一种基于可调文氏管的流量闭环控制方法及装置

1.本技术涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种基于可调文氏管的流量闭环控制方法及装置。


背景技术：

2.可调文氏管是火箭发动机输送系统中重要的流量调节装置，具有调节速度快，调节精度高和重复性好等优点，如图1所示。通过移动可调文氏的阀芯，改变文氏管喉部的节流面积，从而调节输送系统的流量。
3.目前可调文氏管的流量闭环控制方案为：设定目标流量曲线，实时对比目标流量与当前流量的差值，依据该差值调节阀门开度，从而控制实时流量趋近目标流量。
4.在上述技术方案中，当上游压力变化幅度较大时，控制参数不再适用，控制精度，响应时间和稳定性的变化范围大，难以控制；此外，流量信号的采集过程具有较大延迟，流量控制的响应速度较慢，对控制系统要求高，常常出现流量闭环控制过程中，实时流量滞后与目标流量，动态响应性能不够，导致难以应用于流量快速变化的过程。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了一种基于可调文氏管的流量闭环控制方法及装置，以解决上述技术问题。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种基于可调文氏管的流量闭环控制方法，包括：
7.采集当前时刻的可调文氏管的实际流量，根据当前时刻的目标流量，得到第一流量偏差；
8.利用当前时刻的压力增益系数和压力增量，得到第二流量偏差；
9.根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯从当前时刻到下一时刻的阀芯位移增量；
10.按照阀芯位移增量控制阀芯控制器输出对应脉冲，使阀芯移动，从而控制可调文氏管的流量。
11.进一步，采集当前时刻的可调文氏管的实际流量，根据当前时刻的目标流量，得到第一流量偏差；包括：
12.利用流量传感器采集当前时刻的实际流量q(k)，其中，当前时刻t为kt，t为控制周期，k为整数；
13.当前时刻的第一流量偏差δq1(k)为：
14.δq1(k)＝q(k)-qr(k)
15.其中，qr(k)为当前时刻的目标流量。
16.进一步，利用当前时刻的压力增益系数和压力增量，得到第二流量偏差，包括：
17.利用压力传感器得到当前时刻的入口压力p
in
(k)，计算入口压力增量δp(k)：
18.δp(k)＝p
in
(k)-p
in
(k-1)
19.其中，p
in
(k-1)为上一时刻(k-1)t的入口压力；
20.利用位移传感器采集上一时刻到当前时刻的阀芯位移x(k-1)；
21.计算当前时刻的压力增益系数k
p
(k)：
[0022][0023]
其中，ρ为流体密度，cd为流量系数，δa为可调文氏管流通面积梯度；
[0024]
计算第二流量偏差δq2(k)：
[0025]
δq2(k)＝k
p
(k)δp(k)。
[0026]
进一步，根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯从当前时刻到下一时刻的阀芯位移增量；包括：
[0027]
计算阀芯位移需要补偿的流量偏差：δq1(k)-δq2(k)；
[0028]
计算位移增益系数k
x
(k)：
[0029][0030]
计算阀芯位移增量δx(k)：
[0031][0032]
第二方面，本技术实施例提供了一种基于可调文氏管的流量闭环控制装置，包括：
[0033]
第一计算单元，用于采集当前时刻的可调文氏管的实际流量，根据当前时刻的目标流量，得到第一流量偏差；
[0034]
第二计算单元，用于利用当前时刻的压力增益系数和压力增量，得到第二流量偏差；
[0035]
第三计算单元，用于根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯从当前时刻到下一时刻的阀芯位移增量；
[0036]
控制单元，用于按照阀芯位移增量控制阀芯控制器输出对应脉冲，使阀芯移动，从而控制可调文氏管的流量。
[0037]
进一步，所述第一计算单元具体用于：
[0038]
利用流量传感器采集当前时刻的实际流量q(k)，其中，当前时刻t为kt，t为控制周期，k为整数；
[0039]
当前时刻的第一流量偏差δq1(k)为：
[0040]
δq1(k)＝q(k)-qr(k)
[0041]
其中，qr(k)为当前时刻的目标流量。
[0042]
进一步，所述第二计算单元具体用于：
[0043]
利用压力传感器得到当前时刻的入口压力p
in
(k)，计算入口压力增量δp(k)：
[0044]
δp(k)＝p
in
(k)-p
in
(k-1)
[0045]
其中，p
in
(k-1)为上一时刻(k-1)t的入口压力；
[0046]
利用位移传感器采集上一时刻到当前时刻的阀芯位移x(k-1)；
[0047]
计算当前时刻的压力增益系数k
p
(k)：
[0048][0049]
其中，ρ为流体密度，cd为流量系数，δa为可调文氏管流通面积梯度；
[0050]
计算第二流量偏差δq2(k)：
[0051]
δq2(k)＝k
p
(k)δp(k)。
[0052]
进一步，所述第三计算单元具体用于：
[0053]
