用于壓力傳感器測試的自動壓力控制系統(tǒng)的研制

王洋

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，精密氣壓產(chǎn)生與控制技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。而傳統(tǒng)的閥門控制器控制精度不夠，運(yùn)行速度緩慢，且價格昂貴，已不能滿足精密氣壓產(chǎn)生與控制的要求。

國內(nèi)外氣體壓力控制裝置相同點(diǎn)在于，裝置的測量準(zhǔn)確度、測量范圍取決于標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器。數(shù)字式壓力控制器通常由壓力源、標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊接口等幾大部分組成，可用于壓力變送器、壓力傳感器、數(shù)字壓力計等電量或數(shù)字量輸出儀器的校準(zhǔn)。世界各國先后推出了可自動控制的高準(zhǔn)確度的數(shù)字壓力控制器，而國產(chǎn)的數(shù)字壓力控制器還較少，其不確定度在0.05%左右。進(jìn)口的氣體壓力控制器價格在十萬元人民幣以上，控制響應(yīng)時間5 s左右。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 國內(nèi)外方案比較

壓力控制系統(tǒng)關(guān)鍵的部分就是對氣體壓力實(shí)現(xiàn)自動控制，下面分析幾種典型壓力控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

1)變?nèi)莘e控制

通過改變密閉容器內(nèi)氣體的體積來改變輸出壓力。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要外部氣源，在小范圍表壓力和小疏空壓力時有較好的控制準(zhǔn)確度;缺點(diǎn)是可變?nèi)萜鲀?nèi)氣體壓力變化靠活塞的移動來實(shí)現(xiàn)，因此密封是一大難題，而且在變?nèi)莘e控制過程中，系統(tǒng)與外界環(huán)境存在熱交換，溫度的變化會反過來影響系統(tǒng)內(nèi)的壓力，氣體變化介于等溫與絕熱過程中間，難以建立理想的數(shù)學(xué)模型，增加控制難度。

2)伺服閥控制

伺服閥控制是依靠伺服閥開度和方向的變化，改變壓力容器內(nèi)壓力的變化速度和壓力值，從而達(dá)到控制目的。應(yīng)用伺服閥作為壓力控制部件的優(yōu)點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，具有較好的控制準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度;缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)較高壓力的控制，伺服閥往往都是成品，不一定適合課題所需壓力范圍，且成本較高。

3)比例閥控制

電氣比例壓力閥是近年來研制的一種機(jī)電一體化元件，它在控制性能上比氣動比例閥有了較大的改進(jìn)。電氣比例閥以滑閥為主，用比例電磁鐵直接控制閥芯的位移，使得閥門的開度與控制電壓成比例。通過比例閥開度的變化，控制壓力容器內(nèi)壓力的升降速度和壓力值。用比例閥作為壓力控制部件的優(yōu)點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，且具有較好的控制準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度;缺點(diǎn)是可控壓力范圍較小。

4)流量結(jié)合電磁閥控制

電磁閥在氣壓控制過程中比較常用，它在工業(yè)控制系統(tǒng)中起到調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)的作用。電磁閥種類多，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。用電磁閥作為壓力控制部件的優(yōu)點(diǎn)是:電磁閥作為一種理想的電－氣控制轉(zhuǎn)換組件，只有“開”、“關(guān)”兩種極限工作狀態(tài)，目的是確保某一管路的開通與截止;不存在準(zhǔn)確度很高的間歇配合，消除了多種非線性因素，如死區(qū)、干摩擦等的影響，利用電磁閥的開度固定這一特點(diǎn)，為便于控制，可對進(jìn)氣閥、排氣閥入口和出口的壓差進(jìn)行控制，使其近似維持恒定值。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

鑒于以上方案中所出現(xiàn)的問題，研制了用于壓力傳感器測試的自動壓力控制系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)的閥門控制器控制精度不夠、運(yùn)行速度緩慢且價格昂貴的缺點(diǎn)。自動壓力控制系統(tǒng)具體的技術(shù)指標(biāo)為:壓力測量范圍為0～360 kPa;允許誤差為±0.18 kPa;控制穩(wěn)定性為±0.05%FS/30 s;控制響應(yīng)時間≤3 s。

