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壓力是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的重要參數，壓力檢測和控制的準確性直接影響著(zhù)生產(chǎn)安全性和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在很多工業(yè)現場(chǎng)，對壓力測量及控制精度都有很高的要求。很多情況下，除需要隨時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)壓力的變化外, 還需要將壓力自動(dòng)保持在一定的范圍內[1-2]。顯然，較高的壓力測控精度是溫差控制精度的有力保證。本實(shí)驗系統針對這一要求，以單片機為控制器核心，對壓力傳感器信號進(jìn)行檢測并從硬件和軟件兩方面進(jìn)行誤差校正及補償，對壓力控制采用相關(guān)的控制算法并在實(shí)驗室中通過(guò)反復調試控制參數[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。 1 硬件設計 壓力控制系統對測量部分有較高的要求，系統采用I2C總線(xiàn)型16位串行A/D轉換芯片MAX1119，HKM-375型硅壓阻式壓力傳感器，以STC89C51芯片為核心控制器件，系統硬件框圖如圖1所示。 為提高對壓力的測量精度，首先必須確保測控系統具有很好的抗干擾能力，因此，系統采用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保護，輕松通過(guò)2kV/4kV快速脈沖干擾，寬電壓、不怕電源抖動(dòng)，內帶看門(mén)狗電路和E2PROM，支持程序串口下載，能很好地滿(mǎn)足系統的可靠性及控制要求。 實(shí)驗室中的控制對象為液壓壓力試驗系統，硅壓阻將壓力信號變?yōu)?a href="http://selenalain.com/keyword/電阻" target="_blank" class="relatedlink">電阻信號，再通過(guò)適當的電路轉化為電壓信號，并經(jīng)放大濾波后送入A/D轉換器；然后輸出BCD碼進(jìn)入CPU，通過(guò)軟件對所測電壓進(jìn)行數字非線(xiàn)性校正，同時(shí)將所測壓力在LED上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)系統程序，對PID運算以及輸出進(jìn)行控制，最終由CPU給出控制壓力回路的有效電壓，通過(guò)移相調壓達到調壓目的。 1.1 檢測部分 大多數壓力檢測電路都采用恒流源或恒壓源，也有采用比例法的。其實(shí)質(zhì)是無(wú)論采用恒流源或恒壓源對壓力傳感器供電，都是希望在最后消除電壓或電流的影響。經(jīng)綜合比較，恒流源受環(huán)境影響小、抗噪聲能力強，所以采用恒流源。為保證壓敏元件不受流過(guò)本身電流所產(chǎn)生的熱效應影響，恒流源的電流信號應不大于1mA，這里選用1mA。前端信號的檢測及處理電路如圖2所示。選用HKM-375型硅壓阻式壓力傳感器來(lái)采集壓力變化的信號，采用三線(xiàn)制接線(xiàn)。 從圖2可以得出檢測電路的輸出電壓為： UP=KIΔRP (1) 式中：K為放大器的增益，I為恒流源的電流，ΔRP為壓力傳感器的電阻隨壓力變化產(chǎn)生的改變值。 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(gè)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的溫度系數為0.33%/℃。當系統工作于不同環(huán)境、不同季節時(shí)，恒流源的電流有一定的波動(dòng)[5]。 由于放大器每級輸出存在誤差，給測量精度帶來(lái)了較大影響，故系統通過(guò)軟件對實(shí)測壓力與采樣值的關(guān)系數據作曲線(xiàn)擬合，從而對放大器進(jìn)行誤差校正與補償。 1.2 控制部分 控制部分采用移相調壓的方法來(lái)實(shí)現調壓，硬件電路如圖3所示。 