气体流量控制技术的研究现状

郭秀荣， 杨季彪

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

气体流量控制技术广泛应用在汽车、化工、石油、钢铁、医疗等领域，在相应产品生产、制造及使用过程中都可能需要对气体的流量进行控制，例如汽车发动机进气流量控制、天然气输送流量控制等。近年来，随着科研人员在气体流量传感元件和先进控制理论两个方向取得了重大突破，气体流量控制技术有了显著提高。

随着科学技术的发展，流量控制技术也在与时俱进，控制精度也在不断提高。气体流量控制首先要实现精准的测量，再实现精确的控制。因此，气体流量控制技术的发展主要集中在流量传感器、控制器这两大领域。

1 流量传感器的发展

气体流量传感器也叫气体流量计，用来测量介质气体的质量流量。质量流量的测定方法主要有体积式、质量式两种[1]。体积式流量计测量的气体体积流量最后还需转化为质量流量，转化计算时需要考虑信号密度、温度、大气压强等因素，因此精度较低，而且维修成本高，已逐渐被市场淘汰。质量流量计凭借其精度高、响应时间短、体积小、价格低等优点吸引了大量的研究人员对其进行研究。

气体质量流量计主要分为热式、差压式两类[2]，但由于热式质量流量计在精度、量程比、压损、安装便利性等方面相比差压式更具优势，因此主要对热式质量流量计进行研究。

热式质量流量计的工作原理是在有温度梯度的温度场中，介质流动时会带走一定的热量，且在单位时间内带走的热量和介质的质量流量成比例关系[3]，一般的热式质量流量计都是基于此原理制成的。

国内热式质量流量计的发展起步较晚，目前国内质量流量计的产业整体水平与国外相比还存在一定差距，许多高精度的质量流量计仍需从国外进口。西门子、博世等国际巨头占据了大部分市场[4]。但随着我国整体工业实力的飞速提高，以及科研人员的不懈努力，国产的热式质量流量计正在快速缩小与国外同类产品的差距[5]。

煤科集团沈阳研究院有限公司工程师徐洋等[6]设计了一种热隔离式MEMS气体流量传感器系统，该系统基于复合支撑薄膜电调制红外辐射源，是单片式电容硅基微传声器，借助接口连接微孔粉尘过滤、低温除湿器，实现MEMS与IC集成。在应用方面对光源灵敏度的检测得到了进一步优化。

中国科学院王珊珊等[7]利用1-D数学模型优化了传感器的结构尺寸，根据优化的实验数据设计制造出P+Si/Au热电堆式气体流量传感器，并测得传感器归一化灵敏度为481[mV/(m/s)]/W，该灵敏度值比未优化之前测得值要高出数倍。

中国计量大学赵伟国等[8]在热传递原理的基础上，设计了一款大量程的气体流量传感器。通过FLUENT仿真分析和权重法计算出传感器的最优结构数据，根据温度对传感器的影响，对传感器元件加入气体介质温度自动补偿，试验结果表明该传感器的量程为0.4～130 m3/h，测量误差优于1.5%。

Yixiang Bian等[9]利用板球的高度灵敏气流接收器原理，设计了电极压电金属芯纤维(MPMF)，通过试验发现在3D空间中，两个MPMF阵列的四个输出信号可以形成三个“8”字形球状体，同一气流的检测信号都位于球面上。据此可得出两个MPMF阵列足以检测所有三个维度上的气流速度和方向。

东北大学王鹏[10]将光纤传感原理和气体流速测量理论相结合，针对管道小流速气体的测量，设计了一款基于热式原理的新型高灵敏度光纤气体流速传感器，该传感器以0～8 m/s流速范围的气体为试验对象，测出的光谱移动距离约为4.95 nm，是光栅热式流速传感器的近4倍，在0～1 m/s的低流速范围内，传感器的灵敏度能够达到2.574 nm/(m/s)，对应流速分辨力为0.008 m/s。

在国外，瑞士、加拿大、荷兰、欧美及日本等国家的气体流量传感器技术处于国际领先水平，他们凭借其先进的半导体技术大力发展热式流量传感器，并已取得了喜人的成果。例如：加拿大SAILSORS(塞尔瑟斯)的TF系列热式气体流量计，德国赛多利斯热式气体流量计，美国HoneyWell的CMS系列和AMW系列等气体质量流量计[11]。国外的质量流量计由于其较高的气体质量测量精度，适用场合多，以及具有稳定可靠的性能，其在市场的价格非常高。

总之，气体流量计的发展方向主要集中在以下几个方面：

(1)微型化和智能化：利用芯片集成技术的发展可实现其体积微小化，将不同的信号电路集成在同一芯片上，通过数字转化与微机相连，可实现流体的智能测试。

(2)多功能化：将气体流量测量、压力测量、温度测量等多种功能集中在一起，利用新技术、新材料研制多功能集成传感器。

(3)其他方向：要求结构简单，利于维护，量程比宽，可靠性高等，还需要考虑传感器的成本因素。

2 气体流量控制器的相关研究

气体流量控制器是控制系统的核心，也是控制系统中最为困难和复杂的部分，控制器的发展从原始的手动控制到简单的微机信号控制再到现在结合多种算法的智能控制。

黑龙江科技学院刘春生等[12]将模糊控制技术结合到单片机中，通过与相应控制元件组合，可对气体流量在线测控。该控制器具有可靠性高、结构简单、成本低等优点，但存在稳态误差，其性能需要进一步提高。