1.3 系統(tǒng)模型建立

自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置 (稱控制裝置或控制器)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程 (統(tǒng)稱被控對象)的某個工作狀態(tài)或參數(shù) (即被控制量)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)的總體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度、壓力等;而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。

一個完整的過程控制系統(tǒng)圖一般有調(diào)節(jié)器 (控制器)、執(zhí)行器、被控過程和測量變送器四個環(huán)節(jié)。因此本系統(tǒng)模型初步設(shè)計構(gòu)圖由控制器和執(zhí)行器、壓力容器和測量采集部分組成。系統(tǒng)模型設(shè)計方框圖如圖1所示。圖1是一個簡單的反饋控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)模型設(shè)計方框圖

1.4 系統(tǒng)組成

所謂壓力控制系統(tǒng)就是利用管道或容器中的介質(zhì)壓力作為被控制量，從而保證輸出一個恒定氣壓的反饋控制系統(tǒng)。氣體壓力控制過程實(shí)際上是密閉容腔的充放氣過程。本壓力控制系統(tǒng)主要由壓力源、控制模塊、比例控制部分、常開電磁閥、密封氣容、標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、D/A模塊組成的氣路及電路控制系統(tǒng) (包含繼電器卡)、PC/104主板，顯示終端等幾大部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 原理介紹

自動壓力控制系統(tǒng)工作原理為:給定目標(biāo)壓力值，系統(tǒng)的控制器給比例控制系統(tǒng)發(fā)送電壓控制信號，比例控制系統(tǒng)通過內(nèi)部傳感器輸出的信號控制內(nèi)部的進(jìn)氣和排氣電磁閥開關(guān)調(diào)整容器內(nèi)氣體壓力得到與目標(biāo)壓力相近的當(dāng)前壓力值，再通過D/A模塊對標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的信號進(jìn)行采集。目標(biāo)壓力值以模擬量的方式輸入控制器中，與采集到的標(biāo)準(zhǔn)傳感器值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制密閉容腔氣體壓力的目的，從而得到高精度的氣體標(biāo)準(zhǔn)壓力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

PC/104主板在裝置中起界面顯示、功能選擇、參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)采集、控制量輸出、數(shù)據(jù)處理、存儲等功能。它在結(jié)構(gòu)、硬件、軟件上與標(biāo)準(zhǔn)PC總線兼容，采用模塊化設(shè)計方法，大大縮小了體積，并采用CMOS芯片，功耗較低。采用PC/104作為核心中央處理器，可以將主要精力放在軟件和接口的設(shè)計上，風(fēng)險小，大大縮短開發(fā)周期，體現(xiàn)最新技術(shù)。

顯示終端在整個裝置中起著與人交流的橋梁作用，通過對其進(jìn)行界面設(shè)計，使其不僅具有生動的基本界面圖片、文字和控制器狀態(tài)顯示功能，而且還有單位選擇、參數(shù)設(shè)定與目標(biāo)壓力值輸入等功能。

電路控制系統(tǒng)作為裝置的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)比較、“命令”傳達(dá)工具，能快速采集壓力傳感器反饋的當(dāng)前壓力所對應(yīng)的電壓值，并與輸入的電壓信號比較，響應(yīng)PC/104主板傳來的開關(guān)控制信號，只需對繼電器端口地址寫入控制數(shù)據(jù)即可控制相應(yīng)閥門的開關(guān)動作，以實(shí)現(xiàn)對氣路中電磁閥的控制，從而實(shí)現(xiàn)對裝置輸出壓力的控制。

該壓力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是壓力的測量和控制。壓力的測量準(zhǔn)確度取決于選用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器。因而在標(biāo)準(zhǔn)傳感器選型確定的情況下，采用何種方案控制壓力就成為設(shè)計的核心問題。本系統(tǒng)采用的壓力傳感器，量程0～360 kPa，最大允許誤差為±0.04%FS。