由于對電容C的充放電，使得在A(yíng)點(diǎn)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(guò)示波器觀(guān)察，波形下降段的角度非常接近90°。調整R、C的參數，可以改變鋸齒波的幅值。B點(diǎn)為控制電壓，它是PID運算后得到的數字控制量再通過(guò)模數轉換輸出所得到的直流電壓。A、B兩點(diǎn)的電壓信號作為比較器輸入，當B點(diǎn)電壓高于A(yíng)點(diǎn)電壓時(shí)，比較器發(fā)生翻轉輸出低電平，即在可控硅的開(kāi)通時(shí)刻得到脈沖電壓。顯然，B點(diǎn)的信號幅值決定移相角的大小，調節該信號即可控制可控硅輸出電壓的大小，達到調節液壓閥開(kāi)度的目的。 1.3 人機接口 系統采用獨立式鍵盤(pán)與240×180點(diǎn)陣液晶模塊作為信息輸入輸出設備。鍵盤(pán)通過(guò)優(yōu)先編碼器74LS148與單片機相連，定義了菜單、菜單項上翻/數據增、菜單項下翻/數據減、確認等4個(gè)功能按鍵。液晶模塊顯示控制參數信息或在溫控過(guò)程中顯示實(shí)時(shí)壓力數據。兩者構成了友善的人機交互界面。 2 系統軟件設計 主程序主要處理系統初始化、掃描鍵盤(pán)、采樣壓力值，并對采樣數值進(jìn)行數字濾波、顯示壓力及控制輸出等工作。主程序流程圖如圖4所示。定時(shí)器T0用于定時(shí)控制采樣的時(shí)間。系統設定采樣周期為3s，而控制周期為1s。通過(guò)鍵盤(pán)設定初始比例系數、積分系數及設定壓力，輸入后做相應的數據備份，即將參數存入單片機內E2PROM中。 除了硬件濾波外，設計中還采用了數字濾波方案，以減少干擾信號對有用信號的影響，提高信號的真實(shí)性�？刂扑惴ú捎梅e分分離的數字PID算法，以防止超調量過(guò)大，對于電阻爐這樣純滯后的環(huán)節有一定的補償作用。 2.1 控制算法 數字PID算法用增量式表示為： 由于壓力響應具有遲滯性，屬于一階延時(shí)系統，若采用常規PID算法，控制效果不好，并且會(huì )出現較大的超調量。為了解決這一問(wèn)題，設計中采用了積分分離PID算法。從實(shí)驗結果看，其性能指標均有所提高。當被控量與設定值偏差較大時(shí)，取消積分作用；當被控量與設定值偏差很小時(shí)，加入積分作用。也就是說(shuō)系統啟動(dòng)、停止或大幅度改變設定值時(shí)，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控制，這樣更有利于改善動(dòng)態(tài)特性和消除靜差。具體做法是：針對被控對象參量，設定一個(gè)偏差的門(mén)限e0，當過(guò)程控制中偏差 e(k)的絕對值大于e0時(shí)，系統不引入積分控制，只用PD控制；當偏差 e(k)的絕對值小于e(k)時(shí)，才引入積分控制，即采用PID控制。對計算公式的積分項，乘一個(gè)權系數β。當 e(k)的絕對值小于等于e0時(shí)，β值取1；當 e(k)的絕對值大于e0時(shí)，β值取0。 因此，式（2）可改寫(xiě)為： 2.2 參數整定 設計采用擴充臨界比例度法整定。通過(guò)實(shí)驗測量，被控對象的純滯后時(shí)間為30s左右，因此選擇采樣周期為3s。通過(guò)在實(shí)驗中進(jìn)行一系列實(shí)測數據的比較，選擇控制度為1.2，采用PI控制。整定的各參數值如下：KP=3.14，TK=180s，Ti=0.91，TK=163.8s，Ki=KPT/Ti=0.058。經(jīng)過(guò)對參數微調，最后得出最佳PID參數，即KP=3.14，Ki=0.058。 3 實(shí)驗結果 通過(guò)實(shí)驗室環(huán)境下的多次實(shí)測，得出控制器控制精度在±0.5℃之內。表1為實(shí)驗過(guò)程中的一次數據記錄。從結果看，當設定壓力為25MPa時(shí)，最后穩定壓力為25.03MPa，控制效果比較理想。 系統采用抗干擾性能超強、功耗低的單片機，配合高精度的小信號檢測控制電路，使系統的硬件電路結構得到簡(jiǎn)化。軟件采用必要的誤差校正及控制算法，使測量及控制性能得到了提高。該系統可應用到大部分壓力高精度控制場(chǎng)合中，具有較高的應用價(jià)值。 |
