（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的较大容积容器压力控制器的设计.pdf

i _ 1 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o n d e s i g no f t h ep r e s s u r ec o n t r o l l e ro fb i g c o n t a i n e r sb a s e do na r m a t h e s i si n i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y n a m e y o n g h u i t u a d v i s e d b y p r o f y a oe n t a o s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 一 咖40川_50 舢8iiiiy l i l 一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 1 1 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在对飞机上弹性元件的测试中，需要为较大容积的检测设备提供可变且具有较高精度的压 力环境。常规的压力控制器大多用于小容积的被控对象，气路管径小，调节时间长，应用于大 容积对象时，将出现超时调节现象，并且由于电磁阀的高频、长时间动作，将使控制器使用寿 命缩短。 本文提出了设计基于嵌入式a r m 控制器的压力控制器，充放气采用双通道气路结构，以 及f u z z y - p i d 复合控制的控制方法。 首先对空气的热力学性质以及气体的流量特性进行理论研究，建立了一元等熵过程的固定 容积容器充放气数学模型，计算了不同初始条件下的理论充放气时间，并得出了开环状态下初 始容器压力、容器容积管径比、充放气时间三者之间的关系。本文采用了密封性能好、能够满 足p w m 调制对阀门响应频率要求的电磁阀，设计了充放气双通道的气路结构，并介绍了一种 当前较为先进的基于压电效应的气路执行机构。研究了p i d 、f u z z y 控制方法，并根据气压控 制的特点设计了f u z z y p i d 复合控制器。 结合仪器使用的便携性，本文采用p h i l i p s 公司的a r m 7 t d m i s 系列嵌入式控制芯片 l p c 2 2 1 4 为c p u ，完成了最小系统、a d 转换、人机交互及电磁阀门驱动等的硬件电路设计。 软件上以a d s l 2 为开发工具，编写了各功能模块的应用子程序，完成数据的采集、处理和显 示。 最后，通过充放气实验研究，验证了本文所设计的压力控制器对于较大容积容器的压力调 节具有较快的调节速度和较好的控制效果，并与理论值进行比较，分析了产生误差的原因。 关键词：压力控制器，气路结构，f u z z y p i d 控制，压电效应，a r m 控制器 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 a bs t r a c t t h et e s t i n go fe l a s t i cc o m p o n e n ti nt h ep l a n en e e d sat e s te q u i p m e n tt op r o v i d eav a r i a b l ea n d h i g h a c c u r a c yp r e s s u r ee n v i r o n m e n tf o ral a r g e r c o n t a i n e r m o s to ft h ec o n v e n t i o n a lp r e s s u r e c o n t r o l l e r sf o rs m a l lc o n t a i n e rh a v et h ep r o b l e m st h a tt h ea i rc h a n n e l sc a l i b e ri st o os m a l ls ot h a ti ti s t o os l o wf o rr e g u l a t i n gt h ep r e s s u r ew h e nb e i n gi nt h ep r e s s u r ec o n t r o lo f t b eb i gc o n m i n e ra n dal o n g t i m eh i g h - f r e q u e n c ya c t i o nw i l le n a b l ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e st o ol a r g el o s s t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g