氣路控制系統(tǒng)用來快速、準(zhǔn)確并穩(wěn)定的將系統(tǒng)內(nèi)壓力控制在用戶指定的壓力點(diǎn)上。壓力調(diào)節(jié)過程中的關(guān)鍵在于確定設(shè)定壓力點(diǎn)所需的氣體量?？刂七^程中，首先通過控制系統(tǒng)判斷校準(zhǔn)系統(tǒng)的容積 (包括:控制器自身、被檢器、管路)，然后根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)律對氣路中閥門的開閉進(jìn)行控制，充/放氣，從而達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)壓力值。該系統(tǒng)采用兩個電磁閥和壓力傳感器配合的方式進(jìn)行氣路設(shè)計，其氣路設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)氣路設(shè)計圖

壓力傳感器A和電磁閥A，B共同組成比例控制系統(tǒng)。

壓力傳感器的作用是測量系統(tǒng)壓力。傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接影響到裝置的測量和控制不確定度及控制響應(yīng)時間。氣路中共設(shè)計了兩只不同的傳感器，分別為:壓力傳感器A準(zhǔn)確度等級為0.05級，輸出為0～10 V;壓力傳感器B準(zhǔn)確度等級為0.02級，數(shù)字輸出，同樣用作壓力測量，此傳感器在0～50℃范圍內(nèi)進(jìn)行了全溫度補(bǔ)償，可有效消除溫度變化對測量準(zhǔn)確度的影響。

結(jié)合電路控制系統(tǒng)描述壓力控制過程:輸出的壓力與輸入的電信號成比例，壓力是靠兩個電磁閥來控制。其中電磁閥A的作用是進(jìn)氣控制，電磁閥B用于排氣控制。壓力傳感器1用來測量輸出的壓力，并對電路控制提供反饋電壓信號。反饋回的信號跟輸入的命令信號相比較。兩個信號的差值使其中一個電磁閥動作，或者打開使流量進(jìn)入，或者讓氣體排出系統(tǒng)。準(zhǔn)確的壓力依靠控制這兩個電磁閥來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)控制響應(yīng)時間需要小于3 s，實(shí)現(xiàn)快速控制壓力的目的，就需要犧牲整套系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，此時氣路中不需要壓力傳感器B，僅用壓力傳感器A的測量準(zhǔn)確度來決定整個系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。若想實(shí)現(xiàn)更高的測量準(zhǔn)確度，氣路中需要A，B兩只傳感器共同作用，首先需要比例控制系統(tǒng)對輸出壓力進(jìn)行控制，接著利用壓力傳感器B對系統(tǒng)壓力進(jìn)行測量，并進(jìn)一步的微調(diào)，調(diào)整對比例控制系統(tǒng)輸入的電信號，經(jīng)過多次信息反饋和循環(huán)控制后，達(dá)到目標(biāo)壓力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與介紹

3.1 軟件開發(fā)工具LabVIEW簡介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺)是目前較為成功、應(yīng)用廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，最新版本為LabVIEW 8.6。LabVIEW 8.6是一個高效的圖形化程序設(shè)計環(huán)境，結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語言;提供了一個直覺式的環(huán)境，與測量緊密結(jié)合，在這個平臺上，各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學(xué)家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序;支持多種系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。

3.2 系統(tǒng)流程圖

自動壓力控制系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖如圖4所示，比例控制算法流程圖如圖5所示。

3.3 系統(tǒng)軟件功能介紹及程序?qū)崿F(xiàn)

3.3.1 手動控制

手動控制用于壓力傳感器的單點(diǎn)測試。操作方法:手動輸入單點(diǎn)的目標(biāo)壓力值，點(diǎn)擊確定鍵，系統(tǒng)開始控制加/減壓力，并將當(dāng)前壓力值實(shí)時顯示在主界面的數(shù)值顯示區(qū)內(nèi)，若當(dāng)前壓力值誤差達(dá)到系統(tǒng)要求的誤差±0.05%FS時，顯示平衡壓力 (格式:*當(dāng)前壓力值)。

