高精度壓力測(cè)控系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

1、高精度壓力測(cè)控系統(tǒng)的試驗(yàn)研究壓力是工業(yè)生產(chǎn)中常常用到的重要參數(shù)，壓力檢測(cè)和控制的精確性挺直影響著生產(chǎn)平安性和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在無(wú)數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)壓力測(cè)量及控制精度都有很高的要求。無(wú)數(shù)狀況下，除需要隨時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)壓力的變幻外, 還需要將壓力自動(dòng)保持在一定的范圍內(nèi)1-2。明顯，較高的壓力測(cè)控精度是溫差控制精度的有力保證。本試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)這一要求，以為控制器核心，對(duì)壓力信號(hào)舉行檢測(cè)并從硬件和軟件兩方面舉行誤差校正及補(bǔ)償，對(duì)壓力控制采納相關(guān)的控制算法并在試驗(yàn)室中通過(guò)反復(fù)調(diào)試控制參數(shù)3-4，使控制器的測(cè)量精度達(dá)到了±0.001mpa，控制精度達(dá)到了±0.01mpa。測(cè)量精度及壓力

2、控制精度都達(dá)到了較高要求，為解決壓力控制提供了良好的基礎(chǔ)。1 硬件設(shè)計(jì)壓力控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)量部分有較高的要求，系統(tǒng)采納i2c型16位串行a/d轉(zhuǎn)換芯片max1119，hkm-375型硅壓阻式，以stc89c51芯片為核心控制器件，系統(tǒng)硬件框圖1所示。為提高對(duì)壓力的測(cè)量精度，首先必需確保測(cè)控系統(tǒng)具有很好的抗干擾能力，因此，系統(tǒng)采納抗干擾性能超強(qiáng)的單片機(jī)stc89c51作為控制芯片。該芯片具有高抗靜電性即esd庇護(hù)，輕松通過(guò)2kv/4kv迅速脈沖干擾，寬、不怕電源顫動(dòng)，內(nèi)帶和e2prom，支持程序串口下載，能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)的牢靠性及控制要求。試驗(yàn)室中的控制對(duì)象為液壓壓力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，硅壓阻將壓力信號(hào)變?yōu)樾?/p>

3、號(hào)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐忿D(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并經(jīng)放大濾波后送入a/d轉(zhuǎn)換器；然后輸出bcd碼進(jìn)入cpu，通過(guò)軟件對(duì)所測(cè)電壓舉行數(shù)字非線(xiàn)性校正，同時(shí)將所測(cè)壓力在上舉行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)系統(tǒng)程序，對(duì)pid運(yùn)算以及輸出舉行控制，終于由cpu給出控制壓力回路的有效電壓，通過(guò)移相調(diào)壓達(dá)到調(diào)壓目的。1.1 檢測(cè)部分大多數(shù)壓力檢測(cè)電路都采納恒流源或恒壓源，也有采納比例法的。其實(shí)質(zhì)是無(wú)論采納恒流源或恒壓源對(duì)壓力傳感器供電，都是希翼在最后消退電壓或的影響。經(jīng)綜合比較，恒流源受環(huán)境影響小、抗噪聲能力強(qiáng)，所以采納恒流源。為保證壓敏元件不受流過(guò)本身電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響，恒流源的電流信號(hào)應(yīng)不大于1ma，這里選用1ma。前端信號(hào)的

4、檢測(cè)及處理電路2所示。選用hkm-375型硅壓阻式壓力傳感器來(lái)采集壓力變幻的信號(hào)，采納三線(xiàn)制接線(xiàn)。從圖2可以得出檢測(cè)電路的輸出電壓為：up=kirp (1)式中：k為的增益，i為恒流源的電流，rp為壓力傳感器的電阻隨壓力變幻產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變值。為保證精度，電阻r0、r1、r2、r3、r4和r5均用精密電阻，一旦阻值確定，k即為一個(gè)固定值，幾乎不受環(huán)境影響。但是恒流源并非真正意義上的“恒流”，lm332的溫度系數(shù)為0.33%/。當(dāng)系統(tǒng)工作于不同環(huán)境、不同時(shí)節(jié)時(shí)，恒流源的電流有一定的波動(dòng)5。因?yàn)榉糯笃髅考?jí)輸出存在誤差，給測(cè)量精度帶來(lái)了較大影響，故系統(tǒng)通過(guò)軟件對(duì)實(shí)測(cè)壓力與采樣值的關(guān)系數(shù)據(jù)作曲線(xiàn)擬合，從而對(duì)