根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯位移需要补偿的流量偏差：δq1(k)-δq2(k)；
[0054]
计算位移增益系数k
x
(k)：
[0055][0056]
计算阀芯位移增量δx(k)：
[0057][0058]
本技术在每个控制周期均补偿了压力波动和变化所带来的偏差，提高了流量控制精度。
附图说明
[0059]
为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0060]
图1为本技术实施例提供的可调文氏管的示意图；
[0061]
图2为本技术实施例提供的基于可调文氏管的流量闭环控制方法的流程图；
[0062]
图3为本技术实施例提供的基于可调文氏管的流量闭环控制装置的功能结构图。
具体实施方式
[0063]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0064]
因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0065]
首先对本技术实施例的设计思想进行简单介绍。
[0066]
目前可调文氏管的流量闭环控制方案为：设定目标流量曲线，实时对比目标流量与实际流量的差值，依据该差值调节阀门开度，从而控制实时流量趋近目标流量。
[0067]
在上述技术方案中，当入口压力变化幅度较大时，控制参数不再适用，控制精度，
响应时间和稳定性的变化范围大，难以控制；此外，流量信号的采集过程具有较大延迟，流量控制的响应速度较慢，对控制系统要求高，常常出现流量闭环控制过程中，实时流量滞后与目标流量，动态响应性能不够，导致难以应用于流量快速变化的过程。
[0068]
为解决上述技术问题，本技术提出了一种基于可调文氏管的流量闭环控制方法，通过采集可调文氏管的入口压力，阀芯位移，实时流量三种实时信号，依据实时工况变化控制参数，从而实施流量闭环控制，保证流量控制精度的控制方法。该方法需要实时采集文氏管的入口压力，阀芯位移和实时流量，依据入口压力偏差和流量偏差，实时更新阀芯位移，从而精准控制流量。本技术的方法具有参数自适应，稳定性好，控制精度高等优点。
[0069]
可调文氏管是一种节流装置，也就是一种调节阀。在入口压力足够时，可调文氏管所控制的流量与出口压力无关。可调文氏管的流量公式为：
[0070][0071]
其中，q为质量流量，cd为流量系数，由试验确定，一般为常值，a为喉部节流面积，ρ为流体密度，p
in
为可调文氏管入口压力，ps为给定温度下工质的饱和蒸汽压。
[0072]
由于饱和蒸汽压ps远远小于入口压力p
in
，方程简化为：
[0073][0074]
在工程应用中，节流面积a一般近似等价为面积梯度与阀芯位移的乘积。
[0075][0076]
式中，cd近似为常数，约等于0.9；δa为文氏管流通面积梯度，通常近似为常数；(当阀芯为纵截面为三角形时，其为常数。当截面为椭圆形时，其为随行程变化的函数，即为δa(x)；x(t)为阀芯随在t时刻的位置，即阀芯的位移量。其是随时间变化的函数；p
in
(t)为t时刻的入口压力。
[0077]
上式为非线性方程，可调文氏管的非线性并不太严重，这里对其进行线性化，从而得到近似的线性函数，也就是得到流量增量与阀芯的位移量的对应关系。由于在不同的时刻，阀芯位置x(t)和入口压力p
in
(t)会随时变化，故对上式进行泰勒展开和线性化处理。
[0078][0079][0080]
δq(t)＝q(t)-q(t-δt)＝k
x
δx(t) k
p
δp(t)
[0081][0082]
其中，δq(t)为t时刻流量偏差值；k
x
是位移增益系数，与上一时刻的入口压力有关，是变量；k
p
是压力增益系数，与上一时刻的阀芯位移和入口压力有关，是变量；
[0083]
由上式可知，在介质确定的情况下，即密度已知，流量主要由阀芯位移和入口压力决定。而流量的偏差量δq(t)由两部分导致，一是入口压力p
in
(t)扰动，而是阀芯位移x(t)的变化。
[0084]
流量闭环控制方法的原理就是将流量偏差分解为两个部分，第一部分是考虑压力
扰动带来的流量偏差，由于入口压力调节速度慢，这里未将入口压力作为控制量，但是需要将入口压力带来的偏差纳入考量范围内。第二部分是通过阀芯位移弥补入口压力变化所带来的流量偏差，通过阀芯位移的增量变化，不断抵消入口压力变化所带来的影响，从而稳定流量。由于本技术的控制方法采用了变化的位移增益系数k
x
和流量增益系数k
p
，故适应性好，控制精度高。
[0085]
本技术的方法考虑了入口压力波动所带来的流量偏差影响，提高了控制精度。通过实时采集入口压力和实时计算压力增益系数，每个控制周期均补偿了压力波动和变化所带来的偏差，提高了控制精度。
[0086]
本技术的方法中的控制参数为位移增益系数，该位移增益系数会依据入口压力实时变化，具有更强的适应性，可以依据不同上游压力实时改变增益，提高了控制器的稳定性，适用的流量调节范围更广。
[0087]
与现有技术的方式相比，本技术的优势在于：
[0088]
1、控制精度高。控制方法综合考虑了入口压力，阀芯位移和实时流量的影响，通过流量实时反馈，补偿压力波动带来的偏差，提高了控制精度。
[0089]
