高溫高壓活塞-圓筒式裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

程 鵬 ，饒建華 ，劉東升

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司產(chǎn)品研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

0 引言

活塞-圓筒式裝置(piston-cylinder apparatus)作為一種結(jié)構(gòu)相對簡易的高溫高壓實(shí)驗(yàn)儀器，廣泛應(yīng)用于新型材料合成、熱力學(xué)和地球科學(xué)等研究領(lǐng)域[1-4]。其工作原理是由液壓發(fā)生單元產(chǎn)生高壓，通過容器的液壓缸將壓力施加于硬質(zhì)合金材質(zhì)的活塞，活塞再擠壓圓筒壓腔中的實(shí)驗(yàn)組件，通過傳壓介質(zhì)使樣品產(chǎn)生高壓，其壓力和油壓具有良好的線性關(guān)系，而高溫環(huán)境由石墨電阻爐通電發(fā)熱產(chǎn)生，測溫元件常采用熱電偶。目前，中科院廣州地化所、吉林大學(xué)、北京大學(xué)及中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)等單位的實(shí)驗(yàn)室均有活塞-圓筒式裝置在使用，主要依賴進(jìn)口，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而國產(chǎn)儀器仍然與世界先進(jìn)水平有不小差距。

本文基于現(xiàn)有高溫高壓活塞-圓筒式裝置機(jī)械系統(tǒng)，開發(fā)了一種以工業(yè)觸摸屏、PC-PLC、溫控器為整體方案的控制系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)加壓(溫)、保壓(溫)和減壓(溫)過程的全自動高精度控制。

1 活塞-圓筒式裝置的機(jī)械系統(tǒng)

活塞-圓筒式裝置機(jī)械系統(tǒng)為高溫高壓的產(chǎn)生提供物質(zhì)基礎(chǔ)，高溫由石墨爐通電產(chǎn)生，其溫度由溫控器改變調(diào)功器輸出控制；而高壓環(huán)境由液壓加載系統(tǒng)推動液壓缸作用于樣品產(chǎn)生，本文液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為100 MPa，其液壓原理如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

其工作原理如下所述。

a.加壓和保壓時。調(diào)整相應(yīng)液壓閥的狀態(tài)，油液通過液壓管路進(jìn)入容器液壓缸上腔體，使其活塞到位，操作相應(yīng)的超高壓液壓閥，使增壓器的高壓端與容器液壓缸上腔體連通，進(jìn)入加壓階段，此時與低壓端連通的液壓泵泵油，對低壓端進(jìn)行加壓，使高壓端的壓力按目標(biāo)速率上升，對其進(jìn)行加壓時，容器液壓缸下腔體的油液經(jīng)液壓閥后回油箱。

b.減壓時。根據(jù)實(shí)際需求改變液壓閥門的狀態(tài)，在高壓段，通過控制減壓缸以達(dá)到減壓，在低壓段，通過控制液壓泵和比例閥以達(dá)到較大速率的減壓效果。

c.減壓結(jié)束后。改變超高壓液壓閥的狀態(tài)，打開油液泵向容器液壓缸下腔體泵油，使容器液壓缸上腔的油液經(jīng)液壓閥后回到油箱，使容器液壓缸活塞退回起點(diǎn)，至此，壓力加載系統(tǒng)控制的整個過程完成。

2 活塞-圓筒式裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括工業(yè)觸摸屏、PC，以及分別控制壓力和溫度的控制器4大部分。工業(yè)觸摸屏以及PC都提供了通信協(xié)議，用于與PLC和溫控器通信[5-7]，操作者在工業(yè)觸摸屏及PC上可直接設(shè)置參數(shù)，可監(jiān)視數(shù)據(jù)。在壓力控制中，需控制2個伺服電機(jī)驅(qū)動器和比例閥，需采集油壓傳感器、拉桿傳感器和拉線傳感器的模擬信號，使用了有2個串口的PLC作為本文的壓力控制器，并按照需求擴(kuò)展了模擬量輸入輸出模塊。在溫度控制中，選用了可編程溫控器作為控制器，其通過通信端口與工業(yè)觸摸屏和 PC通信，可以通過熱電偶采集樣品加熱溫度，并可按設(shè)定好的參數(shù)對溫度進(jìn)行控制，整個控制系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件原理