5、放大器舉行誤差校正與補(bǔ)償。1.2 控制部分控制部分采納移相調(diào)壓的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，硬件電路3所示。因?yàn)閷?duì)c的充放電，使得在a點(diǎn)的電壓波形為與正弦波同步的鋸齒波，為了得到質(zhì)量更好的波形，在前端還加了有源運(yùn)放，通過(guò)觀看，波形下降段的角度十分臨近90°。調(diào)節(jié)r、c的參數(shù)，可以轉(zhuǎn)變鋸齒波的幅值。b點(diǎn)為控制電壓，它是pid運(yùn)算后得到的數(shù)字控制量再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出所得到的直流電壓。a、b兩點(diǎn)的電壓信號(hào)作為輸入，當(dāng)b點(diǎn)電壓高于a點(diǎn)電壓時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即在的開(kāi)通時(shí)刻得到脈沖電壓。明顯，b點(diǎn)的信號(hào)幅值打算移相角的大小，調(diào)整該信號(hào)即可控制可控硅輸出電壓的大小，達(dá)到調(diào)整液壓閥開(kāi)度的目的。1.3

6、 人機(jī)接口系統(tǒng)采納自立式鍵盤(pán)與240×180點(diǎn)陣液晶模塊作為信息輸入輸出設(shè)備。鍵盤(pán)通過(guò)優(yōu)先74ls148與單片機(jī)相連，定義了菜單、菜單項(xiàng)上翻/數(shù)據(jù)增、菜單項(xiàng)下翻/數(shù)據(jù)減、確認(rèn)等4個(gè)功能按鍵。液晶模塊顯示控制參數(shù)信息或在溫控過(guò)程中顯示實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)。兩者構(gòu)成了友善的人機(jī)交互界面。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序主要處理系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤(pán)、采樣壓力值，并對(duì)采樣數(shù)值舉行數(shù)字濾波、顯示壓力及控制輸出等工作。主程序流程圖4所示。定時(shí)器t0用于定時(shí)控制采樣的時(shí)光。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期為3s，而控制周期為1s。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定初始比例系數(shù)、積分系數(shù)及設(shè)定壓力，輸入后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份，即將參數(shù)存入單片機(jī)內(nèi)e2prom

7、中。除了硬件濾波外，設(shè)計(jì)中還采納了數(shù)字濾波計(jì)劃，以削減干擾信號(hào)對(duì)實(shí)用信號(hào)的影響，提高信號(hào)的真切性?？刂扑惴ú杉{積分分別的數(shù)字pid算法，以防止超調(diào)量過(guò)大，對(duì)于電阻爐這樣純滯后的環(huán)節(jié)有一定的補(bǔ)償作用。2.1 控制算法數(shù)字pid算法用增量式表示為：因?yàn)閴毫憫?yīng)具有遲滯性，屬于一階延時(shí)系統(tǒng)，若采納常規(guī)pid算法，控制效果不好，并且會(huì)浮現(xiàn)較大的超調(diào)量。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采納了積分分別pid算法。從試驗(yàn)結(jié)果看，其性能指標(biāo)均有所提高。當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差很小時(shí)，加入積分作用。也就是說(shuō)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止或大幅度轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)定值時(shí)，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控

8、制，這樣更有利于充實(shí)動(dòng)態(tài)特性和消退靜差。詳細(xì)做法是：針對(duì)被控對(duì)象參量，設(shè)定一個(gè)偏差的門(mén)限e0，當(dāng)過(guò)程控制中偏差 e(k)的肯定值大于e0時(shí)，系統(tǒng)不引入積分控制，只用pd控制；當(dāng)偏差 e(k)的肯定值小于e(k)時(shí)，才引入積分控制，即采納pid控制。對(duì)計(jì)算公式的積分項(xiàng)，乘一個(gè)權(quán)系數(shù)。當(dāng) e(k)的肯定值小于等于e0時(shí)，值取1；當(dāng) e(k)的肯定值大于e0時(shí)，值取0。因此，式（2）可改寫(xiě)為：2.2 參數(shù)整定設(shè)計(jì)采納擴(kuò)充臨界比例度法整定。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，被控對(duì)象的純滯后時(shí)光為30s左右，因此挑選采樣周期為3s。通過(guò)在試驗(yàn)中舉行一系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，挑選控制度為1.2，采納pi控制。整定的各參數(shù)值如下：kp=3.14，tk=180s，ti=0.91，tk=163.8s，ki=kpt/ti=0.058。經(jīng)過(guò)對(duì)參數(shù)微調(diào)，最后得出最佳pid參數(shù)，即kp=3.14，ki=0.058。3 試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)試驗(yàn)室環(huán)境下的多次實(shí)測(cè)，得出控制器控制精度在±0.5之內(nèi)。表1為試驗(yàn)過(guò)程中的一次數(shù)據(jù)記錄。從結(jié)果看，當(dāng)設(shè)定壓力為25mpa時(shí)，最后穩(wěn)定壓力為25.03mp