Устройство для регулирования давления газа

(19) (11 3(51) О 05 Р 16/2 Г(т(где ( (уд1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЬИЬ.оОТИИ го Кра инсти ы автомати 1969 у 1 Ф 48 у ство СССРОу 1970(54)(57) 1. УСТРО ВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГА точник питания сж ,ный через редукци нии подачи с вход линии сброса, свя рабочей камеры, а СТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОА, содержащее истым газом, связаннный клапан и лим рабочей камеры,анные с выходомтакже датчик давГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ( 71) Тульский ордена Трудовного Знамени политехнически(прототип). ления, блок задания и блок управления линиями сброса и подачи, содержащими (-параллельных ветвей, в каждой из которых последовательно установлены калиброванные диафрагмы идвухпозиционные клапаны, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона регулированияустройства, оно содержит последовательно соединенные первый делитель ифункциональный преобразователь, адатчик давления установлен за редукционным клапаном на входе линииподачи, выход датчика давления подключен к первому входу первого делителя, второй вход которого связанс выходом блока задания, выход функ- вционального преобразователя соединенс входом блока управления линиямисброса и подачи, связанного выходами с соответствующими двуиповидиои- Сными клапанами.1095148 2. Устройство по п.1, о т л ич аю щ е е с я тем, что бло,: управления линиями сброса и подачи содержит последовательно соединенные задатчик относительной эффективной площади, компаратор, инвертор, первый ключ, второй делитель и первый формирователь кода, а также последовательно соединенные второй ключ, третий делитель и второй формирователь кода, причем первый вход второго ключа подключен к входу блока и к второму входу компаратора, а гторой вход - к выходу комаратора, второй вход второго делителя связан с вто 1.Изобретение относится к автоматическому регулированию давления газаи может быть применено в технологических процессах, где требуется осуществлять программное изменение давления газа в широком диапазоне (отдесятых долей до десятков мегапаскалей) с допустимой относительной погрешностью в установившемся режимедо 1%.Известно устройство программного регулирования давления газа,содержащее соединенные последовательно аналого-цифровой серворегулятор,многоэлементный цифровой управляющийклапан, объект регулирования и датчик обратной связи 1Одним из недостатков устройстваявляется сложность настройки цифрового управляющего клапана с целью получения высокоточного соответствия между управляющим сигналом в парал- . 20 лелькам двоичном коде и включаемой эффективной площадью клапана.Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство программного регулирова ния давления газа, содержащее баллонный источник питания, через редукционный клапан соединенный с рабочей камерой, имеющей линии сброса и наполнения в виде и параллель- З 0 ных ветвей, в которых последовательно установлены калиброванные диафраг мы и двухпозиционные клапаны, датчик давления, блок управления клапанами, блок задания программы Я .35Датчик давления в этом устройстве установлен в рабочей камере и служит для измерения величины давления во всем диапазоне измерения. Величина абсолютной погрешности измерения давлениядля известных типов датчиков, применяемых в качестве чувствительных элементов в промышленных рым входом третьего делителя и свыходом задатчика относительной эффективной площади, выходы формирователей кода подключены к соотнетствукщим выходам блока. 3. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, чтэффективная площадь каждой калиброванной диафрагмы, установленной в последующей ветви подачи и сброса соответствен 1но в 2 раза больше эффективной пло-, щади калиброванной диафрагмы, установленной в предыдущей ветви подачи и сброса. 2системах регулирования, практически постоянна во всем диапазоне работы и определяется техническими характеристиками датчика, например допустимой приведенной основной погрешностью датчика, задаюей класс его точности, максимальной величиной Гизмеряемого давления:Д,е лМОКС О =ьОп 81,Относительная погрешность измерения давления 3 увеличивается с умень. шением величины измеряемого давления: 3= ьр. Для рассматриваемого уст. - ройства программного регулирования давления газа, которое является замкнутой системой, ошибка чувствительного элемента - датчика давления - является постоянным возмущением, которое нельзя исключить или уменьшить системными средствами. При расширении диапазона регулирования щ (юйнак величина максимальной станиинтической ошибки от этого возмущения пропорционально возрастает: Бм й е что приводит к ухудшению точности работы устройства. Кроме того, в рассматриваемом устройстве при расширении диапазона его работы ухудшается качество переходных процессов в отдельных областях и возможна потеря уасойчивости. Таким образом, существенным недостатком описанных устройств является невозможность расширения в них диапазона регулирования без потери точности и ухудшения динамических характеристик. Цель изобретения - расширение диапазона регулирования давления газа.