基于模糊參數(shù)自適應(yīng)PID的高壓爆破片泄壓測試裝置

荊學(xué)東　畢亞強(qiáng)

摘要：針對目前缺乏爆破片泄壓測試裝置方面的充分研究，要進(jìn)行高壓爆破片的泄壓性能測試具有較大困難這一問題，設(shè)計(jì)一種高壓爆破片泄壓測試裝置，其采用氣液增壓系統(tǒng)來輸出測試時所需的高壓壓力介質(zhì)。結(jié)合爆破片測試的要求，考慮到該系統(tǒng)的非線性特征，建立一種基于模糊邏輯控制器以實(shí)現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的PID控制器，并采用LabvIEW為上位機(jī)開發(fā)平臺，以PLC作為下位機(jī)，結(jié)合串口通信協(xié)議，開發(fā)一套適用于該爆破片壓力測試裝置的控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的實(shí)時監(jiān)測和控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，基本符合國標(biāo)中對爆破片測試時線性增壓的要求，具有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：LabVIEw；PLC；氣液增壓；模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05_0083-05

0引言

爆破片作為一種非重復(fù)閉合泄放裝置，主要用于保護(hù)壓力容器、管道或其他密閉系統(tǒng)，使其避免超壓或真空而破壞。由于爆破片具有準(zhǔn)確可靠、適用面廣等特點(diǎn)，近些年來被廣泛用于化工、能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域。國外對爆破片的研究始于上世紀(jì)30年代，國內(nèi)則是從60年代開始，且所做研究大都集中在爆破片的設(shè)計(jì)、工藝及安裝使用等方面，針對爆破片泄壓測試的研究較少。王東方研究了壓力變化對爆破片性能昀影響，提出爆破片隨所受壓力和施壓次數(shù)增加的爆破壓力銳減系數(shù)，并使用水壓試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，但其設(shè)備笨重且輸出壓力有限：XU等分析了傳統(tǒng)拱形爆破片材料對爆破壓力的影響，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的對比，但對其所用的測試設(shè)備介紹極少，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的壓力值也均較低：王路逸等針對爆破片疲勞特性做了一定研究，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置亦可進(jìn)行泄壓測試，但其能達(dá)到的最大壓力為64 MPa，對高壓及超高壓爆破片的泄壓測試則無能為力。

針對爆破片的安全運(yùn)行問題，本文參考與爆破片設(shè)計(jì)及測試相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和PLC控制的爆破片泄壓測試裝置對爆破片質(zhì)量進(jìn)行評估測試。該泄壓測試裝置采用了氣液增壓技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超高壓輸出，且考慮到非線性系統(tǒng)的控制問題，采用了模糊參數(shù)自適應(yīng)PID的控制策略，重點(diǎn)解決如何進(jìn)行參數(shù)在線調(diào)整以及減小系統(tǒng)輸出偏差。

1爆破片泄壓測試裝置的設(shè)計(jì)

爆破片泄壓測試裝置是由氣液增壓伺服系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，其基本原理如圖1所示。爆破片泄壓測試裝置的硬件組成主要包括氣動回路及液壓回路中的氣動三元件、氣動比例閥、氣動液壓泵、閥以及控制系統(tǒng)中的上位機(jī)、下位機(jī)及傳感器。在該測試裝置對爆破片進(jìn)行泄壓測試時，下位機(jī)PLC在接收到來自上位機(jī)的信號后控制兩個電磁閥共同得電。一方面使氣控針閥在驅(qū)動氣體的作用下閉合，實(shí)現(xiàn)液壓回路的保壓：另一方面經(jīng)氣動比例閥調(diào)節(jié)后的低壓驅(qū)動氣體驅(qū)動氣動液壓泵開始工作，使液壓回路中的壓力逐漸上升。液壓回路中的壓力傳感器以及氣動比例閥中內(nèi)置的空氣壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，并反饋給控制系統(tǒng)，完成對輸出壓力的閉環(huán)控制。

1.1爆破片泄壓測試裝置的硬件設(shè)計(jì)

