摘 要：介紹了金屬管浮子流量計試驗臺恒溫恒壓供氣控制系統基本組成及工作原理。利用PCD氣壓元件庫建立了恒壓供氣控 制系統的AMESim仿真模型，設置模型參數，對出口壓力的動態特性進行仿真分析，確保該控制系統滿足出口絕對壓力及精度為490±10 kPa 的要求。在此基礎上利用PID控制器進行校正及優化分析。仿真結果表明，該控制系統能夠滿足出口壓力恒定的要求。

 

    引 言

    隨著現代汽車行業的迅猛發展，帶來了環境污染與 能源緊張等一系列的問題。而渦輪增壓技術的研究正是通過強化發動機來節約能源、保護環境的一種技術。所以 作為汽車核心部件之一的金屬管浮子流量計，對其技術的研究也就成為當今研究熱點。發動機采用渦輪增壓技術與采 用自然進氣技術相比具有許多優點，比如汽油發動機采 用渦輪增壓技術可節能10%~20%；柴油發動機采用渦輪 增壓技術可節能20%~40%；渦輪增壓技術尾氣污染排放 較小；與混合動力和電動汽車技術相比，金屬管浮子流量計技術成本優勢明顯。因此金屬管浮子流量計技術應用日益普及。但隨著金屬管浮子流量計不斷進步與發展，在金屬管浮子流量計試驗臺的研究過程中對給金屬管浮子流量計試驗臺供氣的設備要求也越 來越高，并且對供氣設備出口壓力控制系統的研究逐漸成為核心，這對分析、驗證增壓器總成及其零部件的可靠性和機械性能具有重要作用。

 

    本文主要對供氣設備控制系統進行如下分析。 

 

 

    1 金屬管浮子流量計試驗臺恒溫恒壓供氣控制系統的組成及原理分析

    1.1 基本組成 

    供氣設備由空氣供氣及恒壓控制系統、空氣加熱及 溫度控制系統、PLC電氣控制系統構成。每個部分之間由對應的管道及電纜連接，如圖1所示。

 

 

    1）恒壓控制系統的基本組成包括氣動三聯件、 調壓閥、節流閥、 儲氣罐、壓力傳感器、PLC可編程控制器、閥控制器（PID控制器）等。2）恒溫控制系統的基本組成有油箱、油 泵、空氣-油換熱器、加熱器、閥門、管道附件、PLC可編程 控制器、溫控表等。3）電氣控制系統主要由以下幾大部分 組成：a.油箱溫度控制系統，包括溫控器、調壓模塊、溫度傳感器、加熱裝置。b.空氣壓力控制系統，包括閥控制器、 壓力傳感器、調壓閥。c.其它元器件控制系統。設備中的其 它電氣元件與PLC的IO口相連接，由PLC統一控制，被控制的元器件包括按鈕、液位計、指示燈、電動機、壓力開關、 氣動閥等。

 

    1.2 工作原理

    1.2.1 恒壓控制系統原理分析

    氣體經過空氣壓縮機產生絕對壓力為0.73 MPa的壓 縮空氣。壓縮空氣經過高精度過濾器后到達調壓閥，再到節流閥和儲氣罐，再經過加熱裝置后非常后到達耐久試驗 實驗設備。為了應對用氣量的劇烈變化狀態，采用比例調 壓閥構成閉環壓力控制系統來完成對壓力的精確控制，同時采用節流閥實現對不同試驗項目的不同控制策略， 儲氣罐對整個系統起到穩定壓力的作用，并且減小了系 統波動。恒壓控制系統的組成及原理如圖2所示。

 

 

    恒壓控制系統的控制方式采用局部閉環控制和整體 閉環控制兩種方式，如圖3所示。通過這兩種閉環控制方 式可使恒溫恒壓供氣設備的出口壓力更加穩定，有利于減小壓力波動。

 

 

 

    1.2.2 恒溫控制系統原理分析

    恒溫控制系統非常重要的是在諸多加熱方式中（如電 熱絲、熱銅板、熱鋁板等電加熱和空氣-油換熱等）選擇何 種加熱方式給氣體加熱。如果采用普通管道式電加熱的 方式，無法滿足對空氣流量矩形波形變化形態的空氣溫 度控制要求。故采用空氣-油換熱的方式，無論空氣流量 如何變化都不會影響溫度控制的要求。 

 

    加熱設備采用上下兩層式結構，這樣可以減少占用 空間。系統的組成原理圖如圖4所示。設備下層主要是油 箱，油箱中配有加熱器、溫度傳感器、液位計、空氣濾清器 等，油箱外部及管道包裹保溫材料，防止熱量散失。設備上層主要由空氣-油換熱器組成，油泵與上部換熱器之間配有截止閥便于維修，換熱器的空氣出口處配有溫度傳感器以便控制及顯示溫度。

 

 

   恒溫控制系統的控制方式采用局部閉環控制和主閉 環控制兩種方式,如圖5所示。通過這兩種閉環控制方式 可使恒溫恒壓供氣設備出口的氣體溫度更加穩定，有利于減小溫度波動。