中国科学院微电子研究所刘景康等[13]利用模糊PID控制规则，设计了一款新型的呼吸机流量控制系统，该系统输出流量的有效范围在7～180 L/min之间，且系统稳态误差≤±4%，响应时间控制在30 ms以下，系统输出流量稳定，鲁棒性较强，满足人们呼吸时的需要。

中南大学黄运生等[14]为了解决铁矿石冶金性能测定过程中，气体流量控制系统的非线性、时域不定等问题，将模糊控制和常规PID结合，设计了一款模糊自适应PID控制器，通过试验验证该控制器对还原气体流量具有良好的控制效果。同时，在MATLAB的Simulink模块对模糊自适应PID和常规PID进行仿真，结果证实模糊自适应PID具有更快的响应速度和更小的稳态误差，并且对非线性的控制对象，鲁棒性和自适应能力都较强，比较适合一般的工业时滞系统。

中国航天空气动力研究院尼文斌等[15]为了完成FDxx风动风速控制系统的风速控制指标，在风速控制系统中加入了自适应在线遗传算法的PID参数整定算法，能快速建立流场，且能保证流场稳定时间。通过FDxx风洞风速调试数据表明自适应遗传PID算法在流场调速中，鲁棒性和适应力都较强，风洞参数对控制效果几乎无影响。

中北大学刘隆[16]通过将模糊理论和神经网络相结合对发动机进气系统分别设计了积分分离PID控制算法、神经网路PID控制算法、模糊PID控制算法、模糊神经网络控制算法为核心的四种控制器，并对这四种控制器在平均值模型上进行了离线仿真测试，对应的仿真结果如图1所示，依据对应的实验效果图得出的结论见表1。

图1 模糊神经网络与PID模糊PID和BP神经网络PID仿真对比

表1 不同算法的控制器试验结果对比

Liu Hongbo等[17]将线性控制器(PID)和模糊控制器(FUZZY)相结合，设计了一款模糊-PID双重复合控制器，该控制器可针对不同的控制环境进行线性控制和模糊控制的稳定切换，模糊控制器比例因子的初始整定可由PID控制器参数整定得到，大大简化控制器中模糊模块的设计。某厂300 MW机组实际检测结果表明，该PID-FUZZY控制器对过热蒸汽温度控制具有适应性和控制力强等优点。

中国航空工业集团公司第603研究所代井波等[18]将神经网络(DRNN)控制算法和PID控制相结合实现了高速气体流量的精确控制，具有较高的应用价值。

中国船舶重工集团公司高慧中等[19]在分析鱼雷体燃料动力系统动态流量控制性能的基础上，使用增量式PID控制算法来控制气体流量，并在以工质氮气和氢气为原料的模拟燃料比例的模拟试验系统中，加入该控制算法为核心的控制器。通过测量其阶跃响应时间和比例控制精度，证实了此算法在阶跃响应负载和随流联动控制都具有较好的阻尼效果，能快速达到系统的控制需求，且稳定性较高。

清华大学Tan Shiyong等[20]基于Box-Jenkins模型的控制器设计，实现了调节和跟踪控制。这个问题的最大挑战在于将Box-Jenkins模型的复杂噪声项嵌入控制律中。为了解决这个问题，建立了一种新颖的控制方法，辅以广义最小变量控制为准则，并引入了一种巧妙的Diophantine方程[21]设计来处理复杂的噪声项。此外，该控制方法可以应用于非最小相位系统，并允许任意的极点放置，使设计人员能够实现所需的动态响应，而且设计相应的计算算法来确定控制器中的多项式。最后，将该控制器应用在气体流量控制系统上，证实了该控制方法的正确性和有效性。

气体流量控制器的发展主要在于先进控制理论的进步，PID控制特点是结构简单、适应性强、鲁棒性强，但不适于时变的控制系统。模糊控制最大的特征就是将专家的控制经验和知识表示成语言控制规则，适用于不需要精确数学模型、复杂、非线性的控制系统。神经网络控制主要是为了解决复杂非线性、不确定系统在未知环境中的问题，使控制系统达到相应的动态和静态性能。不同控制理论的相互结合，可实现其优势互补，是控制器发展的主要方向。另一方面，人们也在新的控制算法上进行了不断地研究和探索。

3 结论

气体流量控制技术在传感器元件和控制器两个方向都有飞速的发展，在传感器方面正朝着智能化、微型化、响应快、可靠性高等方向发展，在控制器控制理论上，一方面在传统的控制算法中加入不同的算法实现其优势互补，另一方面，在新的控制算法上进行不断探索和研究。结合两者的发展状况，得出未来气体流量控制技术正朝着智能化、可靠性高、响应速度快、成本低廉、控制范围大、准确度高等方向快速发展。