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник питания сжатым газом, свя(1) 65 занный через редукционный клапан и линии подачи с входом рабочей камеры, линии сброса, связанные с выходом рабочей камеры, а также датчик давления, блок задания и блок управления линиями сброса и подачи, содержащими паралчельных ветвей, в каждой из котоых последовательно установлены калиброванные диафрагмы и двухпозиционные клапаны, введены последовательно соединенные первый 10 делитель и функциональный преобразователь, а датчик давления установлен за редукционным клапаном на входе линий подачи, выход датчика давления подключен к первому входу пер вого делителя, второй вход которого связан с выходом блока задания, выход функционального преобразователя соединен с входом блока управления линиями сброса и подачи, связанного выходами с соответствующими двухпоэиционными клапанами.Кроме того, блок управления линия ми сброса и подачи содержит последовательно соединенные задатчик отно" сительной эффективной площади, компаратор, инвертор, первый ключ, второй делитель и первый формирователь кода, а также последовательно соединенные второй ключ, третий делитель и второй Формирователь кода, причем первый вход второго ключа подключен к входу блока и к второму входу компаратора, а второй вход - к выходу компаратора, второй вход второго делителя связан с вторым35 входом третьего делителя и с выходом эадатчика относительной эффективной площади, выходы формирователей кода подключены к соответствующим выходам блока, 40Эффективная площадь каждой калиброванной диафрагмы, установленной в последующей ветви подачи и сброса, соответственно в 2 раза, больше эффективной площади калиб рованной диафрагмы, установленной в предыдущей ветви подачи и сброса.В предлагаемом устройстве изменяется режим функционирования Рабочей камеры: она становится проточной, что позволяет реализовать управление, основа.ное на использовании принципа пропорционального редуцирования давления, согласно которому при надкритическом истечении в выходном дросселе, характерном для широкого диапазона регулирования, величина отношения давления Р в проточной каме ре к давлению источника питания 0 определяется только отношением бц/5 эффективных площадей выходного и вход ного дросселей (выпуска и впуска),т.е. существует однозначная функциональная Исследования показывают, что элия" ние температурных отклонений окружающей среды при обычных условиях эксплуатации на зависимость (1 пренебрежимо мало, а колебания атмосферного давления существенно влияют лишь при низких давлениях, близких к атмосферному. Других постоянно действующих возмущающих факторов нет, поэтому зависимость 1), заложенная в устройстве в качестве настроечной характеристики, позволяет эффективно осуществлять высокоточное програмное регулирование давления газа в широком диапазоне: от высоких давлений до значений, близких к атмосферному давлению.Необходимая для реализации такого принципа управления перестановка датчика для замера давления Рс на входе в рабочую камеру значительно уменьшает погрешность регулирования, обусловленную неточностью измерения давления, В данном случае датчик работает в гораздо более узком диапазоне, определяемом колебаниями давления на выходе редукционного клапана, которые обычно составляют единицы процентов от номинального значения давления. Одновременно улучшает-ся качество переходных процессов и устраняется воэможность потери устойчивости, так как устройство не содер. жит главной обратной связи.Применение дискретных впускного и выпускного дросселей, выполненных в виде наборов подключаемых калиброванных диафрагм, позволяет при регулировании требуемое значение отноше-. ния эфФективных площадей Бц/5 задавать очень точно,но в фиксйрованных точках. Однако надлежащим выбором количества и значений эффективных площадей дроссельных диафрагм в предлагаемом устройстве всегда можно добиться условий, при которых набор воспроизводимых дискретных значений давления в камере перекрывает требуемый диапазон регулирования и переход от одной дискретной точки к другой происходит в пределах заданной относительной погрешности, т.