基于虛擬儀器的真空計(jì)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

趙博文，梁西銀，顏昌林，謝凌菲，馬麗萍，蔡坤輝

(1.西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2.蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司華宇分公司，甘肅蘭州 730000)

0 引言

真空技術(shù)是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一門新的學(xué)科技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步，真空技術(shù)作為一門實(shí)用的基礎(chǔ)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、航空、高能物理、可控?zé)岷司圩?、表面物理、半?dǎo)體與微電子等尖端科學(xué)研究領(lǐng)域[1]。真空計(jì)是用來(lái)測(cè)量絕壓狀態(tài)下大氣壓力的儀器，其測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)真空環(huán)境下進(jìn)行的科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響[2]。

在真空計(jì)準(zhǔn)確性的測(cè)試過(guò)程中，需要在校準(zhǔn)室內(nèi)不同量級(jí)真空度下，均勻選取3個(gè)穩(wěn)定測(cè)試點(diǎn)的真空度，將參考真空計(jì)和待測(cè)真空計(jì)一同接到校準(zhǔn)室上進(jìn)行對(duì)比[3]。測(cè)試點(diǎn)的真空度通常需要測(cè)試人員憑經(jīng)驗(yàn)采取手工方式不斷調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量控制器的通氣量來(lái)獲得，調(diào)節(jié)不僅耗費(fèi)時(shí)間而且不容易穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)要求的真空度測(cè)試點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)試的效率低下，增加了實(shí)驗(yàn)難度。在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員不僅需要手動(dòng)調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量控制器的參數(shù)，還需要人工觀察并手工記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性較差，人為引入測(cè)量誤差較多，無(wú)法保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的真空計(jì)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、記錄、計(jì)算與真空度調(diào)節(jié)的自動(dòng)化。下面就測(cè)試校準(zhǔn)室結(jié)構(gòu)、測(cè)試過(guò)程、真空度控制算法、軟件實(shí)現(xiàn)功能作以介紹，最后對(duì)系統(tǒng)完成的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

1 校準(zhǔn)室結(jié)構(gòu)及測(cè)試過(guò)程

動(dòng)態(tài)比較法是一種用于高真空和超高真空區(qū)間的真空計(jì)參數(shù)的測(cè)試方法[4]。動(dòng)態(tài)比較法采用真空校準(zhǔn)室結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中G1為參考真空計(jì)，G2為被測(cè)真空計(jì)；圖中A與B為氣體流動(dòng)互為對(duì)稱之處，兩處壓強(qiáng)相等；測(cè)試時(shí)通過(guò)真空泵組成的抽氣系統(tǒng)向外抽氣，通過(guò)氣體質(zhì)量流量控制器控制進(jìn)氣量的大小獲取測(cè)試點(diǎn)真空度。當(dāng)參考真空計(jì)的讀數(shù)達(dá)到并穩(wěn)定在指定真空度測(cè)試點(diǎn)時(shí)，記錄被測(cè)真空計(jì)讀數(shù)并計(jì)算測(cè)量誤差。動(dòng)態(tài)比較法的優(yōu)點(diǎn)在于本身有較大的氣體流動(dòng)，所以真空容器及真空計(jì)本身的吸氣、放氣對(duì)真空系統(tǒng)的影響不大，可以忽略不計(jì)。

圖1 真空校準(zhǔn)室結(jié)構(gòu)示意圖

真空計(jì)測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。在球形容器的赤道上均勻分布有待測(cè)真空計(jì)接口，以保證室內(nèi)真空壓力的均勻性，真空系統(tǒng)采用分子泵和機(jī)械泵組成，能夠縮短測(cè)試所需的時(shí)間，并為真空計(jì)測(cè)試系統(tǒng)提供所需要的高真空環(huán)境。

