[科普中国]-水压控制

水压是指水的压强，是作用在单位面积上的水压力，通用单位’‘帕‘’。

水压控制是指掌握水的压强，不越出操纵的范围。

较大密闭容腔的高精度水压控制为了精确模拟水下特种设备工作环境中外部水压的动态变化过程，检验密封装置的密封性能，提出一种基于电液力控制的水压控制方法。设计并建立包含压力传递装置、电液力控制系统等部分的较大密闭容腔水压控制系统。通过分析系统的数学模型，提出“Fuzzy+PID”复合控制策略进行水压控制。在建立的实验系统上进行实验研究。实验结果表明，水压可控范围为0.1～10MPa，稳态误差为±0.04MPa，压力无失真斜坡跟踪最大速率可达±2MPa/s。1

水压控制原理及关键部分设计水的体积弹性模量很大、几乎不可压缩，对于注满水的较大密闭压力容腔只需改变少许体积即可改变内部水压；根据这一性质，提出基于电液力控制的水压控制方法，建立整个水压控制系统。系统由集成式电液控制器、电液力控制系统、压力传递装置、密闭压力容腔等部分组成，其中压力传递装置与电液力控制系统是系统的关键部分。集成式电液控制器根据预先设定的水压控制信号与压力容腔内的水压反馈信号，经相应的控制算法处理后，调整电液力控制系统的输出油压。油压通过压力传递装置传给密闭压力容腔内的水，通过改变密闭压力容腔的容积，使水压随之变化，最终水压与油压处于平衡状态，达到目标值。1

PID+Fuzzy复合控制策略通过分析系统的状态方程式可知，水压控制系统为对称阀控单容腔系统，具有很强的非线性，控制器的设计难度较 大。采用反馈线性化的思想可以简化控制器的设计，提高系统控制精度，但需要知道精确的系统模型与结构参数。Yao等提出自适应鲁棒控制在变参数的情况下，仍可减少控制误差、提高控制精度，但控制器的设计与实现复杂。Fuzzy（模糊控制）具有不依赖于控制对象模型、实现简单等优点，已得到广泛的应用，但单纯的模糊控制无法消除终值附近的静差。考虑到PID控制具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，结合两者的优点，采用“Fuzzy+PID”的复合控制策略进行控制，系统控制中，pr为目标水压，pl为实际水压。在误差较大时进行模糊控 制，抑制系统的超调；误差较小时切换至PID控制，消除系统静差、提高稳态控制精度。1

水压控制实验为了验证基于电液力控制的水压控制方法的有效性，在建立的水压控制实验系统上进行实验研究。电液力控制实验系统主要技术参数如下：油源压力为12MPa、流量为7L/min；密闭压力容腔容积为22L，允许最高工作压力为12MPa；最高控制水压为10MPa。

1）稳态压力控制实验。控制压力分别取0.1、5、10MPa。在实验中发现，当目标控制压力低于0.1MPa时，系统压力波动较大，处于不可控状态。结果表明，在0.1～10MPa的可控压力区间内的稳态误差为±0.04MPa，稳态水压控制精度高。

2）压力阶跃响应实验。控制水压分别从1到5MPa、1到10MPa阶跃，采用PID、Fuzzy、Fuzzy+PID3种不同控制策略进行对比实验。结果表明：PID控制响应最快、稳态误差小，但超调量大；Fuzzy控制超调量最小，响应速度居中，但稳态误差大；“Fuzzy+PID”复合控制响应速度与Fuzzy相当，超调量比PID控制小，稳态误差比Fuzzy控制小。

较大的压力超调对密封装置的损伤较大，在模拟实验时是不允许的；采用“Fuzzy+PID”的控制策略能够同时满足控制精度与超调量小的要求。

3）不同压力变化速率斜坡跟踪实验。当压力控制信号分别以±0.05、±0.5、±2MPa/s变化时，实验结果表明：当压力变化率从0.05～2MPa/s增加时，上升阶段均能较好地跟踪，随着速率的增大，到达稳态时的超调量也略微增大；在压力下降阶段，当压力变化率较小时跟踪性能好，当压力变化率为－2MPa/s时，在到达稳态控制目标压力附近时跟踪误差较大。1

复合型超快冷水压控制策略的建立及应用以某厂新建的轧后超快冷设备为研究对象，针对常规PID控制水压时存在开水调整时间长、头尾遮蔽时水压偏差大及关水水压过高的问题，建立了多补偿复合型水压控制策略，并应用于轧后超快冷生产。实践表明，该控制策略不仅解决了上述问题，而且提高了冷却规程的实现精度、缩短了开水提前时间，间接减少了冷却水消耗量和供水泵用电量，降低了生产成本。2

超快冷水压控制策略的建立变频调速恒压供水系统通常采用PID控制器进行闭环控制。以某中厚板厂变频调速恒压供水系统为例，该系统采用比例积分控制，水压调节目标为 （0.50±0.02）MPa。经过参数优化，用水量2500m3时，控制效果为PID控制时冷却过程水压控制情况。

超快冷设备开水时，冷却规程设定的各气动调节阀快速打开，单纯的PID控制难以及时响应，水压迅速下降至P1。如果为提高响应速度将参数调整，又会出现控制精度不够的问题。

在冷却过程中，对钢板头部和尾部使用了流量遮蔽。钢板头部以小流量进入喷嘴；钢板头部过喷嘴后流量恢复正常设定值；钢板尾部离开喷嘴时，喷嘴流量减小。流量遮蔽转换过程中，气动调节阀瞬间调整，水压会发生波动。从状态A转换到状态B时，PID控制的水压来不及响应，压力降低0.09MPa，即水压下降至P2值。从状态B转换为状态C时，调节阀关小，水压上升，即水压上升至P3值。与传统电动调节阀配置相比，气动调节阀调节速度快，作用于分流集水管的瞬间扰动更大。

在关水过程中，PID控制的响应速度也不理想，在用水量大时，会发生超过安全压力的现象。单独的PID控制策略已经无法保证钢板冷却规程的精确执行和设备安全。为解决这个问题，建立了多补偿复合型水压控制策略。2

多补偿复合型水压控制策略的应用多补偿复合型水压控制策略已成功应用于某中板轧后超快冷生产线，解决了该生产线开水调整时间长、头尾遮蔽时水压偏差大和关水水压过高的难题，取得了较好的使用效果，保证了超快冷生产的稳定性。

由多补偿复合型水压控制策略的实际使用情况可知，在相同的外界工况条件下，采用多补偿复合型水压控制策略后，开水调整时间缩减了10s，开水过程水压最大变化量从0.18MPa降至0.17MPa；遮蔽转换过程水压最大变化量从0.09MPa降低至0.03MPa；关水时，前馈降频既节省了电耗，又防止了超高水压对设备的损害。

常规PID控制与多补偿型复合控制策略使用情况对比可以看出，多补偿复合型水压控制策略较常规PID控制大大缩短了水压调节时间，提高了钢板冷却过程水压的控制精度，为生产冷却规程精度要求较高的减量化品种提供了重要保障。2

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学