来平衡各个阀门实际动作滞后带来的流量冲击，从根源上解决了由此带来的数字阀控制振荡问题，能够快速实现流量精确调节，避免了流量控制过程中频繁进位/退位操作，确保了设备长期稳定运行，增加了设备使用寿命。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是系统的结构示意图；图2为一指定阀门开启过程中流量分布时域图；图3为一指定阀门关闭过程中流量分布时域图；图4为流量控制流程图。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图1所示，数字阀的控制系统包括高压气源S、数字阀组、供气管道G和流量计F，其中数字阀组包括若干个并联设置的节流部件V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用考虑阀门响应时间的数字阀控制方法，包括确定阀门开启和闭合响应时间、数字阀流量控制两个步骤，其特征在于：/nS1：确定阀门开启和闭合响应时间/nS11:阀门开启的数据采集/n打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量完全稳定的

【技术特征摘要】
1.一种采用考虑阀门响应时间的数字阀控制方法，包括确定阀门开启和闭合响应时间、数字阀流量控制两个步骤，其特征在于：
S1：确定阀门开启和闭合响应时间
S11:阀门开启的数据采集
打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量完全稳定的时刻，在时刻时该阀门的流量记为，在零时刻至时刻之间每隔一个时间，记录该阀门的各项参数；
S12:阀门关闭的数据采集
打开数字阀组中的一个阀门，关闭其余阀门，当该阀门流量完全稳定后，该阀门的流量记为，关闭该阀门，从零时刻开始连续数据采集，直至流量为0的时刻，在零时刻至时刻之间每隔一个时间，记录该阀门的各项参数；
S13:修正阀门和流量计之间管道容积的影响，获得打开阀门的流量随时间的变化状态，具体为：






S14：根据阀门的流量变化，计算阀门开启或关闭的响应时间：



S15:在S11至S15的基础上，依次对每一个阀门进行操作，获取到每一个阀门的开启和关闭的响应时间；
上述中：为管道容积，为通用气体常数，为空气分子量，为管道气体温度，为阀门的流量，为时刻流量计记录的流量，为时刻因管道容积带来的气体流量消耗，为时刻的管道压力，为至时刻之间的间隔数，为零时刻至时刻之间的间隔数，，当时为开启响应，当为闭合响应；
S2：数字阀流量控制
S21:设置目标流量，根据当前时刻流量计反馈和目标流量之差，计算数字阀位差；
S22...

【专利技术属性】
技术研发人员：章荣平，刘祥，晋荣超，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51