1—前級(jí)泵；2、4、6、7、9、13、15—真空閥門；3—?dú)庠矗?—穩(wěn)壓室；8—?dú)怏w質(zhì)量流量控制器；10—校準(zhǔn)室；11—參考真空計(jì);12—被測(cè)真空計(jì);14—分子泵圖2 真空計(jì)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)始測(cè)試前，通過(guò)閥門4、7、9向校準(zhǔn)室10內(nèi)輸入約50 kPa的N2后，再關(guān)閉上述閥門，將被測(cè)真空計(jì)安裝在校準(zhǔn)室赤道的接口上。隨后通過(guò)前級(jí)泵1、閥門15、13和分子泵14組成的抽氣系統(tǒng)將真空抽至極限真空以減少本底誤差，然后可以開(kāi)始測(cè)試，通過(guò)氣源3和閥門4向穩(wěn)壓室5輸入一定壓力的N2，關(guān)閉閥門4，然后打開(kāi)測(cè)量控制軟件，輸入指定真空度，自動(dòng)測(cè)試軟件采用PID算法調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量控制器的通氣量，將校準(zhǔn)室真空度調(diào)節(jié)至測(cè)試點(diǎn)要求的真空度，等待參考真空計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄參考真空計(jì)和測(cè)真空計(jì)的讀數(shù)并計(jì)算誤差。此過(guò)程需要依次在10-6～10-3mbar(1 mbar=100 Pa)范圍內(nèi)的每一個(gè)量級(jí)下均勻測(cè)量3組數(shù)據(jù)樣本。

2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)有多種選擇。其中，LabVIEW是一種基于G語(yǔ)言(graphics language，圖形化編程語(yǔ)言)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有可視化界面，是實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和顯示的理想選擇[5-10]。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅提高了開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)增強(qiáng)了可維護(hù)性，還為未來(lái)程序功能的擴(kuò)展留下空間[11-14]。下面對(duì)系統(tǒng)PID控制算法及實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集等關(guān)鍵VI模塊予以說(shuō)明。

2.1 控制算法

2.1.1 PID控制系統(tǒng)原理

PID控制算法簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠且結(jié)構(gòu)清晰、易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于特定的控制對(duì)象，具有很強(qiáng)的魯棒性，是一種常見(jiàn)的控制器，其思路在于把采集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)設(shè)定值進(jìn)行比較，然后將誤差通過(guò)比例、積分、微分算法處理計(jì)算出新的輸出值，該值再輸入給執(zhí)行部件，使系統(tǒng)達(dá)到或保持在設(shè)定值[14]。本系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)室內(nèi)真空度的調(diào)節(jié)與控制，PID控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖

圖3中ysp為設(shè)定值，即測(cè)試點(diǎn)目標(biāo)真空度；y為系統(tǒng)輸出，即通過(guò)PID控制氣體質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)后的實(shí)際真空度；e為控制誤差，e=ysp-y，即設(shè)定真空度值與實(shí)際測(cè)量真空度值的差；u為控制信號(hào)，通過(guò)PID控制器計(jì)算出控制氣體質(zhì)量流量控制器閥門開(kāi)度的大小值。PID控制器的表達(dá)式為

(1)

式中：u為系統(tǒng)控制輸出；kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)。

式(1)中比例環(huán)節(jié)，即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差，用以減小系統(tǒng)偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；微分環(huán)節(jié)主要反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

為了便于程序的實(shí)現(xiàn)，將PID離散化后可得

(2)

式中：u(k)和e(k)分別為第k次采樣的計(jì)算機(jī)輸出值和誤差值，本系統(tǒng)的采樣周期取1 s。

2.1.2 繼電反饋PID自整定方法

PID控制器能否實(shí)現(xiàn)較好的控制效果與PID的參數(shù)值的選取有很大關(guān)系。其參數(shù)的取值將影響PID控制器的性能，參數(shù)整定不當(dāng)不但會(huì)影響控制的精度，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于真空計(jì)測(cè)試系統(tǒng)存在諸多不確定性，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)，設(shè)備、環(huán)境對(duì)其影響較大，在本測(cè)試過(guò)程中由于測(cè)試點(diǎn)的不同會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)境發(fā)生改變，就需要對(duì)參數(shù)重新進(jìn)行整定。傳統(tǒng)的PID控制器的整定方法往往依靠經(jīng)驗(yàn)，為了提高PID整定參數(shù)的準(zhǔn)確性，PID控制自整定技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生[15]。

本系統(tǒng)采用繼電反饋PID自整定方法計(jì)算PID控制器的參數(shù)。自整定控制系統(tǒng)原理如圖4所示。該系統(tǒng)有2種模式：控制模式和自整定模式。在自整定模式下，閉環(huán)控制回路中加入繼電特性的非線性控制，使被控過(guò)程產(chǎn)生極限環(huán)振蕩，并由極限環(huán)振蕩曲線得到系統(tǒng)的特征參數(shù)，臨界比例Ku和臨界振蕩周期Tu，再利用Z-N臨界比例度PID參數(shù)整定表計(jì)算對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)；在控制模式下，利用自整定模式下求得的控制器參數(shù)進(jìn)行PID控制。如果系統(tǒng)的測(cè)試條件發(fā)生變化，需要重新回到自整定模式進(jìn)行參數(shù)整定，整定結(jié)束后再回到控制模式。相較于傳統(tǒng)的PID參數(shù)自整定技術(shù)，耗時(shí)少且易于使用，全程只需要確定一個(gè)參數(shù)就可以自動(dòng)整定計(jì)算出PID的控制器的參數(shù)[16]。

