一种基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法
阅读说明：本技术 一种基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法 (Laminar flow quality and flow control system and control method based on cascade control ) 是由 张龙娟 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：一种基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法,包括层流元件、集成传感器、电子控制部分、高压侧检测口、低压侧检测口、调节阀、连接管道一、副控制回路压力传感器、连接管道二、第二温度传感器。当流量设定值与检测值有偏差时,该偏差送入主控制器,主控制器经过计算输出压力设定值,该设定值与压力检测值比较后其偏差送给副控制器,副控制器经过计算输出控制信号给调节阀,使压力达到设定值。接着进一步调节流量值并检侧,流量设定值与该检测值比较后,其偏差送入主控制器进一步调节流量,如此循环往复,使流量达到设定值。本发明具有抗干扰能力强、控制精度高、稳定性好、超调小、过渡过程短、收敛速度快的特点。(A laminar flow quality and flow control system based on cascade control and a control method thereof comprise a laminar flow element, an integrated sensor, an electronic control part, a high-pressure side detection port, a low-pressure side detection port, a regulating valve, a first connecting pipeline, a secondary control loop pressure sensor, a second connecting pipeline and a second temperature sensor. When the flow set value has deviation with the detected value, the deviation is sent to the main controller, the main controller outputs the pressure set value through calculation, the deviation of the set value after being compared with the pressure detected value is sent to the sub controller, and the sub controller outputs a control signal to the regulating valve through calculation to enable the pressure to reach the set value. And then further regulating the flow value and detecting the flow value, comparing the flow set value with the detected value, and then sending the deviation to the main controller to further regulate the flow, and repeating the steps in such a way to enable the flow to reach the set value. The invention has the characteristics of strong anti-interference capability, high control precision, good stability, small overshoot, short transition process and high convergence speed.)
技术领域
本发明涉及流量测量及控制技术领域，具体涉及一种基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法。
背景技术
