[科普中國]-水壓控制

水壓是指水的壓強(qiáng)，是作用在單位面積上的水壓力，通用單位’‘帕‘’。

水壓控制是指掌握水的壓強(qiáng)，不越出操縱的范圍。

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(shè)備工作環(huán)境中外部水壓的動態(tài)變化過程，檢驗密封裝置的密封性能，提出一種基于電液力控制的水壓控制方法。設(shè)計并建立包含壓力傳遞裝置、電液力控制系統(tǒng)等部分的較大密閉容腔水壓控制系統(tǒng)。通過分析系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，提出“Fuzzy+PID”復(fù)合控制策略進(jìn)行水壓控制。在建立的實驗系統(tǒng)上進(jìn)行實驗研究。實驗結(jié)果表明，水壓可控范圍為0.1～10MPa，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.04MPa，壓力無失真斜坡跟蹤最大速率可達(dá)±2MPa/s。1

水壓控制原理及關(guān)鍵部分設(shè)計水的體積彈性模量很大、幾乎不可壓縮，對于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(nèi)部水壓；根據(jù)這一性質(zhì)，提出基于電液力控制的水壓控制方法，建立整個水壓控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由集成式電液控制器、電液力控制系統(tǒng)、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(tǒng)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。集成式電液控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的水壓控制信號與壓力容腔內(nèi)的水壓反饋信號，經(jīng)相應(yīng)的控制算法處理后，調(diào)整電液力控制系統(tǒng)的輸出油壓。油壓通過壓力傳遞裝置傳給密閉壓力容腔內(nèi)的水，通過改變密閉壓力容腔的容積，使水壓隨之變化，最終水壓與油壓處于平衡狀態(tài)，達(dá)到目標(biāo)值。1

PID+Fuzzy復(fù)合控制策略通過分析系統(tǒng)的狀態(tài)方程式可知，水壓控制系統(tǒng)為對稱閥控單容腔系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的非線性，控制器的設(shè)計難度較 大。采用反饋線性化的思想可以簡化控制器的設(shè)計，提高系統(tǒng)控制精度，但需要知道精確的系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)參數(shù)。Yao等提出自適應(yīng)魯棒控制在變參數(shù)的情況下，仍可減少控制誤差、提高控制精度，但控制器的設(shè)計與實現(xiàn)復(fù)雜。Fuzzy（模糊控制）具有不依賴于控制對象模型、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，已得到廣泛的應(yīng)用，但單純的模糊控制無法消除終值附近的靜差?？紤]到PID控制具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點，結(jié)合兩者的優(yōu)點，采用“Fuzzy+PID”的復(fù)合控制策略進(jìn)行控制，系統(tǒng)控制中，pr為目標(biāo)水壓，pl為實際水壓。在誤差較大時進(jìn)行模糊控 制，抑制系統(tǒng)的超調(diào)；誤差較小時切換至PID控制，消除系統(tǒng)靜差、提高穩(wěn)態(tài)控制精度。1

水壓控制實驗為了驗證基于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(tǒng)上進(jìn)行實驗研究。電液力控制實驗系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)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(wěn)態(tài)壓力控制實驗?？刂茐毫Ψ謩e取0.1、5、10MPa。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)控制壓力低于0.1MPa時，系統(tǒng)壓力波動較大，處于不可控狀態(tài)。結(jié)果表明，在0.1～10MPa的可控壓力區(qū)間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)誤差為±0.04MPa，穩(wěn)態(tài)水壓控制精度高。

2）壓力階躍響應(yīng)實驗?？刂扑畨悍謩e從1到5MPa、1到10MPa階躍，采用PID、Fuzzy、Fuzzy+PID3種不同控制策略進(jìn)行對比實驗。結(jié)果表明：PID控制響應(yīng)最快、穩(wěn)態(tài)誤差小，但超調(diào)量大；Fuzzy控制超調(diào)量最小，響應(yīng)速度居中，但穩(wěn)態(tài)誤差大；“Fuzzy+PID”復(fù)合控制響應(yīng)速度與Fuzzy相當(dāng)，超調(diào)量比PID控制小，穩(wěn)態(tài)誤差比Fuzzy控制小。

