动态可调配气控制系统的设计

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50 液压与气动 2013年第 l0期DOI：10．1 1832／j．issn．1000-4858．2013．10．013动态可调配气控制系统的设计王成鑫，余 愚，梁佐兴，余翠兰，连帅梅Design of Dynamic Gas Allocation SystemWANG Cheng—xin，YU Yu，LIANG Zuo—xing，YU Cui—lan，LIAN Shuai—mei(西华大学 机械工程及其 自动化学院，四川 成都 610039)摘 要：在动态配气中为了将稳定浓度气体快速精确地达到要求浓度，减少系统滞后所带来的误差，提高系统的响应速度，在常规配气系统的基础上，设计了一种利用配气浓度与要求浓度差值的不同，通过反馈数据对稀释气体进气量的工作气流进行调节的配气系统，并在控制系统中引入了PID控制器作为主要的控制策略。最后设计实验，将实验得到的数据进行对比，结果表明改进后系统能快速准确的达到工作要求。

关键词：配气；工作气流；控制；闭环中图分类号：TH138；TP 273．4 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0050-04引言在目前我国的气体配制设备制造业中，标准浓度的气体获得可采用静态配气法和动态配气法H J。其中，静态配气法包括两种：一种是称重法，根据分子量和所要配制的浓度计算物质的量，利用超高精度天平称量各组成部分质量，从而得到单一浓度的混合气体。

另一种是体积法，根据气体方程，按照计算好的体积对多种气体混合后加压，再充入高压气钢瓶。这些方法的成本较高，技术严密，而且必须由专业厂家生产，稳定时间短，局限性很大 。

动态配气法中多采用质量流量控制器对流量进行控制，根据原料气体的浓度值和配气浓度值计算出质量流量控制器的设定值 J。当稀释气体进入混气室，与原料气混合后，经过一段时间后才能进入检测仪器，检测气体浓度后，返回到控制系统中的数据有一定时间的滞后，产生气体浓度的波动，这样在配气的过程时就可能造成所配气体浓度不准确，造成最终气体浓度不能精确快速达到要求数值。针对以上问题设计一种闭环范围可变的控制系统，加入一个比例阀进行小工作气流调节，同时引入PID控制器，实现了稀释气体流量可调，达到协调控制，最后对比实验数据表明改进后的控制系统基本解决了传统控制方法的不足。

1 动态配气系统构成在动态配气的过程中，将已知浓度的原料气，以恒定的流量送人气体混气室，而稀释气体先以大工作气流的气路通过比例阀进入混气室，对原料气进行稀释，得到稀释后的样气再经过检测仪器，进行浓度检测，得到的检测数据将传回微控制器，微控制器再对比例阀进行气流比值调试，当浓度检测仪检测到的气体浓度接近最终要求的浓度时，停止对工作气流气路的比例阀调试，转入小工作气流气路进行稀释配气，使气体浓度能更稳定地达到要求气体浓度。配气系统中，比例阀作为调节气体流量的执行机构，质量流量控制器作为气路流量的检测器件，用浓度检测仪对从混气室流出的气体进行检测，微控制器作为主要的控制系统，接受反馈数据，并通过比例阀对气路的流量进行控制。

动态配气的气路原理图如图 1所示(实线表示气流方向，虚线表示信号传递方向)。

图 1 动态配气原理图收稿 日期：2013-04—19作者简介：王成鑫(1989一)，男 ，四川成都人，在读硕土研究生，主要从事机电一体化方面的研究工作。

2013年第1O期 液压与气动 512 动态配气系统控制分析整个配气系统由两条气路组成，原料气通过的为主气路，稀释气体通过的为副气路，在副气路中，先用大工作气流的比例阀进行调节，将原料气稀释到一个接近要求数值且稳定的状态时，停止对大工作气流比例阀的调节，转入对小工作气流比例阀的调节 ，这样减小了系统滞后以及气体浓度产生的波动范围，这样就减小了气体浓度值带来得影响，能更加精确地得到气体要求浓度。