爆破片壓力測試系統(tǒng)是一個集氣液增壓、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析為—體的綜合檢測系統(tǒng)。其中，氣動比例閥作為氣液增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，選用了SMC公司的ITV3050系列的01F4CS3，其由電流控制，氣動增壓泵選用Haskel公司的DSTV-1.5HP型雙作用增壓泵，壓力傳感器選用WIKA的A-10型。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是壓力數(shù)據(jù)存儲及處理的核心部分，其型號為研華UNO-3074A，所搭載的操作系統(tǒng)為Win7 64位，其CPU型號為Intel 13，內(nèi)存容量40 GB，并且支持RS232串口通信：在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中利用LabVIEW軟件可以輕松開發(fā)出具有良好人機(jī)界面的上位機(jī)程序，完成壓力數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和打印。下位機(jī)選用性價比較高的三菱FX3GA作為主控單元，AD轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX3U-4AD，DA轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX2N-2DA，串口通信模塊選用三菱FX3G-232-BD。

1.2爆破片泄壓測試裝置控制程序設(shè)計(jì)

爆破片泄壓測試裝置的工作流程如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)的需求，該測試系統(tǒng)的控制程序主要是控制氣液回路的升壓、保壓和泄壓，以及完成對數(shù)據(jù)的采集、處理與顯示。

該測試裝置對爆破片進(jìn)行測試時通過上、下位機(jī)控制完成，其中上位機(jī)采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。LabVIEW程序的執(zhí)行順序根據(jù)數(shù)據(jù)流的方式確定，整個程序是基于多線程設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行，將數(shù)據(jù)接收、存儲放在一個子VI中，而將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示放在另外的子VI中，這就決定了其易于實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)。

考慮到PLC數(shù)據(jù)處理能力較弱等因素，期望輸出由上位機(jī)計(jì)算后實(shí)時發(fā)送至PLC中。由于LabVIEW按照數(shù)據(jù)流模式運(yùn)行VI，如何合理地將循環(huán)中計(jì)算的期望輸出發(fā)送給PLC成為重要考量。在充分考慮串口發(fā)送速度等因素后，采用的定時中斷結(jié)構(gòu)如圖4所示。

上位機(jī)與三菱FX-3GA的通信方式一般有兩種：OPC服務(wù)器通信與串口通信。通過OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信雖然方便，但成本較高，而使用Modbus協(xié)議通信等相對較繁瑣。綜合考慮之下，使用自由口通信協(xié)議進(jìn)行上下位機(jī)的通信。由于三菱FX-3GA在進(jìn)行自由口通信模式時，報頭報尾默認(rèn)為十六進(jìn)制字符串，因此將傳輸數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制。在進(jìn)行測試時為減少工程技術(shù)人員的工作量，輸入的壓力數(shù)據(jù)為十進(jìn)制數(shù)值，因此，需要在上位機(jī)中對發(fā)往PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于LabVIEW中字節(jié)數(shù)組至字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)只能識別八位，為了盡量節(jié)省工控機(jī)資源并結(jié)合實(shí)際需求，使用LabVlEW公式節(jié)點(diǎn)對輸入壓力值進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際壓力測試與數(shù)據(jù)采集的過程中，由于系統(tǒng)本身的振動以及外界電磁干擾等因素的影響，若未采取濾波措施或?yàn)V波效果較差，則采集到的數(shù)據(jù)中將包含大量的噪聲。為解決這一問題，除在PLC的AD模塊中進(jìn)行初步的濾波外，該系統(tǒng)還在上位機(jī)程序中利用LabVIEW設(shè)計(jì)了Butterworth濾波器和Chebyshev濾波器等來進(jìn)一步對采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

壓力數(shù)據(jù)在經(jīng)過濾波處理后，爆破片壓力測試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中將會實(shí)時顯示，并即時繪制出壓力的變化曲線。依據(jù)實(shí)際需求，為便于對采集處理后壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析，系統(tǒng)將采集的所有壓力數(shù)據(jù)及對應(yīng)時間寫入文本文檔中進(jìn)行保存?zhèn)浞荨?/p>

1.3爆破片泄壓測試裝置控制策略設(shè)計(jì)