nt h a tb a s e do na ne m b e d d e da r mc o n t r o l l e r , w i t hd u a l - c h a n n e l c h a r g e - d i s c h a r g eg a s - g a sp a t hs t r u c t u r ea n dt h ef u z z y - p i dh y b r i dc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc h a r g e - d i s c h a r g eg a si na f i x e dv o l u m e o ft h ec o n t a i n e rb ys t u d y i n gt h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fa i ra n dg a sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d c a l c u l a t e dt h ec h a r g e - d i s c h a r g eg a st i m ei nt h e o r yi nd i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n s , i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sw i t h9 0 0 ds e a l i n gp e r f o r m a n c ea n db e i n ga b l et om e e t t h ep w mm o d u l a t i o nf r e q u e n c yr e q u i r e m e n t sa r eu s e d ；a n dac h a r g e d i s c h a r g eg a s - g a sp a t hs t r u c t u r e o fd u a l - c h a n n e la r ed e s i g n e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dam o r ea d v a n c e dc u r r e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i c e f f e c to ft h eg a sl i n ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s a n dd e s i g n e da f u z z y - p i dh y b r i dc o n t r o l l e da c c o r d i n gt o t h et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s u r ec o n t r 0 1 t h ep a p e rc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g no fam i n i m u ms y s t e m , a dc o n v e r s i o n , h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o na n de l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sd r i v ec i r c u i tw i t hp h i l i p sa r m 7 t d m i s e m b e d d e dc o n t r o l l e rc h i pl p c 2 21 4a n dp r o g r a m m e dv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ea p p l i c a t i o nt o c o m p l e t et h ed a t ac o l l e c t i o n , p r o c e s s i n ga n dd i s p l a yw i t hi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tt o o l sa d s 1 2 。 