比例调节阀的动态特性函数 G(s)为：G(s)=Kv／( s+1)式中：K 为调节阀的静态常数； 为调节阀的时间常数 (s为拉普拉斯算子) j。

气体的类型不同，那么气体的密度、压缩性等也会不尽相同。所以流过气路时产生的效果也不相同。根据经验主气路的K 取值为 12．5， 的取值为3 s。但是由于系统的信号传输速度以及机械惯性，可由经验滞后时间可以取2 s。而对于副气路来讲，稀释气体多为进化过的空气 ，那么K 的取值为 11．3，时间同主气路的时间 为 3 S。同样在副气路中存在系统滞后与机械惯性，所以滞后时间取值为 3 s。由此可以得到主、副气路的数学模型 G，(s)、G：(s)分别如下：G1(s)=12．5e也 ／(3s+1) (1)G2(s)=11．3e ／(3s+1) (2)通过上面的理论分析，可得出两个被控对象是具有滞后现象的一阶惯性环节，使用经典 PID控制理论可以完成对系统的控制。同时对副气路构建出大工作气流与小工作气流的模式，将稀释气体分阶段进入气路进行分析，将(2)式中副气路 G (s)等效为 G： (s)和G (s)，G (s)代表大工作气流，G (s)代表小工作气流。在大工作气流动态变化完成后，开启小工作气流进行调试。根据经验，大工作气流逼近 目标稀释浓度之后 ，启动小工作气流，将会很快地达到目标浓度，浓度波动范围将在很小的一个值之间波动直到稳定，那么存在 Tv2>Tv2 >Tv2 。从某种程度上缩短了副气路的配气时间，气体达到目标浓度后，浓度值波动范围相应的减小。同时，副气路改成了两次启动或者多次启动之后，系统滞后现象得到了分化，机械惯性会得到一 定程度减小，从而减小滞后现象对整个系统的影响。

根据配气理想的计算方式，大工作气流将原料气稀释到的浓度值 c，，气体要求浓度值 c与小工作气流流量 的关系是：C1= ‘Co (3)同理 ：昔 。C (4)其中，F。为原料气流量；F 为稀释气大工作气流流量；C。为原料气浓度 J。

当配气时，浓度检测仪检测到气体浓度达到 c时，将数据信息反馈给微处理器，微处理器做出调整，停止对大工作气流比例阀的调节，转向小工作气流比例阀调节。此时的浓度数据 C 可根据计算式(1)初步得到，通过计算式(2)对小工作气流 进行设定，根据实验后得到的数据可以进行修正。

通过不同的流量范围调节能减小滞后现象对气体浓度带来的影响，同时引入 PID控制，进一步完善系统，减少系统的滞后现象。

PID控制在工业中有广泛的应用，并较为成熟，容易整定。控制器基本原理是将偏差比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其中比例(P)作用可作为放大系数，积分(I)作用可以减少稳态误差，微分(D)作用可以提高响应速度。

PID的运动方方程：m( )= e( )+ ( )d + r相应的传递函数是：G )= (·+ 1 =鲁·利用 PID控制器对系统进行控制，可使系统的型别提高一级。与 PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供了一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性 。

整个系统的控制流程图如图2所示。

原料气PID}_一l比例阀 (大工作气流)微处理器 卜卜———1反馈PID}_一I比例阀 (小工作气流)图2 控制流程图52 液压与气动 2013年第 1O期3 实验及数据对比经过上述理论分析，对常规动态配气系统加入大工作气流与小工作气流的配合调节，以及将 PID作为系统的核心控制原理，利用实验室实验设备进行设计实验，对实验数据进行采集，将实验结果进行对比，以验证理论分析的方法可行性与系统的可控性。

实验中将只通过单一比例阀(大工作气流)控制的配气系统称为常规配气系统，反馈数值返回控制器，控制信号直接对大工作气流比例阀进行调整。将常规配气系统与加入工作气流比例阀的配气气路的系统作为改进系统(系统流程示意图如图3所示)，采用相同浓度相同状态的原料气进行实验，通过上位机对实验进行监控，完成实验数据的实时采集。

：? ? ? ? 一T? ? ? ? ? ? ? ]? ? 一 一 ? 一 一 一 _1丝 l???一一图3 系统流程图实验采用原料气碳氢化合物的颗粒度为 40 ppm的气体。稀释气体选用空气，过滤后，通过空气压缩机进去气路。气体检测仪器采用工业过程气体分析仪，可以准确读出数据，减小仪器误差。