圖4 自整定控制系統(tǒng)原理

利用描述函數(shù)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析可以確定臨界增益和臨界振蕩周期。當(dāng)系統(tǒng)處于等幅值振蕩，非線性環(huán)節(jié)輸入一個(gè)正弦信號(hào)e(t)=Asinωt，在標(biāo)準(zhǔn)繼電情況下，繼電輸出u(t)的周期為Tu、幅值為M的方波信號(hào)，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

(3)

1+N(A)Gp(jω)=0

(4)

式中Gp(jω)為被控過(guò)程。

Z-N臨界比例度公式的參數(shù)Ku和Tu可以通過(guò)以下方程表示：

(5)

Tu=(Tmax-Tmin)×2

(6)

式中：Ku為繼電特性在傳輸幅度為等幅振蕩的正弦信號(hào)時(shí)的等價(jià)臨界振蕩比例增益；Tu為臨界振蕩周期；A為幅值，可依據(jù)圖5所示的基于繼電特性的PID參數(shù)自整定算法的控制過(guò)程曲線計(jì)算，

(7)

式中：ymax和ymin分別為自整定過(guò)程中系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的等幅振蕩后系統(tǒng)輸出最大值和最小值；Tmax和Tmin為其對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

圖5 繼電振蕩自整定過(guò)程曲線

當(dāng)自整定過(guò)程達(dá)到等幅振蕩之后，結(jié)合式(5)～式(7)計(jì)算臨界增益Ku和振蕩周期Tu，再由Z-N臨界比例度PID參數(shù)表表1計(jì)算PID控制器的參數(shù)。

表1 臨界比例度PID參數(shù)整定

2.1.3PID控制程序的實(shí)現(xiàn)

利用LabVIEW提供的PID自整定模塊可以快速實(shí)現(xiàn)PID控制，該模塊提供PID的基本算法，不僅可以手動(dòng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以利用自整定向?qū)?duì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)的整定。開(kāi)發(fā)者只需要對(duì)PID自整定模塊的接線定義進(jìn)行相應(yīng)的接線即可。PID控制程序如圖6所示。設(shè)定值是指被控過(guò)程變量的目標(biāo)值，即測(cè)試過(guò)程中所要獲得的目標(biāo)真空度值；過(guò)程變量指被控變量的測(cè)量值，即測(cè)試過(guò)程中真空計(jì)所采集的實(shí)時(shí)真空度值，根據(jù)實(shí)際情況，氣體質(zhì)量流量計(jì)的最小和最大開(kāi)度范圍為0～100%。

圖6 PID控制程序

當(dāng)設(shè)定值或測(cè)試條件發(fā)生變化后，需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的整定。自整定向?qū)ч_(kāi)啟參數(shù)整定效果如圖7所示，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的控制類型，改變繼電振幅等獲得更好的控制效果。

2.2 儀表通信部分實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)真空測(cè)量部分選用德國(guó)Thyacont全量程高精度真空計(jì)，該儀表測(cè)量范圍為1 000～10-8mbar，能夠覆蓋實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)試范圍，進(jìn)氣控制系統(tǒng)部分選用CS200型數(shù)字式氣體質(zhì)量流量控制器，該儀表能夠提供2、5、10 sccm(1 sccm=1.69 mPa·m3/s)等多種流量量程的氣體質(zhì)量流量控制器，能夠滿足不同量級(jí)真空度下校準(zhǔn)室的供氣需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空計(jì)測(cè)試系統(tǒng)流量的測(cè)量和調(diào)節(jié)。兩種儀器都提供RS485通信接口，通過(guò)串行通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)真空計(jì)和氣體質(zhì)量流量控制器的測(cè)量與控制。