f i n a l l y ，b ys t u d y i n gt h ec h a r g e - d i s c h a r g eg a se x p e r i m e n t st h ep a p e rv e r i f i e dt h ep r e s s u r e c o n t r o l l e rc a nb ea c h i e v e dt or e g u l a t et h ep r e s s u r ee f f e c t i v e l yf o rl a r g e rv o l u m ec o n t a i n e r sa n d a n a l y s e dt h ec a u s e so f e r r o rc o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：a i rp r e s s u r ec o n t r o l l e r , p n e u m a t i cs t r u c t u r e s ，f u z z y - p i dh y b r i dc o n t r o l ，p i e z o e l e c t r i c e f f e c t , a r mc o n t r o l l e r l i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。l 1 - 1 课题背景及意义。l 1 2 气动控制发展概况l 1 3 气动控制的国外内研究现状2 1 3 1 气路执行机构。2 1 3 2 气压控制方法一3 1 4 本课题研究的内容4 第二章系统建模5 2 1 基本概念5 2 1 1 完全气体及其状态方程。5 2 1 2 热力学能、焓、熵及等熵过程6 2 1 3 质量热容。7 2 1 4 气体的流动特性。8 2 1 5 两种状态参数一9 2 1 6 壅塞现象、临界压力比及流量特性1 0 2 2 贮气罐的流动特性1 0 2 2 1 喷管的等熵出流1 0 2 2 2 贮气罐的喷管出流1 1 2 3 充放气现象的基本方程1 4 2 3 1 绝热充气15 2 3 2 绝热放气。l 6 2 4 定容充放气特性l6 2 4 1 充气特性。16 2 4 2 放气特性1 9 2 5 本章小结2 1 第三章气路系统设计2 2 3 1 系统工作原理2 2 3 2 系统组成2 2 3 3 系统气路设计2 2 i i i 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 3 3 1 需注意的问题2 2 3 3 2 初步设计2 3 3 3 3 改进后的设计2 4 3 4 一种基于压电效应的气路执行机构2 6 3 4 1 压电阀简介2 6 3 4 2p r e - u 系列压电阀特性实验研究2 7 3 5 本章小结2 9 第四章气压控制策略的研究及实验分析。3 0 4 1 p i d 控制3 0 4 1 1p i d 控制概述3 0 4 1 2p i d 控制分析。3l 4 2f u z z y 控制3 3 4 2 1 模糊控制基本原理3 3 4 2 2 模糊控制器3 4 4 2 3f u z z y 控制器设计3 6 4 3f u z z y - p i d 复合控制3 6 4 3 1f u z z y 控制器设计3 7 4 3 2 增量式p i d 控制器3 9 4 3 3p i d 控制器的参数整定4 0 4 4 实验结果及分析41 4 4 1 充放气实验4l 4 4 2 结果分析4 3 4 。5 本章小结4 4 第五章控制器系统的硬件设计4 5 5 1 控制器芯片的选择4 5 5 2l p c 2 21 4a r m 微控制器4 6 5 3l p c 2 2 1 4 微控制器的最小系统4 7 5 3 1 电源设计4 7 5 3 2 晶振电路4 8 5 3 3 复位电路4 8 5 3 4 存储器扩展4 9 5 4 人机接口电路设计5 0 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 5 4 1 液晶模块5 0 5 4 2 键盘接口5 2 5 5 脉宽调制器( p 删) 5 2 5 6 阀门驱动电路5 3 5 7 系统硬件调试5 5 5 8 本章小结5 5 第六章系统软件设计5 6 6 1 系统的集成开发环境5 6 6 2 总体软件设计5 6 6 3 各模块的软件设计5 7 6 3 1a d 模块的程序设计5 8 6 3 2 数字滤波5 9 6 3 3 液晶显示驱动程序设计6 0 6 3 4p 删模块的程序设计，6 2 6 4 本章小结6 2 第七章总结与展望6 3 7 1 全文工作总结6 3 7 2 研究展望6 3 参考文献6 5 致谢6 7 在学期间发表论文和科研成果6 8 v 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 v i 图、表清单 图2 1 贮气罐的喷管出流1 1 图2 2 气流流过收敛形喷管时质量流量随出口压强变化曲线1 3 图2 3 变容积的充放气系统1 5 图2 4 定容积绝热充气1 7 图2 5 压力、容积管径比、时间关系图1 9 图2 6 定容积绝热充气2 0 图3 1 系统整体框图2 2 图3 2 气路结构2 3 图3 3 改进的气路结构2 4 图3 4 双管路气路结构示意图2 4 图3 5 输入交流信号一输出信号。