3.3.2 自動控制

圖4 系統(tǒng)流程圖

圖5 比例控制算法流程圖

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)點(diǎn)的壓力控制和測量，本系統(tǒng)添加了自動控制功能，在主界面的功能區(qū)點(diǎn)擊自動功能鍵，輸入需要測試的壓力范圍、點(diǎn)數(shù)、測試循環(huán)次數(shù)、單點(diǎn)穩(wěn)定時間，系統(tǒng)即可自動加/減壓，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動的壓力控制和測量，并在自動控制界面上顯示循環(huán)控制的當(dāng)前壓力值組及其曲線。

3.3.3 內(nèi)部校準(zhǔn)

為了避免比例控制部分傳感器的漂移，得到更好的壓力線性曲線，本系統(tǒng)加入了內(nèi)部校準(zhǔn)功能。

3.3.4 外部校準(zhǔn)

為了避免標(biāo)準(zhǔn)傳感器的漂移，得到更好的壓力線性曲線，本系統(tǒng)加入了外部校準(zhǔn)功能，外部校準(zhǔn)需要用戶接入標(biāo)準(zhǔn)壓力源，對系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.3.5 遠(yuǎn)程控制

為了方便用戶使用，本系統(tǒng)特別加入了遠(yuǎn)程控制程序，用戶可以方便的通過遠(yuǎn)程命令使用計算機(jī)對本儀器進(jìn)行控制。

遠(yuǎn)程命令格式如下:

手動控制命令:#P＊＊＊U＊＊。命令中:P＊＊＊代表目標(biāo)壓力值;U＊＊代表壓力單位，其中＊＊代表壓力單位代號。

自動控制命令:#A＊＊＊－＊＊＊S＊＊C＊＊T＊＊U＊＊。命令中:A代表自動;＊＊＊－＊＊＊代表自動控制的壓力范圍;S＊＊代表選取的點(diǎn)數(shù);C＊＊代表循環(huán)次數(shù);T＊＊代表單點(diǎn)穩(wěn)定時間;U＊＊代表壓力單位。

內(nèi)部校準(zhǔn)命令:#IS＊＊。命令中:I代表內(nèi)部校準(zhǔn);S＊＊代表校準(zhǔn)的點(diǎn)數(shù)。

4 系統(tǒng)測試試驗(yàn)

在量程范圍內(nèi)，平均選取10個壓力點(diǎn)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，測試試驗(yàn)表明，該壓力控制系統(tǒng)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。誤差－0.18～+0.18 kPa，控制穩(wěn)定性±0.05%FS/30 s，控制響應(yīng)時間≤3 s。

表1 系統(tǒng)測試試驗(yàn) kPa

5 結(jié)論

該裝置的整個開發(fā)過程涉及了硬件設(shè)計、比例控制以及軟件算法的實(shí)現(xiàn)。使用比例控制技術(shù)與模糊控制理論對壓力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力產(chǎn)生算法，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或者連續(xù)點(diǎn)的壓力控制，控制精度高，相應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高。該裝置的研制解決了傳統(tǒng)的閥門控制器控制精度不夠、運(yùn)行速度緩慢且價格昂貴的缺點(diǎn)，大大提高了壓力傳感器測試的效率和準(zhǔn)確性。

[1]李偉明.壓力控制閥壓力控制的力學(xué)分析及連接應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電大學(xué)刊，2007(8):75－77.

[2]戴忠達(dá).自動控制理論基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用 [M].2版.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[5]劉榮榮.基于LabVIEW的氣體流量計自動檢定系統(tǒng) [J].儀器技術(shù)與傳感器，2007(8):41－43.

[6]楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[7]楊樂平，李海濤，趙勇.LabVIEW高級程序設(shè)計 [M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.