基本介紹
- 中文名：水壓控制
- 外文名：The water pressure control
- 套用：工業
較大密閉容腔的高精度水壓控制,水壓控制原理及關鍵部分設計,PID+Fuzzy複合控制策略,水壓控制實驗,複合型超快冷水壓控制策略的建立及套用,超快冷水壓控制策略的建立,多補償複合型水壓控制策略的套用,
較大密閉容腔的高精度水壓控制
為了精確模擬水下特種設備工作環境中外部水壓的動態變化過程，檢驗密封裝置的密封性能，提出一種基於電液力控制的水壓控制方法。設計並建立包含壓力傳遞裝置、電液力控制系統等部分的較大密閉容腔水壓控制系統。通過分析系統的數學模型，提出“Fuzzy+PID”複合控制策略進行水壓控制。在建立的實驗系統上進行實驗研究。實驗結果表明，水壓可控範圍為0.1～10MPa，穩態誤差為±0.04MPa，壓力無失真斜坡跟蹤最大速率可達±2MPa/s。
水壓控制原理及關鍵部分設計
水的體積彈性模量很大、幾乎不可壓縮，對於注滿水的較大密閉壓力容腔只需改變少許體積即可改變內部水壓；根據這一性質，提出基於電液力控制的水壓控制方法，建立整個水壓控制系統。系統由集成式電液控制器、電液力控制系統、壓力傳遞裝置、密閉壓力容腔等部分組成，其中壓力傳遞裝置與電液力控制系統是系統的關鍵部分。集成式電液控制器根據預先設定的水壓控制信號與壓力容腔內的水壓反饋信號，經相應的控制算法處理後，調整電液力控制系統的輸出油壓。油壓通過壓力傳遞裝置傳給密閉壓力容腔內的水，通過改變密閉壓力容腔的容積，使水壓隨之變化，最終水壓與油壓處於平衡狀態，達到目標值。
PID+Fuzzy複合控制策略
通過分析系統的狀態方程式可知，水壓控制系統為對稱閥控單容腔系統，具有很強的非線性，控制器的設計難度較 大。採用反饋線性化的思想可以簡化控制器的設計，提高系統控制精度，但需要知道精確的系統模型與結構參數。Yao等提出自適應魯棒控制在變參數的情況下，仍可減少控制誤差、提高控制精度，但控制器的設計與實現複雜。Fuzzy（模糊控制）具有不依賴於控制對象模型、實現簡單等優點，已得到廣泛的套用，但單純的模糊控制無法消除終值附近的靜差。考慮到PID控制具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優點，結合兩者的優點，採用“Fuzzy+PID”的複合控制策略進行控制，系統控制中，pr為目標水壓，pl為實際水壓。在誤差較大時進行模糊控 制，抑制系統的超調；誤差較小時切換至PID控制，消除系統靜差、提高穩態控制精度。
水壓控制實驗
為了驗證基於電液力控制的水壓控制方法的有效性，在建立的水壓控制實驗系統上進行實驗研究。電液力控制實驗系統主要技術參數如下：油源壓力為12MPa、流量為7L/min；密閉壓力容腔容積為22L，允許最高工作壓力為12MPa；最高控制水壓為10MPa。
1）穩態壓力控制實驗。控制壓力分別取0.1、5、10MPa。在實驗中發現，當目標控制壓力低於0.1MPa時，系統壓力波動較大，處於不可控狀態。結果表明，在0.1～10MPa的可控壓力區間內的穩態誤差為±0.04MPa，穩態水壓控制精度高。
2）壓力階躍回響實驗。控制水壓分別從1到5MPa、1到10MPa階躍，採用PID、Fuzzy、Fuzzy+PID3種不同控制策略進行對比實驗。結果表明：PID控制回響最快、穩態誤差小，但超調量大；Fuzzy控制超調量最小，回響速度居中，但穩態誤差大；“Fuzzy+PID”複合控制回響速度與Fuzzy相當，超調量比PID控制小，穩態誤差比Fuzzy控制小。