由于氣液增壓伺服系統(tǒng)是一個強(qiáng)非線性的高階系統(tǒng)，其工作狀態(tài)和特性參數(shù)實(shí)時變化，而常規(guī)的定參數(shù)PID控制器具有線性特性，只在工作點(diǎn)附近保持良好的控制性能，因此在偏離工作點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，常規(guī)固定參數(shù)的PID控制器將因控制對象的時滯特性以及非線性特征而變得難以保持所設(shè)計(jì)的動態(tài)控制品質(zhì)?；谝陨戏治?，本文采用了一種模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器。其中，模糊控制器的設(shè)計(jì)包括語言變量及其范圍的選擇、隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)、控制規(guī)則設(shè)計(jì)和去模糊化方法的選擇。該模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器控制原理如圖5所示。

該控制器以工作點(diǎn)附近的PID參數(shù)作為其起始參數(shù)，通過獲取輸入量偏差e、偏差變化量ec，并通過計(jì)算得到該P(yáng)ID控制器的參數(shù)調(diào)整系數(shù)△K_p、△T_i、△T_d，表達(dá)式為（1）式中μ為模糊控制器的輸出。

對PID控制器參數(shù)的實(shí)時調(diào)整，使該控制器能夠圖5模糊參數(shù)自適應(yīng)P1D控制器控制原理更好適用于氣液增壓伺服系統(tǒng)的控制表達(dá)式為

用PLC對模擬量進(jìn)行PID控制時通?？梢圆捎肞ID控制模塊、PID指令或通過自編程序?qū)崿F(xiàn)PID控制等。PID過程控制模塊是由PLC廠家設(shè)計(jì)并存放在模塊中，盡管使用方便但價格昂貴。PID指令由PLC主控單元提供，其與模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬模塊組合使用時，可以獲得近似于使用PID控制模塊的效果，成本卻低得多；但其博而不專，調(diào)整時間長且準(zhǔn)確度不佳。因此，在上位機(jī)中設(shè)計(jì)了與系統(tǒng)相適應(yīng)的模糊控制器，并將模糊控制器的輸出發(fā)送至PLC中，對PLC中的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

2系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

該爆破片壓力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用Mariab/simulink工具進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)，計(jì)算并選取出一組合理的PID參數(shù)值，在經(jīng)過反復(fù)地試驗(yàn)和調(diào)試后，完成對參數(shù)自適應(yīng)PTD控制器的起始參數(shù)整定。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行泄壓測試系統(tǒng)性能測試以驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的爆破片泄壓測試裝置的實(shí)際效果。在爆破片泄壓測試裝置的上位機(jī)界面中，輸入測試壓力700 bar（1 bar=100 kPa），然后對通信參數(shù)進(jìn)行配置，在界面中點(diǎn)擊確定壓力輸入后，該測試裝置開始控制氣液回路按測試要求進(jìn)行升壓，完成對爆破片的泄壓測試，測試結(jié)束后保存并記錄上位機(jī)接收的壓力數(shù)據(jù)。圖6所示為測試裝置壓力線性上升階段的上位機(jī)運(yùn)行圖。從圖中可以看出，壓力基本為線性上升，但由于元器件動態(tài)響應(yīng)等因素的影響，系統(tǒng)輸出仍有一定的偏差，壓力值仍存在一定程度上的波動。在后續(xù)實(shí)際的壓力測試試驗(yàn)時，該系統(tǒng)可以完成0～100 MPa之間的爆破片壓力測試，并且輸出準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快，基本滿足了與爆破片設(shè)計(jì)及測試相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中對爆破試驗(yàn)的要求。

3結(jié)束語

綜上對爆破片泄壓測試裝置設(shè)計(jì)的分析和研究，在其硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)中，綜合考慮了控制準(zhǔn)確度、成本和可靠性。通過實(shí)際的測試證明，基于LabvIEw和PLc開發(fā)的控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出壓力的線性升壓，并且具有穩(wěn)態(tài)誤差小、輸出準(zhǔn)確度高以及可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該測試系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)方便、成本低等特點(diǎn)，且基本能夠滿足國標(biāo)中對爆破片壓力測試的要求，在檢驗(yàn)爆破片生產(chǎn)質(zhì)量及促進(jìn)生產(chǎn)工藝進(jìn)步等方面將發(fā)揮一定的作用。

（編輯：商丹丹）