е. выполняется соотношение где Р;,9; - два текущих соседнихзначения задаваемогодавления из диапазонамокс Р мин3 - величина допускаемойотносительной погрешности дискретизации,Решающим фактором, обеспечивающим достижение в предлагаемом устройстве высокой точности при широком диапазоне регулирования, является также то, что по отношению к эф 1095148фективным площадям линий наполненияи стравливания применим принцип супер, -позиции. Это обусловлено тем, чтоотдельные ветви линий наполнения истравливания соединены друг с другомчерез ресиверы большой емкости, поэтому процессы истечения газа черезних происходят независимо друг отдруга. Ридравлическое сопротивлениекаждого канала остается практическинеизменимым даже при значительном 10изменении входного и выходного давления газа, что позволяет назначитькаждой диафрагме некоторое постоянное значение эффективной площади ипри одновременном подключении нес= 15кольких диафрагм их эффективные площади суммировать. Применение принципа суперпозиции позволяет осуществлять эффективную предварительнуюнастройку устройства, заключающуюсяв подборе и установке дроссельныхдиафрагм и определении по экспериментальным данным зависимости, свысокой точность аппроксимирующейвыраже,ние (1).25Таким образом, в предлагаемомустройстве существенно расширяетсядиапазон высокоточного программного регулирования давления газа,На Фиг1 изображена Функциональная схема устройства для регулирования давления газа; на фиг 2 - функ:циональная схема блока управления линиями сброса и подачи;на фиг. 3 - графикнастроечной характеристики устройства.На фигурах обозначено: Р РРР -абсолютное давление газа на входе впроточную камеру, в камере и егопрограммное значение: 1 - относительное давление 7=РР,); Я, - его програм мное значение (р : "ф 1 ; 6 - относи,1., -- ,тельная эФФективная площадь д,6 ф,б 1, 1 - эФфективные площади впус",ф 5ка и выпуска); 2, 2, 2- выхоо2ды блока управления, задающие сигналы в параллельном двоичном коде;бпеР - значение относительной эффективной площади, соответствующей точке 5 Оперехода от регулирования на входек регулированию на выходе и обратноРВЕР-цмоКФ 1 мокс э "11 юкс 1 1 максб- максимальные эффективные площади выпуска и впуска). 55Устройство содержит проточную камеру 1 с линиями подачи и сброса, выполненными в виде параллельных ветвей,в которых установлены наборы калибрсгванных диафрагм 2 и 3, эффективные площади которых изменяются в 2 раза, и подключающие их двухпозиционные клапаны 4 и 5, Раз в проточную камеру 1 поступает из источника питания сжатым газом - баллона б - через редукционный клапан ", давление за которым измеряется с помощью датчика давления 8. Устройство содержит также блок задания 9, присоединенный своим выходом к входу первого делителя 10, другой вход которого связан с датчиком давления 8, а выход через функциональный преобразователь 11 с входом блока 12 управления линиями сброса и подачиБлок управления 12 в свою очередь, состоит из задатчика 13 относительной эффективной площади брей, компаратора 14 и инвертора 15, первого 1 б и второго 17 ключей, управлякщих подачей сигналов соответственно на входы второго 18 и третьего 19 делителей, присоединенных своими выходами к входам первого 20 и второго 21 формирователей кода.Перед началомэксйлуатации устройство настраивается. Настройка, целью которой является подбор из заранее изготовленного набора дроссельных диафрагм таких, эффективные площади которых отличаются в 2 раза, и установка их в устройство, определение числовых значений параметров настроечной характеристики и реализация ее в Функциональном преобразователе 11, осуществляется следующим образом.Первоначально в устройство устанав-, ливаются диафрагмы, отобранные по какому-либо приближенному методу, например путем расчета их геометрической площади, и на устройстве проводится эксперимент по регистрации воспроизводимых в проточной камере значений давления в зависимости от комбинации подключенных дроссельных диафрагм. По результатам эксперимента заполняется таблица, например тач кая, как в случае испытания устройства с диа 11 азоном регулирования 0,2- 32,0 МПа для обеспечения относитель. ной погрешности задания давления в установившемся режиме не более 3 в нем было установлено по 8 входных и выходных дроссельных диаФрагм).Экспериментальные данные исследования устройства с диапазоном регулирования 0,2 - 32,0 МПа приведены в таблице.