2 8 图3 6 输入三角波信号一输出信号2 8 图4 1p i d 控制原理图。3 0 图4 2 典型闭环控制系统31 图4 3 模糊控制原理图3 4 图4 4 二维模糊控制器3 4 图4 5 模糊控制器组成框图3 4 图4 6f u z z y p i d 复合控制器原理图3 7 图4 7f u z z y 控制算法流程图3 8 图4 8 增量式p i d 控制算法程序流程框图3 9 图4 9 双管路充气。；。：。i 4 1 w 图4 1 0 单管路充气。4 2 图4 1l 双管路放气4 3 图4 1 2 单管路放气一4 3 图5 1 硬件结构示意图4 5 图5 2 系统电源电路4 7 图5 3 系统时钟电路4 8 图5 4 系统复位电路4 9 图5 5 存储器接口电路5 0 图5 6 图形液晶显示接口电路5 l 图5 7 电磁阀驱动电路5 3 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 在航空工业中，为了精确地测试飞机上弹性元件的绝对压力位移特性，需要将被测元 件和位移传感器一同放在压力容器中，并为该较大容积的检测设备提供高精度的压力环境。在 许多生产过程中，保持较大容积容器恒定的压力或一定的真空度是正常生产的必要条件，很多 化学反应需要在封闭容器的恒压下进行，为保持流量不变，也常需要控制容器的压力恒定。 目前，人们对气动控制技术的研究，大多数是针对容积较小的被控对象。国内外压力控制 器大部分是用于压力计、传感器、压力变送器校准或测量，所以气路管径小，调节时间长。对 于较大容积容器的压力控制，在大范围调节时将出现超时错误，并且由于电磁阀的高频，长时 间动作，损耗很大。- 本文的目的就是展开对气动控制技术的研究，设计基于嵌入式a r m 控制器的压力控制器， 采用双管路通道和f u z z y - p i d 复合控制方法对于较大容积容器内气压既实现快速控制，又满足 一定的控制精度要求。 1 2 气动控制发展概况 气动技术的发展是与人类的生产进步密切相关的。远在几千年前，空气就被利于到生产中， 诸如帆船、风车和风箱等。十八世纪的英国工业革命促进了社会生产的迅速发展，在1 8 5 5 年发 明了空气压缩机后，压缩空气的应用不断推广，1 8 8 0 年美国的威斯汀豪斯利用压缩空气可以快 速驱动的特点，研制了火车的刹车装置，显示了气压传动简单、快速、安全、可靠的优点，开 创了气压传动应用技术。 气动技术的发展大致可以分为五个阶段，第一阶段：1 8 5 6 年气动技术首次在工业上应用； 第二阶段：1 9 世纪末至2 0 世纪初，气动技术初具规模；第三阶段：1 9 1 0 年左右，气动技术开 始应用于自动化生产线；第四阶段：1 9 4 5 年至2 0 世纪中期，气动技术得到了高速发展；第五 阶段，即发展至今，气动技术已经广泛应用于各行各业。 气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格低廉、高速、高效、工作可靠、寿命长、适 应温度范围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁干扰等一系列的优点而得到了迅速的发展。 从各国的行业统计资料来看，近2 0 多年来，气动行业发展很快。2 0 世纪7 0 年代，液压与气动 元件的产值比约为9 ：1 。3 0 多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达 到6 ：4 ，甚至接近5 ：5 。由于气动元件的单价比液压元件便宜，在相同产值的情况下，气动元件 的使用量及使用范围已远远超过了液压行业。从地区划分看，可以说美洲( 以美国为中心) 、欧 l 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 洲( 欧洲各工业发达国家) 和亚太地区( 以日本为中心) 三分天下。中国自改革开放以来，气 动行业发展很快。1 9 8 6 年至1 9 9 3 年间，气动元件产值的年递增率达2 4 2 ，高于中国机械工 业产值平均年递增率1 0 5 的水平。1 9 9 6 年全国气动行业的产值约在6 0 0 0 万美元左右。2 0 0 3 年达2 2 9 0 0 万美元。 众多的报道表明，气动技术是实现现代传动和控制的关键技术，它的发展水平和速度直接 影响机电产品的数量和水平，采用气动技术的程度已成为衡量一个国家发展水平的重要标志l 。 1 3 气动控制的国外内研究现状 从气动技术的特点和应用情况可知，研究和发展气动技术具有非常重要的理论价值和实际 意义。气动技术在美国、法国、日本、德国等主要工业国家的发展和研究非常迅速，我国于七 十年代初期才开始重视和组织气动技术的研究。无论从产品规格、种类、数量、销售量、应用 范围，还是从研究水平、研究人员的数量上来看，我国与世界主要工业国家相比都十分落后。 为发展我国的气动行业，提高我国的气动技术水平，缩短与发达国家的差距，开展和加强气动 技术的研究是很必要的1 2 1 。 压力控制装置是气动控制技术的一项重要应用，已广泛应用于各行业。