一种数字阀的异步控制方法技术

本发明专利技术公开了一种数字阀的异步控制方法，包括基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线、基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长和根据最优异步时长延迟开阀三个步骤。异步控制方法采用先给定关阀信号，延迟一段时间后，给定开阀信号，从根源上解决数字阀切换时带来的流量冲击问题。该方法通过阀组间的阶跃响应数值仿真得到异步控制时长，而非在某一压力下单独测得具体阀门的响应时长，可以有效避免不同高压气流带来的压差影响下导致各阀门响应时长不同带来的控制影响。该技术在风洞试验的数字阀流量控制中首次使用，解决了数字阀切换导致的流量冲击问题以及某些流量目标点控制振荡的难题。的难题。的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种数字阀的异步控制方法


[0001]本专利技术涉及实验空气动力学领域，具体涉及到一种数字阀的异步控制方法。

技术介绍

[0002]在空气动力学实验中，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，高压气体的流量的控制至关重要。数字阀具有可调范围宽、控制精度高、响应速度快、结构简单、鲁棒性强、可靠性高等特点，数字阀主要由文丘里喷嘴与先导式电磁阀按照二进制规律排列组合而成。系统先通过开关不同的电磁阀来控制每路管道的通断以达到组合出不同流量的目的。
[0003]尽管数字阀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在切换时存在流量冲击的问题，这种流量冲击对于控制系统来说极为不利，会导致系统振荡，稳定时间长等。数字阀的切换在理论上是瞬间实现的，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，但是研究发现流量冲击是由于在高压气源作用下，虽然开关阀信号是同时给定，但是开阀过程明显快于关阀过程，导致直接切换阀门时上一个状态阀门还没关闭，下一个状态阀门已经打开了。在实际工况下，由于高压气流带来的压差以及流动的共同作用，阀门的闭合明显滞后于开启，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，如果采用开关阀门信号同步输出的方式，就会导致某一个状态，所需要关的阀门还未关闭，所需开的阀门已经完全打开，这种流量冲击对于控制算法来说就相当于一个强烈的扰动，需要设计一种新的方法来抑制其产生的流量冲击。
[0004]已公开的专利2021106349938，记载了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，该方法通过测算每只数字阀的开启与关闭的响应时间然后来实现数字阀的控制，该方法理论上可以达到同步开启与关闭的过程，但是实际上如果仅依靠阀门实际滞后时间来开关阀门，依然会产生流量冲击。如图2所示，阀组开启和关闭的起步阶段流量曲线可以看到，开阀滞后时间为时明显更陡峭，这说明阀门开启过程更快。而关阀的滞后时间 时关阀流量更平缓，说明阀门关闭过程更长，因此导致了如果仅延迟1s后开阀，依然会造成流量冲击，如图3延迟开阀时间1s的流量曲线所示。两组阀门实际滞后时间仅相差1s，那么理论上延迟1s开阀可以达到开启与关闭阀门同步的过程，但是实际上如上述所示还是有一定流量冲击。所以要使切换阀组时无冲击流量且流量稳定更快，不仅要考虑开关过程的滞后时间差，也要考虑其关阀过程更慢导致仍然无法完全同步所导致的流量冲击问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的提出一种数字阀的异步控制方法，解决在实际控制过程中数字阀在切换时产生的流量冲击问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种数字阀的异步控制方法，其特征在于包括三个步骤，分别为：
S1：基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线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，在该时刻阀门的流量记为，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为 ；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，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为；S13：阀组的阶跃响应曲线将所有需要关闭的阀位阶跃曲线 相加记为 ，将所有需要打开的阀位阶跃曲线 相加记为 ，延迟t秒开阀的阶跃响应曲线即为；S14：预测阀组切换时的阶跃响应曲线 ，为开关阀组的阶跃曲线相加；其中：t为延迟时长，当时， ；S2：基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长；S21：采用误差绝对值在时间域上积分性能指标作为参数选择的最小目标函数，选取一个最优指标来指导程序选择目标曲线，所述最优指标为： ，其中： 为流量稳定值， 为延迟n秒开阀的仿真曲线；S22：当产生流量冲击时，流量的冲击量作为最优指标的一项为：其中： 为权值；S23：根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，其最小的代价对应的即为根据代价函数选取的最优流量曲线，此时最优的延迟开阀时间即为其最小代价的角标n；S3：根据最优异步时长延迟开阀S31：在控制算法给定控制量后，确定需要开启的阀门，异步控制方法采用先给定关阀信号，根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，延迟该时长后给定开阀信号；S32：在每次需要切换阀门时，都需要重复执行S21
