气体压力源控制方法研究

　　0 引言

　　本文对气体压力控制器研制的核心问题即气体压力源的控制方法进行研究。

　　目前，气体压力源控制方法总体上可划分为定容积控制方法和变容积控制方法两种。定容积控制方法是通过对定容积容器的充放气即改变定容积容器内气体的质量来实现压力的变化，气动元件的最小流通面积以及充放气的控制能力是制约这种控制方法能够达到的量程和准确度的关键问题。变容积控制方法的压力变化是靠活塞的移动来实现的，容积变化能力以及变化速度等是制约这种控制方法能够达到的量程和准确度的关键。

　　1 理论分析

　　无论是定容积还是变容积气体压力源控制方法，其充放气过程一般应用恒压源 ( 气瓶或大气) 与气容之间的充放气。其最终目标都是使气容快速、准确、稳定地输出目标压力值，因此建立数学模型的对象是气容，环境是恒压源。由于气体本身固有的可压缩性、气体通过阀口流量的非线性以及摩擦力等原因，准确建立气动系统的数学模型并不容易。在建立气容的数学模型时，首先假设气容系统的热力学过程为准平衡过程 ( 因为在工作时气体能够及时地建立一系列力平衡和热平衡，所以可以把气动系统中的热力过程看成是准平衡过程) 。对于准平衡过程，其每一个状态都可以看成是平衡状态，因此有确定的参数。这样，准平衡过程就可以用一个不随时间连续变化的状态参数来描述，为研究系统的热力学过程带来很大的方便。基于上述考虑，作如下假设:

　　1) 在常温常压下，把所研究的工作介质看成理想气体，理想气体状态方程 ( p = ρRT) 也适用于描述流动气体微团内各气体状态参数间的关系;

　　2) 气体流动过程为等熵 ( 可逆绝热) 过程，气容充放气时气体与外界无热量交换，即视为绝热过程;

　　3) 气体经过各阀口流动时忽略粘性阻力的影响，并可以认为气体温度变化对其特性影响很小，即视为等熵绝热过程;

　　4) 认为系统在充放气过程中无凝结现象产生;

　　5) 忽略各处的泄漏。

　　2 两种控制方法的原理及实现途径

　　为了快速、准确、稳定地将气源压力转换成目标压力值，总体控制方案设计成粗调和微调两级控制，粗调到目标压力值附近，再微调到目标压力值。

　　2. 1 定容积控制方法

　　2. 1. 1 定容积控制方法基本原理

　　定容积调节方法是通过增加或减少密闭容器中气体的质量来实现对气体压力的控制，根据克拉珀隆方程

　　式中: n 为摩尔数，与气体的质量有关，在这里是变化的量; R 为气体常数约为 ( 8. 31441 ±0. 00026) J/ ( mol·K) ; T 为绝对温度，K; V 为密闭容器的体积，m3。