层流质量流量控制器或控制系统是很多工业控制领域的重要部件，对很多工业产品的质量具有重要影响。然而，由于在层流质量流量控制器或控制系统的实际运行中，经常出现强干扰，例如，管道中的压力经常出现较大的波动等情况，常常会导致流量的控制精度、稳定性等出现明显下降。这种在强干扰下，层流质量流量控制器或控制系统具有的控制精度低、稳定性差的缺点，又导致层流质量流量控制器或控制系统在很多应用场所达不到使用要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法，基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法产生的控制效果具有抗干扰能力强、控制精度高、稳定性好、超调小、过渡过程短、收敛速度快的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于串级控制的层流质量流量控制系统，包括层流元件（1）、集成传感器（2）、电子控制部分（3）、高压侧检测口（15）、低压侧检测口（16）、调节阀（12）、连接管道一（14）、副控制回路压力传感器（13）、连接管道二（17）、第二温度传感器（18）。
层流元件（1）设有低压侧检测口（16）及高压侧检测口（15）；低压侧检测口（16）及高压侧检测口（15）连接集成传感器（2）；层流元件（1）两端与连接管道一（14）、连接管道二（17）相连；连接管道一（14）上设有副控制回路压力传感器（13），前端连接调节阀（12）；连接管道二（17）上设有第二温度传感器（18）；所述的集成传感器（2）、调节阀（12）、副控制回路压力传感器（13）及第二温度传感器（18）与电子控制部分（3）连通。
所述的电子控制部分（3）包括主控制器（4）、副控制器（5）、A/D转换器（7）、D/A转换器（6）、存储器（8）、通信模块（10）、电源模块（9）、显示屏（11）；主控制器（4）连接通信模块（10）、副控制器（5）、A/D转换器（7）、存储器（8）、电源模块（9）、显示屏（11）及第二温度传感器（18）；A/D转换器（7）连接主控制器（4）、副控制器（5）、集成传感器（2）及副控制回路压力传感器（13）；D/A转换器（6）连接调节阀（12）。
集成传感器（2）包括压力传感器、压差传感器、第一温度传感器三个部分。集成传感器与高压侧检测口（15）、低压侧检测口（16）相连接，集成传感器（2）检测高压侧检测口（15）、低压侧检测口（16）的压力、压差和温度信号。这些检测信号通过电子控制部分（3）的A/D转换器（7）送入主控制器（4）。
流体依次流过调节阀（12）、连接管道一（14）、层流元件（1）、连接管道二（17）；
连接管道一（14）上安装有副控制回路压力传感器（13），该压力传感器检测阀门出口处的压力值，副控制回路压力传感器（13）的信号送入A/D转换器（7），经A/D转换器（7）转换后送入副控制器（5）；
连接管道二（17）上安装有第二温度传感器（18），第二温度传感器（18）的信号送入主控制器（4）；
副控制器（5）的输出信号经过D/A转换器（6）后送入调节阀（12），以调节阀门（12）的开度。
由于管道中的压力经常波动，这种压力波动对流体的流量控制造成很大影响，为了提高流体流量的控制性能，本发明采用串级控制技术控制流体的流量。
本发明的串级控制系统包括主控制器、副控制器、D/A转换器、调节阀、副被控对象、主被控对象、A/D转换器、副控制回路压力传感器、流量检测组成部分。
其中，副控制器、D/A转换器、调节阀、副被控对象、A/D转换器、副控制回路压力传感器组成副控制回路。
主控制器、副控制回路、主被控对象、流量检测组成主控制回路。
副控制回路的主要作用是使压力达到设定值，主控制回路的主要作用是使流量达到设定值。
A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。
一种基于串级控制的层流质量流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当流量设定值与流量检测值出现偏差时，该偏差值送入主控制器，主控制器经过计算，输出压力设定值，该压力设定值与副控制回路的压力检测值进行比较后，其偏差送给副控制器，副控制器经过计算，输出控制信号给D/A转换器，由D/A转换器将数字量转换为模拟量之后送给调节阀，调节阀接收该信号后，通过改变阀门开度并经副被控对象来调节压力值，该压力由副控制回路压力传感器检测后经过A/D转换器转换为数字量，得到压力值，主控制器输出的压力设定值与副控制回路的压力检测值进行比较，其偏差送入副控制器，进一步调节压力，如此循环往复，使压力达到设定值。当压力达到设定值，通过主被控对象进一步调节流量值，并对流量值进行检侧，得到流量检测值，流量设定值与该流量检测值进行比较后，其偏差送入主控制器，经副控制回路和主被控对象，进一步调节流量，如此循环往复，使流量达到设定值。
所述的串级控制过程中，流量检测值由副回路压力传感器的检测值、第二温度传感器的检测值、集成传感器中的压力传感器检测值、压差传感器检测值、第一温度传感器检测值经过计算得到。
所述的副控制器可以独立设置或不设置副控制器；若不设置副控制器，调节阀（12）由主控制器控制。
所述的副控制回路压力传感器可以独立设置或不设置副控制回路压力传感器；若不设置副控制回路压力传感器，由集成传感器中的压力传感器实现集成传感器的压力检测及副控制回路压力传感器的压力检测。
本发明的有益效果是：
基于串级控制的层流质量流量控制系统及控制方法具有抗干扰能力强、控制精度高、稳定性好、超调小、过渡过程短、收敛速度快的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的串级控制系统的结构原理图。