2、适用性广，稳定性高。本技术的控制参数具有自适应性，可以更加环境变量的变化而变化。如位移增益系数和压力增益系数会依据当前的阀芯位移和入口压力实时变化，提高了控制系统的稳定性，并使得控制系统在压力大范围变化的情况下依旧保持良好的控制性能。
[0090]
在介绍了本技术实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本技术实施例提供的技术方案进行说明。
[0091]
如图2所示，本技术实施例提供了一种基于可调文氏管的流量闭环控制方法，包括：
[0092]
步骤101：采集当前时刻的可调文氏管的实际流量，根据当前时刻的目标流量，得到第一流量偏差；
[0093]
本实施例中，该步骤包括：
[0094]
利用流量传感器采集当前时刻的实际流量q(k)，其中，当前时刻t为kt，t为控制周期，k为整数；
[0095]
当前时刻的第一流量偏差δq1(k)为：
[0096]
δq1(k)＝q(k)-qr(k)
[0097]
其中，qr(k)为当前时刻的目标流量。
[0098]
步骤102：利用当前时刻的压力增益系数和压力增量，得到第二流量偏差；
[0099]
本实施例中，该步骤包括：
[0100]
利用压力传感器得到当前时刻的入口压力p
in
(k)，计算入口压力增量δp(k)：
[0101]
δp(k)＝p
in
(k)-p
in
(k-1)
[0102]
其中，p
in
(k-1)为上一时刻(k-1)t的入口压力；
[0103]
利用位移传感器采集上一时刻到当前时刻的阀芯位移x(k-1)；
[0104]
计算当前时刻的压力增益系数k
p
(k)：
[0105]
[0106]
其中，ρ为流体密度，cd为流量系数，δa为可调文氏管流通面积梯度，ps为饱和蒸汽压；
[0107]
计算第二流量偏差δq2(k)：
[0108]
δq2(k)＝k
p
(k)δp(k)。
[0109]
步骤103：根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯从当前时刻到下一时刻的阀芯位移增量；
[0110]
本实施例中，该步骤包括：
[0111]
计算阀芯位移需要补偿的流量偏差：δq1(k)-δq2(k)；
[0112]
计算位移增益系数k
x
(k)：
[0113][0114]
计算阀芯位移增量δx(k)：
[0115][0116]
步骤104：按照阀芯位移增量控制阀芯控制器输出对应脉冲，使阀芯移动，从而控制可调文氏管的流量。
[0117]
基于上述实施例，本技术实施例提供了一种基于可调文氏管的流量闭环控制装置，参阅图3所示，本技术实施例提供的基于可调文氏管的流量闭环控制装置200至少包括：
[0118]
第一计算单元201，用于采集当前时刻的可调文氏管的实际流量，根据当前时刻的目标流量，得到第一流量偏差；
[0119]
第二计算单元202，用于利用当前时刻的压力增益系数和压力增量，得到第二流量偏差；
[0120]
第三计算单元203，用于根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯从当前时刻到下一时刻的阀芯位移增量；
[0121]
控制单元204，用于按照阀芯位移增量控制阀芯控制器输出对应脉冲，使阀芯移动，从而控制可调文氏管的流量。
[0122]
在本实施例中，所述第一计算单元具体用于：
[0123]
利用流量传感器采集当前时刻的实际流量q(k)，其中，当前时刻t为kt，t为控制周期，k为整数；
[0124]
当前时刻的第一流量偏差δq1(k)为：
[0125]
δq1(k)＝q(k)-qr(k)
[0126]
其中，qr(k)为当前时刻的目标流量。
[0127]
在本实施例中，所述第二计算单元具体用于：
[0128]
利用压力传感器得到当前时刻的入口压力p
in
(k)，计算入口压力增量δp(k)：
[0129]
δp(k)＝p
in
(k)-p
in
(k-1)
[0130]
其中，p
in
(k-1)为上一时刻(k-1)t的入口压力；
[0131]
利用位移传感器采集上一时刻到当前时刻的阀芯位移x(k-1)；
[0132]
计算当前时刻的压力增益系数k
p
(k)：
[0133][0134]
其中，ρ为流体密度，cd为流量系数，δa为可调文氏管流通面积梯度；
[0135]
计算第二流量偏差δq2(k)：
[0136]
δq2(k)＝k
p
(k)δp(k)。
[0137]
在本实施例中，所述第三计算单元具体用于：
[0138]
根据第一流量偏差和第二流量偏差，计算阀芯位移需要补偿的流量偏差：δq1(k)-δq2(k)；
[0139]
计算位移增益系数k
x
(k)：
[0140][0141]
计算阀芯位移增量δx(k)：
[0142][0143]
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本技术方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0144]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0145]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。