目前市场上的压力 控制器，国外的主要有英国德鲁克公司的d p l 5 1 5 型压力控制器，霍尼韦尔公司的l 4 0 4 和l 6 0 4 型压力控制器，国内的主要有y w k - 5 0 - c 系列、t d 5 5 0 系列、t k 2 0 系列等。这些控制器大 部分是用于传感器校准，压力测量，所以气路管径小，调节时间长，导致系统在大容器大范围 调节时出现超时错误，并且由于电磁阀的高频、长时间动作，损耗极大。 气体压力控制器设计的关键是对气路执行机构的设计和控制方法的选择。 1 3 1 气路执行机构 目前，在执行机构的实现方面，传统的方式是采用多通道、多管径、多气源来实现对压力 的调节。简单的讲，就是在负载和气源之间连接有不同管径的多个管路，在控制过程中，可以 通过选择不同管径的通道来改变调节压力的速度。这种方法的缺点是控制环节较多，气路元件 较多，大大降低了系统的可靠性，而且由于管路有限，所以属于非连续调节，很难实现气压的 微调和微控，因此必须寻求更有效的实现方案1 3 1 4 5 1 。 近年来，随着i t 工业、通信技术、传感器技术的不断发展，以及新技术、新产品、新工艺、 新材料等在工业界的应用，气动元件、气动技术作为主要配套的重要基础件也发生了革命性的 变化。主要体现在标准化、微型化、模块化、集成化、系统化、智能化、状态监测、可诊断等 方面。为了满足这些需要，控制策略也正由经典控制向现代控制方法转变1 2 】o 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 2 气压控制方法 在压力控制方法方面，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 气缸存在较大摩擦力等原因，气动系统本质上属于非线性系统，这给气动系统的控制带来了困 难，传统的线性系统控制方法难以实现系统的要求。 通常，气动控制是通过开关控制元件组成机械执行部分，因此属于非连续控制，在许多情 况下可以用数字开关阀来代替伺服阀。下面简单说明一下对开关阀的控制策略 6 1 7 1 ： 一、b a n g - b a n g 控制：属于时间最优控制问题，到目前为止要给出最优性的充分条件是非 常困难的，通常是利用庞特里亚金原理给出最优的必要条件，并根据必要条件求得最优控制。 简单的低阶系统最优控制可以通过分析得到解析表达式，但是对二阶带阻尼的振荡系统就很难 得到。对于一般的单变量系统及多变量系统通常采用数值解法，一种方法是直接求解状态方程， 从而得到最优控制。当然两点边值问题的求解并不是易事，通常用寻优等方法求得开关时间， 因此，所得最优控制是开关控制。 二、p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t e d ) 控制：在流体控制领域，脉宽调制最先应用于液压伺服系 统中，用来驱动伺服阀，一方面是为了减少伺服阀死区的影响，防止阀门卡死，另一方面是为 了消除阀控流量特性的非线性。现在p w m 技术在液压尤其是在气动技术上有更广泛的应用。 气动p w m 比起液压p w m 研究的更多些，因为气动中气体的压缩性等有更复杂的特性， 更需要利用p w m 来对其线性化。有些研究结论气动与液压是可以互相借鉴的，特别是回路构 成与工作原理方面。 三、p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t e d ) 控制：由于p w m 控制有一定的缺点，比如阀的振动会加 速磨损，振动也会带来噪声，p w m 要求用高速开关阀，成本高，有的学者试图以多个普通的 开关阀组合起来作为转换元件产生希望特性输出，于是产生了p c m 控制即脉冲编码控制。p c m 控制是把控制信号编为n 位二进制信号来控制n 个开关阀的开启与闭合。这n 个开关阀的有 效开关面积之间的关系为s o ：墨：是：鼠一l = 2 0 ：2 1 ：2 2 ：2 ”1 。n 个开关阀组合数2 4 ，即可获 得2 ”级不同的流通面积。p c m 控制非常适于与计算机结合，计算机按着设计的控制规律发出 一组二进制编码，控制n 个开关阀，得到不同的综合开口面积，从而输出不同流量。 根据调研和大量文献的参考，对国内外控制气体压力的方法进行了调查，发现常用的主要 方法有【g 】【9 】【1 0 】： 1 ) 智能p i d 控制+ p w m 控制+ 高速开关阀：智能控制中选用偏差p 及偏差变化p 作为控 制器的输入变量，输出格式为y = f ( e ，a e ) 。因为只根据偏差e 进行控制，若被控系统偏差较大 而又向偏差减少的方向快速变化时，如果只根据偏差较大而不考虑偏差迅速变化的因素，必然 要加大控制量使系统尽快消除大的偏差，这样的控制势必导致调节过量而又出现反向偏差的不 良后果。当采用偏差e 和偏差变化p 两个输入变量进行控制时，就可避免该情况。针对气压控 3 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 制中的非线性和不确定性，在气压控制器的气路设计中，采用了高速开关阀和电磁阀相结合的 设计方案，其中的电磁阀只有两种工作状态，目的是确保某一管路的开通与截止。