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照活塞-圓筒式裝置的實(shí)際工況，軟件系統(tǒng)應(yīng)包含以下3個功能。

a.具有手動和自動操作模式。在手動模式時操作者可設(shè)置調(diào)功器的輸出以及各伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；自動模式時能夠根據(jù)操作者的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行控制，對于壓力控制，需要能夠進(jìn)行自動加壓、保壓及減壓，同樣，對于溫度控制，需要能夠進(jìn)行自動升溫、保溫和降溫。

b.系統(tǒng)具有報(bào)警功能。由于活塞-圓筒式裝置在工況下壓力很大，如若壓力發(fā)生較大的波動，將造成相當(dāng)嚴(yán)重的后果，所以程序在壓力(溫度)超過一定波動范圍或超過上限時，能夠穩(wěn)妥地處理并對操作人員發(fā)出報(bào)警信息。

c.系統(tǒng)具有簡潔實(shí)用的交互界面，能夠?qū)崟r顯示各項(xiàng)控制參數(shù)，能夠繪制變化曲線，并且能夠完成數(shù)據(jù)保存供實(shí)驗(yàn)后的分析。

本文選用了DOP-W105B型工業(yè)觸摸屏，在其編程軟件中可以完成畫面、按鈕等簡單功能，對于數(shù)據(jù)操作處理等復(fù)雜功能需要借助宏功能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求，需要在工業(yè)觸摸屏上可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，可以查看壓力(溫度)目標(biāo)曲線，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出。用戶可以操作觸摸屏，實(shí)現(xiàn)手動或自動控制壓力和溫度。對于壓力控制區(qū)，用戶可觸摸操作完成壓力控制參數(shù)的設(shè)置，壓力控制界面如圖3所示。

圖3 壓力控制界面

圖3中，①為自動手動按鈕，用于切換壓力控制狀態(tài)；②為目標(biāo)壓力及目標(biāo)加(減)壓速率；③為控制模式，分別有加壓、減壓、保壓及停止4種狀態(tài)；④在自動狀態(tài)時為顯示控件，分別顯示液壓泵伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速及減壓缸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，而在手動狀態(tài)時為輸入空間，可手動輸入2個伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；⑤為目標(biāo)壓力及當(dāng)前壓力的顯示曲線；⑥為當(dāng)前壓力值顯示；⑦為最高壓力設(shè)置；⑧為拉線傳感器與拉桿傳感器位置。

對于溫度控制，工業(yè)觸摸屏與溫控器均有RS485及RS232通信接口，考慮到控制柜中具有調(diào)功器及伺服電機(jī)驅(qū)動器等強(qiáng)干擾源，選擇工業(yè)觸摸屏與PLC通過抗干擾能力更強(qiáng)的RS485方式連接，在DOPSOFT軟件需對工業(yè)觸摸屏通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使之與溫控器相一致，對于溫控器的控制是通過ModBus RTU協(xié)議實(shí)現(xiàn)[8-9]，如此工業(yè)觸摸屏可修改溫控器中寄存器的值。對于溫度控制區(qū)，用戶可觸摸操作，完成溫度控制參數(shù)的設(shè)置，溫度控制界面如圖4所示。

圖4 溫度控制界面

圖4中，①為自動手動按鈕，用于切換溫度控制狀態(tài)；②為目標(biāo)溫度及目標(biāo)升(降)溫速率；③為控制模式，分別有升溫、降溫、保溫及淬火4種狀態(tài)；④為輸出百分比的上下限設(shè)置，以防發(fā)生熱電偶斷開時溫度發(fā)生劇烈變化；⑤為目標(biāo)溫度及當(dāng)前溫度的顯示曲線；⑥為當(dāng)前溫度值顯示；⑦在自動模式時為顯示控件，顯示當(dāng)前溫控器輸出百分比，而在手動模式時為輸入控件，可手動寫入溫控器的輸出；⑧為溫控器輸出百分比的柱狀圖。