 

 

 

    2 基于 AMESim恒壓控制系統模型建立

    2.1 調壓閥模型的建立 

    調壓閥作為恒溫供氣控制系統的重要核心元件，它 的好壞直接影響系統的響應時間、穩定性和控制精度[1]。在AMESim中建立的模型如圖 6所示[2-4]。模型中具體參數值如表 1 所示。

 

 

 

 

    2.2 負載模型的建立 

    根據耐久試驗實驗設備的要求，對負載進行模 擬。利用AMESim對其進行建模（圖7）。選可調節氣 動節流閥為負載，用方波信號與慣性環節組合作為調節 氣動節流閥的外部信號源。具體參數如表2所示。

 

 

 

 

 

    2.3 閉環控制系統模型的建立

    PLC可編程邏輯控制器首先通過D/A轉換模塊得到模擬量信號，模擬量信號再通過閥控制器作用于調壓閥，非常后壓力傳感器檢測到流經調壓閥和節流閥的氣體壓力信號，并把其檢測到的信號先作用于閥控制器形成局部閉環控制，再通過A/D轉換模塊作用于PLC形成整 體閉環控制。

 

    根據恒壓系統控制框圖和模擬的負載建立恒壓控制系統 AMESim 模型,如圖8所示[2-4]。

 

 

 

    3 控制系統動態特性分析

    恒壓控制系統出口壓力的動態特性分析，是指在輸 入氣源絕對壓力值為0.73 MPa時，恒壓供氣設備出口壓 力的響應變化。按照表3設置AMESim模型中的關鍵參數 后，對恒壓控制系統進行仿真，得到如圖9所示的出口絕 對壓力曲線圖。由圖9可得到金屬管浮子流量計試驗臺恒溫恒壓供氣設備控制系統, 對供氣設備出口端的壓力控制情況有以下幾點：

 

 

 

 

 

     1）當時間到從7~8 s開始時 供氣設備出口端的壓力就已經 達到了金屬管浮子流量計試驗臺對控 制氣體壓力的要求，并且直到仿真實驗結束時也都滿足渦輪 增壓器試驗臺對控制氣體壓力的要求。

 

     2）從圖9可以看出，供氣設 備出口端的壓力雖然已經達到 了金屬管浮子流量計試驗臺對控制氣 體壓力的要求，但是氣體的壓力一直在0.48~0.50 MPa之間波動，且波動頻繁，這樣會對渦輪 增壓器試驗臺所進行的實驗造 成不良的影響。 

 

    3） 對恒壓控制系統加入PID控制器，運用PID控制方法 對恒壓控制系統進行控制調 節，以達到供氣設備出口端壓力穩定、減小波動的目的。 

 

    4 恒壓控制系統PID校正與優

    化分析為了仿真模擬加入PID校正恒壓控制系統，進而分析系統的動態特性和誤差，首先需要建立仿真模型。利用AMESim軟件中信號庫自帶的模擬PID控制器對系統進行仿真優化十分方便，在上一節恒壓控制系統的基礎上加入模擬PID控制器，建立如圖10所示的模擬PID控制的恒 壓控制系統模型[5]。

 

 

 

    在工程上通常采用臨界比例法和試湊法相結合的方 式確定PID參數，通過對3個控制參數進行反復設置調節 得到優化結果。對于簡單的控制系統來說，這種方法確實 簡單、易于實現，但對復雜的控制系統來說，憑借調試經 驗去試湊，工作量過于龐大。因此，筆者采用AMESim中的輸入輸出模塊和設計開發功能，完成對PID參數進行自動 求解。將輸入信號和反饋信號的差值引出，并串聯一個積 分環節，得到誤差的積分值作為控制系統的一項精度考核 指標，并對其進行精度設定。經過AMESim的循環批量數據處理和分析運算，得到PID非常終的運算結果為kP=7，kI=3，kD= 2。將運算結果應用到PID控制器模塊中進行仿真，得到的供氣設備出口端氣體壓力曲線如圖11所示。從圖11可以看 出，供氣設備出口端氣體的絕對壓力大約在14 s時達到穩 定，并且從14~50 s時氣體壓力非常穩定，波動非常小，幾乎 可以忽略不計。由此可以判斷該恒壓控制系統對氣體壓力 的控制滿足金屬管浮子流量計試驗臺的要求。 

 

 

    5 結 論

    本文主要對恒壓供氣設備控制系統基于AMESim軟件

進行建模和仿真分析，并通過分析仿真結果可得到以下結論： 1）恒壓控制系統在沒有PID控制器的作用下供氣設備出口 壓力的波動非常大。2）恒壓控制系統加入PID控制器后分析可以得出，在滿足實驗要求負載的條件下，系統出口壓力滿足（490±10）kPa（絕對壓力）。3）恒壓供氣設備控制系統系的設計利用 AMESim 軟件進行建模和仿真，與傳統的數學建模推導傳遞函數相比，更加直觀、方便得到系統的動態響應曲線。