較大的壓力超調對密封裝置的損傷較大，在模擬實驗時是不允許的；採用“Fuzzy+PID”的控制策略能夠同時滿足控制精度與超調量小的要求。
3）不同壓力變化速率斜坡跟蹤實驗。當壓力控制信號分別以±0.05、±0.5、±2MPa/s變化時，實驗結果表明：當壓力變化率從0.05～2MPa/s增加時，上升階段均能較好地跟蹤，隨著速率的增大，到達穩態時的超調量也略微增大；在壓力下降階段，當壓力變化率較小時跟蹤性能好，當壓力變化率為－2MPa/s時，在到達穩態控制目標壓力附近時跟蹤誤差較大。
複合型超快冷水壓控制策略的建立及套用
以某廠新建的軋後超快冷設備為研究對象，針對常規PID控制水壓時存在開水調整時間長、頭尾遮蔽時水壓偏差大及關水水壓過高的問題，建立了多補償複合型水壓控制策略，並套用於軋後超快冷生產。實踐表明，該控制策略不僅解決了上述問題，而且提高了冷卻規程的實現精度、縮短了開水提前時間，間接減少了冷卻水消耗量和供水泵用電量，降低了生產成本。
超快冷水壓控制策略的建立
變頻調速恆壓供水系統通常採用PID控制器進行閉環控制。以某中厚板廠變頻調速恆壓供水系統為例，該系統採用比例積分控制，水壓調節目標為 （0.50±0.02）MPa。經過參數最佳化，用水量2500m3時，控制效果為PID控制時冷卻過程水壓控制情況。
超快冷設備開水時，冷卻規程設定的各氣動調節閥快速打開，單純的PID控制難以及時回響，水壓迅速下降至P1。如果為提高回響速度將參數調整，又會出現控制精度不夠的問題。
在冷卻過程中，對鋼板頭部和尾部使用了流量遮蔽。鋼板頭部以小流量進入噴嘴；鋼板頭部過噴嘴後流量恢復正常設定值；鋼板尾部離開噴嘴時，噴嘴流量減小。流量遮蔽轉換過程中，氣動調節閥瞬間調整，水壓會發生波動。從狀態A轉換到狀態B時，PID控制的水壓來不及回響，壓力降低0.09MPa，即水壓下降至P2值。從狀態B轉換為狀態C時，調節閥關小，水壓上升，即水壓上升至P3值。與傳統電動調節閥配置相比，氣動調節閥調節速度快，作用於分流集水管的瞬間擾動更大。
在關水過程中，PID控制的回響速度也不理想，在用水量大時，會發生超過安全壓力的現象。單獨的PID控制策略已經無法保證鋼板冷卻規程的精確執行和設備安全。為解決這個問題，建立了多補償複合型水壓控制策略。
多補償複合型水壓控制策略的套用
多補償複合型水壓控制策略已成功套用於某中板軋後超快冷生產線，解決了該生產線開水調整時間長、頭尾遮蔽時水壓偏差大和關水水壓過高的難題，取得了較好的使用效果，保證了超快冷生產的穩定性。
由多補償複合型水壓控制策略的實際使用情況可知，在相同的外界工況條件下，採用多補償複合型水壓控制策略後，開水調整時間縮減了10s，開水過程水壓最大變化量從0.18MPa降至0.17MPa；遮蔽轉換過程水壓最大變化量從0.09MPa降低至0.03MPa；關水時，前饋降頻既節省了電耗，又防止了超高水壓對設備的損害。
常規PID控制與多補償型複合控制策略使用情況對比可以看出，多補償複合型水壓控制策略較常規PID控制大大縮短了水壓調節時間，提高了鋼板冷卻過程水壓的控制精度，為生產冷卻規程精度要求較高的減量化品種提供了重要保障。