ю сс % %с сч сч сЧ с о1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1, 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 3 1 1 1 1 11 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 о сЧ м оЪсчм оЪсчм о сЧ м о оа сЧ сЧ м 1 1 1 1 1 1, 1 1 1 1 1 1 1, 1 1 1 1 1 1 1 1 О 1 сЧ 1 3 1 1 1 ,1 1 1- 1.11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1о о б 1 сч 1Х 1 сЧ 33 3 -- 11 1 о 1 1 сЧ 1 1 3 - -1 1 1 1 ь 1 счЭа5Х 1 Х 1х 1Э 1 й 11сб б 1 Э вхб ОХВ 1 МХ33 1 Хй 1 цЪ о в м с с с сЧ атм м м о о о с сч сч сч м м м О 3 -О о оо о о О ч сч О О О О О О О О О О о о о о о о о о о О О О О О о о о00 СЧ СЧ ас ъсч сч сч о о о ъ ъ с СЧ сЧ СЧ съ м м о о о сч сч о сч о 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Ф 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 13 1 111 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 О Ю ОО с о о с сЧ м Ф й. нЧем больше экспериментальных то- чек, тем выше точность получаемых окончательных результатов. Однако на практике достаточно такого количества точек, при котором они сравнительно равномерно распределены по всему диапазону регулирования, и все диафрагмы в процессе эксперимен,та подключаются примерно одинаковое число раз. Данные, приведенные в таблице, являются основой для мате матической обработки с целью определения параметров настроечной характеристики и эффективных площадей дроссельных диафрагм, Для этого предварительно выбираьтся математическая 15 или графическая зависимость, которой будет аппроксимироваться настроечная характеристика устройства. Такой зависимостью, например, может служить кусочно-линейная аппроксимация или формула, полученная на основе эллипти ческой аппроксимации расходной функции лйнии наполнения: а, -а,л 2л с- прю а 2 и -11- са 25 ал )И 45 ОфОфО О ОфО+ 0+0+ = 1(с,а., ар) 000ООкО Офпсо = 1 Ъ 2,а, О р) О ООО ОО д,й, = 1 (Я,аср) О ОО+ О ф О62 к О+= 1 (714, а, с 1 р) О О О О О б, б,.б,=1(оарф 60 67 О Об 46+0 О+Йо 1( ,о 1,С р)7 4 3 о 11 1 65 коэффициенты а, 02 подлежат определению по экспериментальным данным и имеют физический смысл: О, - общий коэффициент расхода устройства, Оа точка перехода с докритического на критический режим истечения во входном дросселе.В общем случае выражение для настроечной характеристики, являющейся функцией, обратной зависимости (,1), имеет вид40с-(,а., ар)(2) где а,ар - коэффициенты, определяемые по экспериментальным данным (при кусочно-линейной аппроксимации 01,., Ор , - координаты точек излома)Выполнение в линиях наполнения и стравливания принципа суперпозиции позволяет на этапе математической обработки данных каждую эксперимен тальную точку задавать в виде уравнения, в котором неизвестными являются эффективные площади дроссельных диафрагм и коэффициенты, т.е, в соот ветствии с таблицей имеет место следующая система уравнений: 6 5 64 3 2 1 а (3 а"Р)бьб 64+Й+62 ФО 0.1(1("1701 "Ор)О 6 боО 6 + 6, 6 а =18 ( ,ц 1 ар) О О ф О фб 41 042+к фкао =11(,аскр) где Ь, 67 - относительные эффективные площади выпускных диафрагм 1 к=Бак 57 ак " = О 7 бк эф фективная площадь К -ой выпускной диафрагмы);67 - относительные эффективные площади впускныХ диафрагм (б 57 к : О7 5 - эффективаи максная площадь К -ой впускной диафрагмы)- вычисленное значение относи тельного давления в-ой экспериментальной точке.Система решается путем минимизации по исходным неизвестным средне квадратичной ошибки Б:+ , .6 (7 а,ар) (где б, б - суммы относительныхЕт к Е 1эффективньх площадей впускных и выпускных диафрагм в 7 -ой и-ой строке.Решение можно осуществить с помощью ЭВИ, например на основе стандартного математического обеспечения ЕС ЭВМ, используя подпрограьщы РМСС, ОСАК, БЕЙСЯ. В этом случае поиск минимума Е градиентным методом можно вести по переменным 07 ор, а неизвестные относительные эффективные площади определять в качестве промежуточных переменных путем решения системы (3) по методунаименьших квадратов. Результатом математической обработки с помощью ЭВИ являются числовые значения коэфФициентов О ар и относительных эффективных площадейд-. 6167 67, по которым делается вйвод, насколько точно происходит изменение площадей диафрагмы в 2 раза. После этого производят оценку точности настройки,.для чего вновь решается система (3), но в предположении, что соответствующие эффективные площади дроссельных диафрагм отличаются в 2 раза, т.е. при решении учитываются дополнитель ные соотношения:.бс=2 бк-Фк=к-(К=4., Л.Точность настройки оценивается либо по величине Е , либо построением графика настооечной характеристи50 По заданной программной величине Гр, поступающей с блока задания, и величине давления Ро на входе в рабочую полость (проточную) камеру 1, измеренной с помощью датчика 8, в делителе 10 определяется величина относительного давления ип. По указанной величине в функциональном преобразователе 11, воспроизводящем настроечную характеристику устройства, 60 вырабатывается значение д относительной эффективной площади, которое передается на первый вход компаратора 14, на второй вход которого с задатчика 13 подается величинабпе,. 