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S31。
[0007]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：本专利技术通过阀组间的阶跃响应数值仿真得到异步控制时长，而非在某一压力下单独测得具体阀门的响应时长，可以有效避免不同高压气流带来的压差影响下导致各阀门响应时长不同带来的控制影响。
[0008]本专利技术可以有效预测切换阀门时不同异步时长的影响，预测与实测十分吻合，本专利技术可以更好通过预测、选择、执行得到更好的控制效果，本专利技术以满意的流量曲线作为指标来优化后进行控制，而非测量阀门响应时间后依靠同步开关阀的滞后时间来控制，避免
了其关阀过程更慢导致仍然无法完全同步所导致的流量冲击问题。
[0009]本专利技术可以从根源上解决数字阀切换时带来的流量冲击问题。传统方案为开关阀信号同步输出，但是由于高压气源作用下数字阀开启关闭过程不对称，关阀时间实际上滞后了开阀时间，异步控制方法采用先给定关阀信号，延迟一段时间后，给定开阀信号，可以从一定程度上改善开启关闭过程的不对称，从根源上解决数字阀切换时带来的流量冲击问题，确保了设备长期稳定运行，延长了设备使用寿命。
附图说明
[0010]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是控制方法的流程示意图；图2是开关阀组的阶跃响应曲线；图3是不同延迟时间开阀对流量冲击的影响图；图4是仿真与实测流量曲线图。
具体实施方式
[0011]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。
[0012]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。
[0013]如图1 所示为控制方法的流程示意图，本实施例的控制方法包括基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线、基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长、根据最优异步时长延迟开阀三个步骤。
[0014]首先，基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线，分为四个过程：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，在该时刻阀门的流量记为，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为 。
[0015]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，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为 。
[0016]阀组的阶跃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字阀的异步控制方法，其特征在于包括三个步骤，分别为：S1：基于数字阀阶跃响应预测实际流量曲线；S2：基于代价函数选取阀门切换的最优异步时长；S3：根据最优异步时长延迟开阀。2.根据权利要求1所述的一种数字阀的异步控制方法，其特征在于在S1中：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，在该时刻阀门的流量记为，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为；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，将从零时刻开始采集得到的阶跃响应曲线记为；S13：阀组的阶跃响应曲线将所有需要关闭的阀位阶跃曲线相加记为，将所有需要打开的阀位阶跃曲线相加记为，延迟t秒开阀的阶跃响应曲线即为；S14：预测阀组切换时的阶跃响应曲线，为开关阀组的阶跃曲线相加；其中：t为延迟时长，当时，。3.根据权利要求1所述的一种数字阀的异步控制方法，其特征在于在S2中：S21：采用误差绝对值在时间域上积分性能指标作为参数选择的最小目标函数，选取一个最优指标来指导程序选择目标曲线，所述最优指标为：，其中：为流量稳定值，为延迟n秒开阀的仿真曲线；S22：当产生流量冲击时，流量的冲击量作为最优指标的一项为：其中：为权值；S23：根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，其最小的代价对应的即为根据代价函数选取的最优流量曲线，此时最优的延迟开阀时间即为其最小代价的角标n。4.根据权利要求1所述的一种数字阀的异步控制方法，其特征在于在S3中：S31：在控制算法给定控制量后，确定需要开启的阀门，异步控制方法采用先给定关阀信号，根据代价函数得到最优的延迟开阀时长，延...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旷，何苗，章荣平，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：