高精度壓力測控系統(tǒng)的試驗研究

1、高精度壓力測控系統(tǒng)的試驗研究壓力是工業(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，在無數(shù)工業(yè)現(xiàn)場，對壓力測量及控制精度都有很高的要求。無數(shù)狀況下，除需要隨時了解生產(chǎn)過程中介質(zhì)壓力的變幻外, 還需要將壓力自動保持在一定的范圍內(nèi)1-2。明顯，較高的壓力測控精度是溫差控制精度的有力保證。本試驗系統(tǒng)針對這一要求，以為控制器核心，對壓力信號舉行檢測并從硬件和軟件兩方面舉行誤差校正及補償，對壓力控制采納相關(guān)的控制算法并在試驗室中通過反復(fù)調(diào)試控制參數(shù)3-4，使控制器的測量精度達到了±0.001mpa，控制精度達到了±0.01mpa。測量精度及壓力

2、控制精度都達到了較高要求，為解決壓力控制提供了良好的基礎(chǔ)。1 硬件設(shè)計壓力控制系統(tǒng)對測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。為提高對壓力的測量精度，首先必需確保測控系統(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的單片機stc89c51作為控制芯片。該芯片具有高抗靜電性即esd庇護，輕松通過2kv/4kv迅速脈沖干擾，寬、不怕電源顫動，內(nèi)帶和e2prom，支持程序串口下載，能很好地滿足系統(tǒng)的牢靠性及控制要求。試驗室中的控制對象為液壓壓力實驗系統(tǒng)，硅壓阻將壓力信號變?yōu)樾?/p>

3、號，再通過適當(dāng)?shù)碾娐忿D(zhuǎn)化為電壓信號，并經(jīng)放大濾波后送入a/d轉(zhuǎn)換器；然后輸出bcd碼進入cpu，通過軟件對所測電壓舉行數(shù)字非線性校正，同時將所測壓力在上舉行實時顯示。通過系統(tǒng)程序，對pid運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，通過移相調(diào)壓達到調(diào)壓目的。1.1 檢測部分大多數(shù)壓力檢測電路都采納恒流源或恒壓源，也有采納比例法的。其實質(zhì)是無論采納恒流源或恒壓源對壓力傳感器供電，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，所以采納恒流源。為保證壓敏元件不受流過本身電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響，恒流源的電流信號應(yīng)不大于1ma，這里選用1ma。前端信號的

4、檢測及處理電路2所示。選用hkm-375型硅壓阻式壓力傳感器來采集壓力變幻的信號，采納三線制接線。從圖2可以得出檢測電路的輸出電壓為：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、不同時節(jié)時，恒流源的電流有一定的波動5。因為放大器每級輸出存在誤差，給測量精度帶來了較大影響，故系統(tǒng)通過軟件對實測壓力與采樣值的關(guān)系數(shù)據(jù)作曲線擬合，從而對

5、放大器舉行誤差校正與補償。1.2 控制部分控制部分采納移相調(diào)壓的辦法來實現(xiàn)調(diào)壓，硬件電路3所示。因為對c的充放電，使得在a點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放，通過觀看，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點為控制電壓，它是pid運算后得到的數(shù)字控制量再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出所得到的直流電壓。a、b兩點的電壓信號作為輸入，當(dāng)b點電壓高于a點電壓時，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即在的開通時刻得到脈沖電壓。明顯，b點的信號幅值打算移相角的大小，調(diào)整該信號即可控制可控硅輸出電壓的大小，達到調(diào)整液壓閥開度的目的。1.3

6、 人機接口系統(tǒng)采納自立式鍵盤與240×180點陣液晶模塊作為信息輸入輸出設(shè)備。鍵盤通過優(yōu)先74ls148與單片機相連，定義了菜單、菜單項上翻/數(shù)據(jù)增、菜單項下翻/數(shù)據(jù)減、確認等4個功能按鍵。液晶模塊顯示控制參數(shù)信息或在溫控過程中顯示實時壓力數(shù)據(jù)。兩者構(gòu)成了友善的人機交互界面。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序主要處理系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤、采樣壓力值，并對采樣數(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。定時器t0用于定時控制采樣的時光。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期為3s，而控制周期為1s。通過鍵盤設(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)存入單片機內(nèi)e2prom

7、中。除了硬件濾波外，設(shè)計中還采納了數(shù)字濾波計劃，以削減干擾信號對實用信號的影響，提高信號的真切性。控制算法采納積分分別的數(shù)字pid算法，以防止超調(diào)量過大，對于電阻爐這樣純滯后的環(huán)節(jié)有一定的補償作用。2.1 控制算法數(shù)字pid算法用增量式表示為：因為壓力響應(yīng)具有遲滯性，屬于一階延時系統(tǒng)，若采納常規(guī)pid算法，控制效果不好，并且會浮現(xiàn)較大的超調(diào)量。為了解決這一問題，設(shè)計中采納了積分分別pid算法。從試驗結(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，取消積分作用；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差很小時，加入積分作用。也就是說系統(tǒng)啟動、停止或大幅度轉(zhuǎn)變設(shè)定值時，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控

8、制，這樣更有利于充實動態(tài)特性和消退靜差。詳細做法是：針對被控對象參量，設(shè)定一個偏差的門限e0，當(dāng)過程控制中偏差 e(k)的肯定值大于e0時，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，才引入積分控制，即采納pid控制。對計算公式的積分項，乘一個權(quán)系數(shù)。當(dāng) e(k)的肯定值小于等于e0時，值取1；當(dāng) e(k)的肯定值大于e0時，值取0。因此，式（2）可改寫為：2.2 參數(shù)整定設(shè)計采納擴充臨界比例度法整定。通過試驗測量，被控對象的純滯后時光為30s左右，因此挑選采樣周期為3s。通過在試驗中舉行一系列實測數(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)過對參數(shù)微調(diào)，最后得出最佳pid參數(shù)，即kp=3.14，ki=0.058。3 試驗結(jié)果通過試驗室環(huán)境下的多次實測，得出控制器控制精度在±0.5之內(nèi)。表1為試驗過程中的一次數(shù)據(jù)記錄。從結(jié)果看，當(dāng)設(shè)定壓力為25mpa時，最后穩(wěn)定壓力為25.03mp