LabVIEW提供了完善的串口應(yīng)用模塊VISA，是一組標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱，可作為上位機(jī)和下位機(jī)之間的連接模塊。本軟件用到了4個(gè)串口操作函數(shù)，分別是VISA Configure Serial Port串口參數(shù)初始化函數(shù)，用于設(shè)置串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗(yàn)方式、停止位數(shù)等參數(shù)；VISA Write串口寫函數(shù)，向串口緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)；VISA Read串口讀函數(shù)，讀取串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；VISA Close關(guān)閉串口函數(shù)，結(jié)束與指定串口資源之間的會(huì)話。流量計(jì)通信部分程序如圖8所示。

圖8 流量計(jì)通信程序

LabVIEW提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、字符截取和字符轉(zhuǎn)換等功能的模塊，以滿足不同的數(shù)據(jù)處理需求。以真空計(jì)為例，上位機(jī)通過(guò)RS485串口與真空計(jì)通信，首先根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)值讀取指令發(fā)送給真空計(jì)，然后接收包含當(dāng)前真空度信息的數(shù)據(jù)幀，返回的數(shù)據(jù)幀通常包含多種信息，為了方便數(shù)據(jù)的處理，需要對(duì)返回的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理。此部分主要用到“搜索/拆分字符串”函數(shù)，用于搜索特定字符串中的信息，并將匹配后的信息輸出；“分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)，使科學(xué)計(jì)數(shù)法字符轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，方便后續(xù)程序之間的數(shù)據(jù)傳輸；“寫入文本文件”函數(shù)，將采集到的信息進(jìn)行保存，方便日后數(shù)據(jù)的整理和查找。真空計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理程序如圖9所示。

圖9 真空計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理程序

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

LabVIEW提供了諸多圖形化控件，使得軟件界面友好。按照實(shí)際需要對(duì)軟件添加實(shí)時(shí)曲線變化顯示等功能，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加直觀，便于人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察。軟件的主界面如圖9所示。包括參考真空計(jì)設(shè)置，待測(cè)真空計(jì)，氣體質(zhì)量流量控制器和真空度控制4個(gè)部分。

圖10 軟件主界面

4 測(cè)試結(jié)果與分析

按照上述的實(shí)驗(yàn)流程在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下使用同一參考真空計(jì)，對(duì)同一臺(tái)Thyacont真空計(jì)分別采用人工測(cè)試和軟件自動(dòng)測(cè)試兩種方式進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量結(jié)果如表2和表3所示。

表2 人工測(cè)試

表3 自動(dòng)測(cè)試

排除環(huán)境擾動(dòng)和真空計(jì)本身的測(cè)試誤差等因素后，分析表2和表3人工測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，自動(dòng)測(cè)試結(jié)果與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果基本相同，能夠代替手工對(duì)真空計(jì)測(cè)試。相較于手動(dòng)測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)采用圖形化操作界面，實(shí)驗(yàn)人員操作方便，數(shù)據(jù)顯示直觀，易于觀察。

(2)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、準(zhǔn)確，避免引入人為誤差導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

(3)在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)每個(gè)被檢定儀器的技術(shù)指標(biāo)動(dòng)態(tài)的對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行判斷，實(shí)時(shí)顯示該測(cè)量點(diǎn)數(shù)是否符合技術(shù)指標(biāo)要求，免去人工計(jì)算、判斷，降低測(cè)試人員工作強(qiáng)度。

(4)具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能，可隨時(shí)查閱已測(cè)儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果。

(5)自動(dòng)測(cè)試程序中加入的PID控制器，能夠快速地將真空度調(diào)節(jié)至指定測(cè)試點(diǎn)真空度。測(cè)試時(shí)間從手工的1～2 min縮減至自動(dòng)調(diào)節(jié)的10 s左右，節(jié)省了測(cè)試時(shí)間，提升了測(cè)試效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的真空計(jì)參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，界面友好，操作簡(jiǎn)單，使用過(guò)程中用戶只需要對(duì)真空計(jì)、氣體質(zhì)量流量控制器和真空度的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置便可自動(dòng)完成測(cè)試。與手動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，應(yīng)用該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠替代手工測(cè)試，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與真空度調(diào)節(jié)的自動(dòng)化，從而縮短了真空計(jì)參數(shù)的測(cè)試周期，減輕了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度；同時(shí)消除了測(cè)試人員由于手工記錄數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)而造成的實(shí)驗(yàn)誤差，提高了測(cè)試精度；加入的PID控制算法使系統(tǒng)能快速達(dá)到測(cè)試點(diǎn)真空度，提高了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度；加入的繼電型參數(shù)自整定提高了PID控制算法對(duì)系統(tǒng)的適應(yīng)性；程序采用的模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性、可維護(hù)性大大提高。