2.3 基于變比例PID的壓力控制策略

常用的PID控制策略是基于偏差的反饋控制，連續(xù) PID 算法表達(dá)式為

(1)

將其離散化后，適用于PLC的數(shù)字式PID控制輸出可以表示為

KD[e(k)-e(k-1)]

(2)

KP，KI和KD分別為比例增益、積分和微分系數(shù)。較優(yōu)的PID參數(shù)可能只適合在某一條件下運(yùn)行，當(dāng)工況變化后其參數(shù)可能需要再次進(jìn)行調(diào)整，才能使其達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。常用的PID參數(shù)調(diào)節(jié)控制算法有分段式PID控制算法與模糊PID控制算法等。分段式 PID 簡單實(shí)用，但其缺陷在于分段切換點(diǎn)誤差較大，控制精度的提高有限，而模糊PID控制算法中的模糊控制規(guī)則主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定義，調(diào)試周期較長。

由實(shí)際測試可知，系統(tǒng)輸出壓力較小時，比例增益過大容易導(dǎo)致超調(diào)，柱塞泵泄漏量隨系統(tǒng)輸出壓力增大而增大，此時比例增益過小又使系統(tǒng)輸出難以快速響應(yīng)，從而導(dǎo)致誤差增大。

本文根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出一種變比例PID控制算法，即比例增益隨著被控量的目標(biāo)值變化而變化，將比例系數(shù)與超高壓柱塞泵的目標(biāo)壓力設(shè)定為線性關(guān)系，即

KP=a·P+b

(3)

KP為PID比例增益；P為系統(tǒng)壓力控制目標(biāo)值；a和b為常數(shù)，其值通過不同目標(biāo)值最優(yōu)比例增益結(jié)果擬合得到。KI和KD也可通過類似擬合曲線動態(tài)調(diào)整，但由于其最優(yōu)結(jié)果不具有較好的線性關(guān)系，所以本文采用了目標(biāo)中間值的一組最優(yōu)KI和KD值。

將比例增益設(shè)置為以控制目標(biāo)值為自變量的時變函數(shù)，使其隨著控制目標(biāo)的增高而增大，其本質(zhì)是一種一維的自適應(yīng)模糊控制，且模糊控制區(qū)間被無限細(xì)分，其優(yōu)勢在于僅通過少量參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)就可得到所需設(shè)置參數(shù)，使用方便，控制精度高。

本文需對液壓泵、液壓比例閥和減壓缸分別采用變比例PID控制策略，達(dá)到壓力控制效果，其控制流程如圖5所示。

圖5 壓力控制流程

3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建完成的系統(tǒng)整體如圖6所示。

圖6 搭建完成的系統(tǒng)整體

為測試控制系統(tǒng)效果，在搭建的系統(tǒng)平臺進(jìn)行了壓力與溫度控制實(shí)驗(yàn)，壓力控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為以3 MPa/min速率升壓至100 MPa，經(jīng)過30 min保壓后，以1 MPa/min速率減壓，過程誤差如圖7所示。由圖7可知，壓力控制誤差控制在±0.6 MPa。

溫度控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為以20 ℃/min速率升至800 ℃，經(jīng)過30 min保溫后以30 ℃/min速率降溫，過程誤差如圖8所示，誤差控制在±3 ℃。壓力控制與溫度控制的測試結(jié)果證明整個控制系統(tǒng)在功能和精度上都完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 溫度控制誤差

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了高溫高壓活塞-圓筒式裝置的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以工業(yè)觸摸屏、PC-PLC、溫控器為核心，采用工業(yè)觸摸屏與PC實(shí)現(xiàn)使用和調(diào)試時的人機(jī)交互，利用溫控器實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，提出一種變比例PID控制策略，并基于PLC平臺實(shí)現(xiàn)了壓力的精確控制。在搭建平臺上的溫度壓力控制實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地精確控制溫度和壓力?？刂葡到y(tǒng)的各項(xiàng)性能滿足高溫高壓活塞-圓筒式裝置的需求。