較大的壓力超調(diào)對密封裝置的損傷較大，在模擬實驗時是不允許的；采用“Fuzzy+PID”的控制策略能夠同時滿足控制精度與超調(diào)量小的要求。

3）不同壓力變化速率斜坡跟蹤實驗。當(dāng)壓力控制信號分別以±0.05、±0.5、±2MPa/s變化時，實驗結(jié)果表明：當(dāng)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(dá)穩(wěn)態(tài)時的超調(diào)量也略微增大；在壓力下降階段，當(dāng)壓力變化率較小時跟蹤性能好，當(dāng)壓力變化率為－2MPa/s時，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)控制目標(biāo)壓力附近時跟蹤誤差較大。1

復(fù)合型超快冷水壓控制策略的建立及應(yīng)用以某廠新建的軋后超快冷設(shè)備為研究對象，針對常規(guī)PID控制水壓時存在開水調(diào)整時間長、頭尾遮蔽時水壓偏差大及關(guān)水水壓過高的問題，建立了多補(bǔ)償復(fù)合型水壓控制策略，并應(yīng)用于軋后超快冷生產(chǎn)。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(guī)程的實現(xiàn)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(chǎn)成本。2

超快冷水壓控制策略的建立變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)通常采用PID控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。以某中厚板廠變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用比例積分控制，水壓調(diào)節(jié)目標(biāo)為 （0.50±0.02）MPa。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)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(shè)備開水時，冷卻規(guī)程設(shè)定的各氣動調(diào)節(jié)閥快速打開，單純的PID控制難以及時響應(yīng)，水壓迅速下降至P1。如果為提高響應(yīng)速度將參數(shù)調(diào)整，又會出現(xiàn)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(jìn)入噴嘴；鋼板頭部過噴嘴后流量恢復(fù)正常設(shè)定值；鋼板尾部離開噴嘴時，噴嘴流量減小。流量遮蔽轉(zhuǎn)換過程中，氣動調(diào)節(jié)閥瞬間調(diào)整，水壓會發(fā)生波動。從狀態(tài)A轉(zhuǎn)換到狀態(tài)B時，PID控制的水壓來不及響應(yīng)，壓力降低0.09MPa，即水壓下降至P2值。從狀態(tài)B轉(zhuǎn)換為狀態(tài)C時，調(diào)節(jié)閥關(guān)小，水壓上升，即水壓上升至P3值。與傳統(tǒng)電動調(diào)節(jié)閥配置相比，氣動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)速度快，作用于分流集水管的瞬間擾動更大。

在關(guān)水過程中，PID控制的響應(yīng)速度也不理想，在用水量大時，會發(fā)生超過安全壓力的現(xiàn)象。單獨的PID控制策略已經(jīng)無法保證鋼板冷卻規(guī)程的精確執(zhí)行和設(shè)備安全。為解決這個問題，建立了多補(bǔ)償復(fù)合型水壓控制策略。2

多補(bǔ)償復(fù)合型水壓控制策略的應(yīng)用多補(bǔ)償復(fù)合型水壓控制策略已成功應(yīng)用于某中板軋后超快冷生產(chǎn)線，解決了該生產(chǎn)線開水調(diào)整時間長、頭尾遮蔽時水壓偏差大和關(guān)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(chǎn)的穩(wěn)定性。

由多補(bǔ)償復(fù)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，采用多補(bǔ)償復(fù)合型水壓控制策略后，開水調(diào)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(zhuǎn)換過程水壓最大變化量從0.09MPa降低至0.03MPa；關(guān)水時，前饋降頻既節(jié)省了電耗，又防止了超高水壓對設(shè)備的損害。

常規(guī)PID控制與多補(bǔ)償型復(fù)合控制策略使用情況對比可以看出，多補(bǔ)償復(fù)合型水壓控制策略較常規(guī)PID控制大大縮短了水壓調(diào)節(jié)時間，提高了鋼板冷卻過程水壓的控制精度，為生產(chǎn)冷卻規(guī)程精度要求較高的減量化品種提供了重要保障。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王慧維 - 副研究員 - 西南大學(xué)