在控制器设 计实现方面，采用智能p w m 来实现对高速开关阀的控制。 2 ) 模糊控制+ p w m 控制+ 高速开关阀：由于高速开关阀是以电磁铁作为电机械转换的元 件，必然存在死区和饱和特性。另外，在以气体为主的气液联控系统中，有许多参数不易确定。 在系统分析时，对高速开关阀等非线性元件线性化，导致系统数学模型的不精确，因此，采用 基于数学模型的传统控制算法不易实现系统的高精度和高性能控制。模糊控制是以模糊集合理 论为基础发展起来的一种控制算法，它不需考虑系统的数学模型，而是根据专家经验和知识， 用模糊理论和模糊推理来完成伺服系统的精确控制，可弥补传统控制方法的不足。 3 ) 模拟和数字p i d 双闭环反馈控制+ 比例阀：电气比例压力阀是近年来研制的一种机电 一体化元件，它在控制性能上比气动比例阀有了较大的改进。电气比例阀以滑阀为主，用比例 电磁铁直接控制阀芯的位移，使得阀门的开度与控制电压成比例。通过改变通流面积，可以改 变阀口的流量。调整进气阀门和排气阀门的通流面积和时间，从而实现容器内的压力控制。采 用比例阀门作为控制执行元件，采用模拟和数字双闭环反馈串级p i d 控制方案，利用模拟压力 传感器动态性好和数字压力传感器的高准确度，通过计算机就能很好地实现了气压的精密控制， 与其他控制方式相比具有结构简单、工作可靠，控制精度高的特点。 1 4 本课题研究的内容 为了设计较大容积容器压力控制器，解决常规压力控制器应用与较大容积容器对象时面临 的超时调节和过度损耗，本文主要研究了以下内容： 1 对固定容积容积建立数学模型，计算一元等熵过程条件下，不同初始条件时的理论充放 气时间，为后续进行的实验研究提供理论指导。 2 介绍压力控制器的气路系统组成，通过对电磁阀门性能的研究，找到适合本系统的电磁 阀；根据压力控制的要求，设计合理的气路结构；了解并介绍当前较为先进的气路执行机构。 3 研究经典p i d 控制和f u z z y 控制，根据气压控制系统非线性和不确定性的特点，构建 f u z z y p i d 复合控制器，实现合理有效控制。 4 选用一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器 l p c 2 2 1 4 ，设计压力控制器各功能部件，完成本系统的整体硬件设计、制作及调试。 5 在a d s l 2 集成开发环境下，采用结构化和模块化的设计方法完成系统各功能子程序及 调试。 6 进行压力控制器的实验研究，并分析实验结果。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章系统建模 弟一早尔现惩个吴 为了研究较大容积容器气体压力控制，需要对固定容积容器的充放气系统进行数学建模， 对固定容积容器充放气特性进行理论分析，以便于为后续进行的实验研究提供理论指导。 由于对气动系统建模涉及的热力学概念、公式比较多。本章首先给出了建立数学模型所需 要的相关概念，对气体本身的性质、气体的流动特性以及各种条件下的热力学方程做了必要的 详细说明，最后给出了定容充放气特性的数学模型，并对不同条件下的充放气时间进行了理论 分析。 2 1 基本概念 2 1 1 完全气体及其状态方程 热力系统在某瞬时呈现的宏观物理状态称为热力状态。它反映着系统内大量气体分子热运 动的平均特性。通常把描述系统所处状态的一些宏观物理量称为状态参数，如压力、温度、质 量体积等。 在没有外界影响的条件下，系统各部分的状态参数长时间内不发生变化的状态，称为平衡 状态。平衡状态是指系统的宏观性质不随时间变化，从微观看，平衡状态下系统内的分子仍在 作永不停息的热运动，只不过这种分于热运动的平均效果不随时间变化。 若系统与外界发生能量交换，系统的状态就会发生变化，系统从一个状态连续地变化到另 一个状态，它所经历的全部过程称为热力过程。 当系统与外界只有热功交换时，在平衡状态下，三个基本状态参数：绝对压力p 、质量体 积v ，和热力学温度t 之间的函数关系，称为气体的状态方程，可表示成【1 】 f 0 ，v t ) ：0 ( 2 - 1 ) 完全气体是一种假想的气体，它的分子是一些弹性的、不占有体积的质点，分子间除相互 碰撞外，没有相互作用力。应当注意，完全气体在热力学书中常译成理想气体，但它与没有粘 性的理想气体是完全不同的两个概念。对于完全气体，三个基本状态参数之间保持着一个简单 的关系，称为完全气体的状态方程 p 、，= r t ( 2 2 ) 式中p 为压力( 绝对压力) ，单位为p a ；v 为质量体积，单位为m 3 俺；r 为气体常数，对空 气，l p2 8 7 n n e ( k g k ) ；t 为热力学温度，单位为k 。 5 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 完全气体的状态方程也可写成 p = 等r t ( 2 3 ) p = 歹k 1 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中m 为质量，单位为k g ，v 为体积，单位为m 3 。 