气压调节阀稳压技术研究

   0 引言
   钢厂在生产过程中产生了大量的焦炉煤气和高炉煤气。为了减少环境污染，一些钢厂将焦炉煤气与高炉煤气混合，使用混合气体作为气体蒸汽联合循环发电的燃料。燃气轮机对混合气体的压力控制要求相对较高。目前，钢厂通过调节阀控制混合气体的压力。调节阀的控制方法与调节阀的压力控制性能有关。PID控制算法简单可靠，广泛应用于过程控制和运动控制。然而，实践表明，由于混合气体的压力控制过程具有非线性和不确定性，常规应用PID控制器无法达到理想的控制效果[1-4]。为此，本文设计了适用于混合气压控制的模糊PID控制器。
   1 调节阀气稳压系统原理
   图1为调节阀气体稳压系统原理图。调节阀稳压系统工作时，首先启动液压泵2，使电磁溢流阀10的电磁铁通电。此时，在调节压力下，调节溢流阀可以改变液压系统的工作压力。PC根据系统设置，机器以模拟信号的形式输出控制信号，使伺服阀8左端的电磁铁通电。液压泵输出的液压油通过伺服阀8的左位进入液压缸的左腔，将活塞向右移动，调节阀的阀门17打开。压力传感器实时检测气体压力，并输入压力信号PC在机器控制器中。与设定值进行比较后，控制器将信号输出给伺服阀。伺服阀根据信号符号和大小确定活塞的移动方向和位移，调整调节阀开口的大小，直到气体压力达到设定值。

   2 调节阀稳压系统数学模型
   伺服阀的流量方程为[5-9]

   式中，qL负载流量流经伺服阀；Kq伺服阀总流量增益；Kc伺服阀的总流量压力系数；xv伺服阀的阀芯位移；pL负载压降。
   液压缸流量连续性方程

   式中，A液压缸活塞有效面积；y活塞运动位移；Ctc液压缸总泄漏系数；Vt液压缸两个腔室的总容积；βe在计算等效体积弹性模量时，一般取700MPa。
   液压缸平衡方程

   式中，m将活塞和负载转换为活塞的总质量；BP粘性阻尼系数；K负载弹性刚度；FL作用于活塞的负载。
   调节阀芯力不平衡方程

   式中，F不平衡；dg阀芯直径；ds阀杆直径；P1阀前压力；P二是阀后压力。
   根据伺服阀流量方程、液压缸流量连续方程、液压缸压力平衡方程、调节阀芯力不平衡方程等[4-6]，稳压系统的传输函数为

   稳压系统扰动通道的传输函数：
   3 模糊PID控制器设计
   图2为模糊PID控制器的结构图，利用模糊控制规则对PID修改参数，修改误差e以及误差变化率de/dt作为输入，可以满足不同的时间e和de/dt对PID参数自整定要求[10-20]。PID模糊规则表[16]控制器参数。

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   4 模拟分析
   图3和图4分别是常规的PID与模糊PID模拟模型。图5和图6分别是常规的PID系统压力阶跃响应曲线和方波响应曲线在控制下。图7和图8分别模糊PID控制系统压力阶跃响应曲线和方波响应曲线。

   从常规PID从控制下的系统压力阶跃响应曲线可以看出，阶跃响应的上升时间为0.15s，调节时间为0.45s，超调量为10%。使用模糊PID控制后，阶跃响应的上升时间为0.12s，调节时间为0.15s，超调量约为0。与常规相比。PID与控制压力阶跃响应相比，模糊控制阶跃响应的上升时间减少了0.03s，调整时间减少0.3s，超调量减少了10%。比较图6和图8，模糊PID在控制下，调节阀压力控制系统可以快速响应输入信号的变化，跟踪输入信号的精度远高于传统PID跟踪精度有利于调节阀稳压系统及时有效地抑制混合气体的压力波动。

   5 结束语
   如何实现混合气体的压力稳定控制已成为循环发电工程的一个关键技术问题。由于混合气体的压力控制过程是非线性和不确定的，传统的PID控制器参数的设置往往不能达到理想的效果，导致气体稳压系统性能差，对运行条件的适应性差。针对上述问题，本文设计了气体稳压系统的模糊性PID模拟结果显示控制器模糊PID控制器能显著提高稳压系统的动态控制质量，提高调节阀稳压系统对气压波动的抑制能力。
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