65 ки (фиг. 3) с нанесенными экспериментальными значениями. Если разброс экс. периментальных точек относительно настроечной характеристики велик, что эквивалентно большой величине Е , то точность настройки неудовлетворительная, Тогда в настраиваемом устройстве производят замену дроссельных диафрагм, вычисленные эффективные площади которых не соответствуют последо= вательному изменению всех площадей в 2 раза, и вновь повторяют всю последовательность операций настройки, начиная с эксперимента, до тех пор, пока не будет достигнута максимальная или требуемая точность. Если 15 максимальная достигнутая точность не удовлетворяет предъявляемым к устройству требованиям, ее можно повысить, добавляя в линии наполнения и стравливания новые ветви. Данная процеду ра настройки позволяет минимизировать влияние случайных отклонений и ошибок имеющих место при измерении экспериментальных значений давления, изготовления дроссельных диафрагм и действие 25 других случайных факторов. Кроме того проведение экспериментов по снятию данных непосредственно на настраиваемом устройстве и в условиях его предстоящей эксплуатации позволяет значи- З 0 тельно повысить точность регулирования вследствие учета особенностей его конструкции и снижения влияния факторов внешней среды (например, давления и температуры окружающего воздуха). Точность описанной итерационной процедуры настройки определяется в основном техническими характеристиками используемых на этапе проведения эксперимента измерителей давления. Так как настройка устрой ства проводится один раз на длительный период и может быть проведена в лабораторных условиях, то для замера давления можно использовать высокоточное лабораторное оборудова ние, что в итоге положительно сказывается на точности программного регулирования давления.Во время эксплуатации устройство работает следующим образом. Значениебпе определяется отношениеммаксимальных площадей выпускабП,Цмакси впуска 56В зависимости от знака разности 6 бпе на выходе компаратора открывает,ся ключ 17(6- бп Р ) 0) , или ключ 16(ф-Ь сО) и величинаб проходит либона делитель 19, либо на делитель 18,на другие входы которых постоянноподаетсяблер Когда ключи 16 или 17закрыты, йа их выходах установленавел.кчина, равнаябер, что приводитк появлению на выходе соответствующего делителя 18 или 19 максимального сигнала, равного единице.Формирователь 20 или 21 параллельного двоичного кода осуществляет преобразование поступающего на него сигнала в пропорциональную величину,задаваемую совокупностью разрядов вдвоичной системе исчисления, т.е.работает как аналого-цифровой преобразователь. При задании на входе формирователя единицы вырабатываетсямаксимальная величина, т.е, появляются сигналы во всех разрядах, и, следовательно, на всех выходах формирователя. Таким образом, при регулировании на входеф-бпе 0) ключ 1, открыт, а ключ 16 закрыт, формирователь20 вырабатывает максимальную величинучто вызывает срабатывание всех клапанов 5 линии сброса и воспроизведениебы= Б; -совЫ; на выходе делителя 19вырабатывается сигнал 55 кс как результат делениямие и б, которыйпосле преобразования его в параллельный двоичный код формирователем 21вызывает подключение соответствующихдиафрагм 2 на входе в камеру 1, сумма эффективных площадей которых позволяет воспроизвести требуемоезначение о . В проточной камере 1 засчет создания соответствующих величин прихода и расхода с точностью,определяемой в основном настройкойустройства, устанавливается значениедавления 9, равное Рпр . Регулирование на выходе (6-бс к О ) осущест вляпепется аналогично. Разделение его рабочего диапазона на области регулиРованиЯ на входе(55 ц ,.сопэ,б-чогани на выходе(ббт макс = поп 1. 5 1-"опозволяет обеспечить максймум разрешающей способности дискретного регулятора, т.е. минимум погрешности квантования,Использование предлагаемого устройства позволяет получить следующиетехнико-экономические преимущества посравнению с известными устройствами.Обеспечивается значительное расширение диапазона высокоточного программного регулирования давления газа,при этом требования расширения диа1095148 13 у(КВцпаНОи ОцщВЯНОЯ ЯР ППО г,д Заказ 3596/29 Тираж 842 Подписн И ал ППП "Патен ужгород, ул. Проектная,4 назона и повышения точности регулирования не противоречат друг другу.Задача расширения диапазона регулирования при одновременном обеспечении высокой точности в предлагаемом устройстве решается простыми средства - 5 ми: увеличением числа вет вей линий н апол нения и стравливания, а не путем применения в процессе эксплуатации высокоточного измерительного оборудования, что положительно сказывается 10 14на повышении надежности и снижений стоимости в среднем на 20 Пред гаемое устройство обладает лучшими возможностями по проведению коррекции его динамических свойств и реализации в нем различных оптимальных алгоритмов управления, например по быстродействию. Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает высокую надежность работы в условиях повышенных электрических шумов и вибраций.