原料气体进入系统后，温控系统对进入系统的原料气体进行控制，减少温度对气体以及对实验数据的影响。通过旋转门对进入储气罐的气体流速、流量进行控制，同时检测记录气体的温度、湿度的值。伺服驱动器驱动伺服平衡仓通过二位五通阀门的开关变化，对储气罐内的气体进行抽取，同时对混流器完成气体输送。打开稀释气路的流量控制，在混气室完成气体的稀释，通过检测仪器得出数据反馈给计算机。加入大工作气流与小工作气流的配合调节的系统只需在混气室前的稀释气路加入即可。

实验内容是通过对原料气的稀释，将原料气浓度稀释到30 ppm、25 ppm、20 ppm，分别观察数值波动情况，对稀释过程的数据进行记录，分别作出曲线图进行对比。常规配气系统的数据曲线图如图4所示，改进系统后得到的数据曲线图如图5所示。通过对比曲线图的不同之处，得出实验结论。

图4 常规配气系统的数据曲线图t／S图5 改进系统后的数据曲线图将图4和图5进行对比观察。图4中，曲线能达到预设值，但是在30 ppm、25 ppm、20 ppm处的曲线出现频繁波动，不够稳定。说明常规配气系统对气体频繁波动不能有效的控制，不能快速达到预设值。从图5N以看出曲线在预定值处的波动明显减少，更加稳定快速的达到了预设值。说明改进后的系统有较好的可控性，能够快速达到预设值，但是改进的系统同样存在气体浓度值波动的现象，系统的调节滞后有一定的改善。

实验数据对比结果显示，加入大工作气流与小T作气流的配合调节后的配气系统能减少气体浓度的频繁波动，可以实现快速稳定配气。

4 结论在常规配气系统的基础上，对系统进行了改进，通过实验数据的对比，证明改进后的系统比常规配气系统中单纯只对质量流量控制器流量值进行简单设置的动态配气系统稳定性更好，响应速度更快。加入大丁作气流与小工作气流的配合调节系统可以进行推广，2013年第1O期 液压与气动 53DOI：10．11832／j．issn．1000-4858．2013．10．014船艇设备监测中的故障树分析吴汪洋 。刘 瑜 ，李晓晨Fault Tree Analysis of the Oil Monitoring Applied to the BoatWU W ang—yang ，LIU Yu ，LI Xiao．chen(1．海军驻四三一厂代表室，辽宁 葫芦岛 125004；2．总后：军事交通运输研究所，天津 300161)摘 要：油液监测已成为机械设备故障诊断与状态监测的重要方法。通过油液监测中的光谱技术对船艇设备油液进行监测，运用故障树分析的方法分析故障源与成因，从机械故障诊断学角度分析故障原因以便对船艇进行更好的监测。

关键词：状态监测；故障树分析；船艇机电设备；油液监测中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)10-0053432引言随着机械设备的精细化程度越来越高，对设备的状态监测显得尤为重要。油液监测技术作为设备运行状态监测的重要方法，已经得到越来越广泛的应用。

如同我们自己的“血液”检测一样，油液监测同样是对遍布于机械设备周身的润滑油进行成分或磨损颗粒的分析，以得到机械设备故障前期的磨损信息，进而采取相关措施预防故障的发生，达到减少甚至是避免损失的目的。

1 故障树分析建立故障树的目的是通过过程分析透彻地了解系统，找出薄弱环节，以便改进系统设计、运行和维修，从而提高系统的可靠性、维修性和安全性，为故障树的定性分析和定量计算提供前提。

在利用故障树分析法诊断液压系统故障的过程中，故障树应用的符号可分为两类，即代表故障树事件符号和联系事件之间的逻辑门符号。表 1所示为故障树分析法中常用符号。

故障树分析把研究系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一事件发生的全部直接因素，一 直追查到无需再深究的因素为止。

2 机舱故障分析船艇机舱中存在着大量的机电设备，任何设备的故障都会给船艇运行造成重大影响，因此对设备的监测非常重要。随着机械设备的维修 日渐得到重视，油液监测技术已经在机械设备的状态监测与故障诊断中发挥了重要作用。油料发射光谱分析技术是油液监测收稿日期：2013-06-06作者简介 ：吴汪洋(1985一)，男 ，江西弋阳人，助理工程师，学士，主要从事船舶方面的研究和建造工作。

衍生出多路工作气流配合调节完成快速配气，这种思路对气体快速精确配制全自动设备的制造工作有一定的意义和启发。

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