其中，1为层流元件；2为集成传感器；3为电子控制部分；4为主控制器；5为副控制器；6为D/A转换器；7为A/D转换器；8为存储器；9为电源模块；10为通信模块；11为显示屏；12为调节阀；13为副控制回路压力传感器；14为连接管道一；15为高压侧检测口；16为低压侧检测口；17为连接管道二；18为第二温度传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步叙述。
如图1所示，一种基于串级控制的层流质量流量控制系统，包括层流元件（1）、集成传感器（2）、电子控制部分（3）、高压侧检测口（15）、低压侧检测口（16）、调节阀（12）、连接管道一（14）、副控制回路压力传感器（13）、连接管道二（17）、第二温度传感器（18）。其特征在于，层流元件（1）设有低压侧检测口（16）及高压侧检测口（15）；低压侧检测口（16）及高压侧检测口（15）连接集成传感器（2）；层流元件（1）两端与连接管道一（14）、连接管道二（17）相连；连接管道一（14）上设有副控制回路压力传感器（13），前端连接调节阀（12）；连接管道二（17）上设有第二温度传感器（18）；
所述的集成传感器（2）、调节阀（12）、副控制回路压力传感器（13）及第二温度传感器（18）与电子控制部分（3）连通。
所述的电子控制部分（3）包括主控制器（4）、副控制器（5）、A/D转换器（7）、D/A转换器（6）、存储器（8）、通信模块（10）、电源模块（9）、显示屏（11）；主控制器（4）连接通信模块（10）、副控制器（5）、A/D转换器（7）、存储器（8）、电源模块（9）、显示屏（11）及第二温度传感器（18）；A/D转换器（7）连接主控制器（4）、副控制器（5）、集成传感器（2）及副控制回路压力传感器（13）；D/A转换器（6）连接调节阀（12）。
集成传感器（2）包括压力传感器、压差传感器、第一温度传感器三个部分。集成传感器与高压侧检测口（15）、低压侧检测口（16）相连接，集成传感器（2）检测高压侧检测口（15）、低压侧检测口（16）的压力、压差和温度信号。这些检测信号通过电子控制部分（3）的A/D转换器（7）送入主控制器（4）。
流体依次流过调节阀（12）、连接管道一（14）、层流元件（1）、连接管道二（17）；
连接管道一（14）上安装有副控制回路压力传感器（13），该压力传感器检测阀门出口处的压力值，副控制回路压力传感器（13）的信号送入A/D转换器（7），经A/D转换器（7）转换后送入副控制器（5）；
连接管道二（17）上安装有第二温度传感器（18），第二温度传感器（18）的信号送入主控制器（4）；
副控制器（5）的输出信号经过D/A转换器（6）后送入调节阀（12），以调节阀门（12）的开度。
由于管道中的压力经常波动，这种压力波动对流体的流量控制造成很大影响，为了提高流体流量的控制性能，本发明采用串级控制技术控制流体的流量。
本发明的串级控制系统包括主控制器、副控制器、D/A转换器、调节阀、副被控对象、主被控对象、A/D转换器、副控制回路压力传感器、流量检测。
其中，副控制器、D/A转换器、调节阀、副被控对象、A/D转换器、副控制回路压力传感器组成副控制回路。
主控制器、副控制回路、主被控对象、流量检测组成主控制回路。
副控制回路的主要作用是使压力达到设定值，主控制回路的主要作用是使流量达到设定值。
A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。
具体控制过程如下：当流量设定值500ml/min与流量检测值490.7 ml/min出现偏差时，该偏差值9.3 ml/min送入主控制器，主控制器经过计算，输出压力设定值为112.5KPa，该压力设定值与副控制回路的压力检测值 102.3 KPa进行比较后，其偏差10.2 KPa送给副控制器，副控制器经过计算，输出控制信号给D/A转换器，由D/A转换器将数字量转换为模拟量电压信号10.2 V之后送给调节阀，调节阀接收该信号后，通过改变阀门开度并经副被控对象来调节压力值，该压力由副控制回路压力传感器检测后经过A/D转换器转换为数字量，得到压力值为110.3KPa，主控制器输出的压力设定值112.5 KPa与副控制回路的压力检测值110.3KPa进行比较，其偏差2.2 KPa送入副控制器，进一步调节压力，如此循环往复，使压力达到设定值112.5 KPa。当压力达到设定值，通过主被控对象进一步调节流量值，并对流量值进行检侧，得到流量检测值498.8ml/min，流量设定值500 ml/min与该流量检测值498.8ml/min进行比较后，其偏差1.2 ml/min送入主控制器，经副控制回路和主被控对象，进一步调节流量，如此循环往复，使流量达到设定值500 ml/min。
上述的流量单位ml/min表示毫升/分钟，压力单位KPa表示千帕，电压单位V表示伏特，上述流量指的是标准状况下的流量。
表1为不同设定值时，得到的最终稳态流量的检测值。
上述表1中的流量单位ml/min表示毫升/分钟，上述流量指的是标准状况下的流量。
由表1可以看出，流量设定值与最终稳态流量检测值之间的偏差非常小。
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