对一定质量的气体，状态方程可写成 警= 警 c 2 q 五 互 一 、 它反映了系统的两个状态的状态参数之间的关系。实际气体只要不处于很高的压力或很低的温 度，都可当作完全气体。 2 1 2 热力学能、焓、熵及等熵过程 物质微观分子运动所具有的能量叫热力学能，它包括分子运动、( 平动、转动、振动) 的动 能和分子间由于相互作用力的存在而具有的位势能。 由分子运动的理沦可知，分子运动的动能是物质温度的函数，分子运动的位势能是物质质 量体积的函数，故气体的热力学能： i = f ( t ，1 ，) ( 2 - 5 ) 单位质量气体的热力学能f 称为质量热力学能： 江石( 丁，1 ，) ( 2 6 ) 热力学能是状态参数，根据气体状态方程，质量热力学能也可写成： f = 石( 丁，p ) ( 2 - 7 ) 对完全气体，分子间没有相互作用力，故气体的热力学能只有分子运动的动能。即热力学 能只与温度有关 扛石( 丁) ( 2 - 8 ) 在热工计算中，热力学能经常与推动功p v 同时出现，它们合在一起称为焓h 。单位质量 气体的焓h 称为质量焓，有： h = f + p v( 2 - 9 ) 在这里推动功直接视为对抗压强p 创造系统体积v 变化而形成的功。 焓是气体在流动时所具有的微观运动的能量。当l k g 气体通过边界流入系统时，不仅将气 体的质量热力学能f 带进系统，同时还把从后面获得的推动功( t g 有称为压力能) p v ，也带进 系统。当气体流动滞止时，焓就是气体的总能量。 功和热量都是系统内的气体与外界之间传递的能量。功是系统与外界通过宏观的运动，发 生相互作用而传递的能量。热量是系统与外界通过微观的分子运动，发生相互作用而传递的能 6 南京航空航天大学硕士学位论文 量。系统内气体的温度t 对热交换起着“推动力”的作用，那么，也必然有一个气体的状态参数 的变化，标志着热交换是否进行。这个状态参数就是熵s 。 单位质量气体的熵s 称为质量熵，有： 舔= 警 ( 2 1 0 ) 熵的单位是j k ，质量熵的单位是j f k k g ) 当某一热力过程完成后，如果令过程逆行，系统和外界都能够回复到它们各自的原始状态， 则此过程称为可逆过程。如果没有这种可能，则叫不可逆过程。 可逆的绝热系统，其热力过程称为等熵过程，即d s = 0 。根据能量守恒定律有： d i + p d v = c v d t + p d v = 0 式中q 为质量定容热容，由于丁= r ，代入上式，整理后得： ( 西+ r ) p d v + c , 奎y a p = 0 即 k p 西+ v a p = 0 ， 积分后得绝热过程方程为： i n , = c 或p 丁。- 1 = c ( 2 一1 1 ) 气罐内的气体，在很短的时间内向外放气时，罐内气体的状态变化过程可看作是等熵过程。 可逆过程的熵的增减，表明了系统与外界的热交换方向；不可逆的绝热系统，其热力过程 是增熵过程【1 1 1 。 2 1 3 质量热容 单位质量气体，温度升高l k 所需要的热量，称为质量热容。其表达式为： c = 8 q d t ( 2 - 1 2 ) 常用单位是j ( k g k ) 。 因热量q 是个过程量，故质量热容也是个过程量。不同的加热过程，质量热容的数值也不 同。常用的有质量定容热容和质量定压热容f l 】。 1 质量定容热容q 单位质量的气体，在等容加热过程中，温度升高1 k 所需的热量，称为质量定容热容。对 等容过程，办= o 。由闭口系统的热力学第一定律，可得： ( 6 q ) ，= ( a 0 ， 一般情况下，质量热力学能f = 石( z ，v ) ，可得： d i = ( 务仉( 务d v 对于等容过程有： 7 基于a r m 的较大容积容器压力控制器的设计 ( 蛾= ( 翥) ，刀 对完全气体，i 只与温度r 有关，则得： q ：要或西= c , , d t ( 2 - 1 3 ) 口 2 质量定压热容c 。 单位质量的气体，在等压加热过程中，温度升高l k 所需的热量，称为质量定压热容。可 写出微分式： d h = d i + d ( p v ) = d i + p d v + v d p 对于等压过程，咖= 0 ，则： ( 砌) 。= d i + p d v 由闭口系统的热力学第一定律，有( 国) ，= ( 砌) p 。一般情况下，焓办= f ( 丁，p ) ，故： 酬务州勿 对于等压过程，( 砌) ，= ( 等) p 刀，对于完全气体，质量焓只是温度的函数，则得： ：鬲d h 或砌：打( 2 - 1 4 ) 2 万戥砌2 d 1 =一dh=丁di+d(pv)=等+1d(r厂t)dt = q + r ( 2 1 5 ) p 弧 d 1d 1 1 对于完全气体，c ，= k ，k 称为等熵指数( 绝热指数) ，故可导出： 巳= 刍 勺= 告 2 1 4 气体的流动特性 按流动的特征作各种分类，常见的有：定常流动和不定常流动、一元流动、二元流动、三 元流动、可压缩流动和不可压缩