氣體壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、氣體壓力閉環(huán)限制系統(tǒng)設(shè)計 氣體壓力的自動化測試和限制是一個古老而又不斷更新的課題,隨著自動限制和計算機技術(shù)迅猛開展,給氣體壓力限制技術(shù)帶來了深刻的影響.精密氣壓的產(chǎn)生與限制技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛特別是應(yīng)用于液壓和氣動設(shè)備的檢驗,對氣壓的限制精度和限制穩(wěn)定性提出了越來越高的要求.目前,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)日益復(fù)雜化,為滿足生產(chǎn)條件和產(chǎn)品精密的要求,必須不斷改良信號采集和控制的方式方法,向更加快捷、 高效、 準(zhǔn)確、實時以及遠(yuǎn)程限制的方向開展.氣體限制是利用各種限制元件 各種閥、缸等和限制器,組成限制回路以進(jìn)行自動限制. 在某型裝備測試操作中,需要往高壓氣瓶中注入高壓工作氣體,高壓氣體在注入的過程中出于平安起見

2、需要精確限制充氣速度.因此,本文采用閉環(huán)限制系統(tǒng)通過計算機對氣體管路進(jìn)行實時限制,在裝置運行過程中根據(jù)壓力表反應(yīng)的數(shù)據(jù),動態(tài)調(diào)節(jié)閥門 的開啟度,限制充氣速度在適宜的范圍. 1整體方案設(shè)計 對氣閥的流速做出限制,最簡單易行的方法就是改變進(jìn)氣時氣流流通的橫截面積,可以通過在進(jìn)氣道中設(shè)置一錐形活塞,通過精確限制錐形活塞的行程來改變進(jìn)氣道流通面積,而精確限制錐 形活塞的行程可以通過步進(jìn)電機帶動絲桿傳動系統(tǒng),做出精確位 移來實現(xiàn). 整個閉環(huán)限制系統(tǒng)由PC系統(tǒng)、氣體管路系統(tǒng)和步進(jìn)電機系 統(tǒng)構(gòu)成.在VC+2022環(huán)境下,由PC系統(tǒng)限制壓力表實時采集管路的壓力值,實時數(shù)據(jù)經(jīng)過Matlab的多項回歸處理得出 壓

3、力的實時變化快慢來閉環(huán)限制步進(jìn)電機調(diào)節(jié)精密閥門開度,實 現(xiàn)氣閥充氣速度的自動限制. 1.1 硬件設(shè)計 系統(tǒng)以ICOP最近推出的一款功能齊全完美的PC104單板電腦VDX-6354為核心,主板采用標(biāo)準(zhǔn)PC104結(jié)構(gòu),小尺寸并擁有完整性的功能,運算時的穩(wěn)定度高,執(zhí)行速度快,功耗低,-40+85C的軍工級工作溫度. 步進(jìn)電機限制系統(tǒng)選用RORZE系歹U,通過RS232總線和電腦通信,包括RD-023MS驅(qū)動器、RC-002電平變換器和RC-233定位主控器、*步進(jìn)電機.該系列步進(jìn)電機系統(tǒng),以程序取代人的操作,配備功能強大的編碼器,利用RD-023MS驅(qū)動器,不需要外接脈沖信號和驅(qū)動電路,通過程序指令

4、限制電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)、 加速、 減速、 查詢、 定位等功能.RC233定位主控器可以 有80,320,1,64,50,400幾種細(xì)分,滿足不同速度的需求. 壓力表選用ACD-2精密數(shù)字壓力表,它是一款高精度智能測量儀表,由壓力傳感器和信號處理電路組成.壓力傳感器采用進(jìn) 口傳感器,性能優(yōu)越,具有精度高、抗腐蝕、抗沖擊、抗震動、高穩(wěn) 定性等優(yōu)點,可靠性高.壓力表通過RS485接口與電腦通信連接,驅(qū)動和限制程序簡單,氯壓表12V直流電壓供電.由于RS485串行接口屬于一種差分標(biāo)準(zhǔn),允許1對雙絞線上1個發(fā)送器驅(qū)動多個負(fù)載設(shè)備,RS485通信多用在主從式多機通信中,但其作為一種半雙工的通信方式,在1

5、條通信電纜上掛許多設(shè)備時,一定要保證在總線上只有1臺設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài),其他設(shè)備一定要處于接收狀態(tài)；而一旦同時2臺設(shè)備都處于發(fā)送狀態(tài),必然會出現(xiàn)總線沖突的現(xiàn)象.針對上述問題,解決的關(guān)鍵是一定要限制好 各臺設(shè)備的接收與發(fā)送狀態(tài)即RS485接口器的收發(fā)狀態(tài),本系統(tǒng) 中兩個壓力表工作時間不同步,可以防止這種收發(fā)沖突. 氣體管路組件選用寧波星箭航天機械廠的過濾器、截止閥、閥門和導(dǎo)管,硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示. 圖1硬件系統(tǒng)示意圖 1.2 軟件設(shè)計 軟件局部通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)遠(yuǎn)程編程,在其他電腦上WindowsXP環(huán)境下用VC+2022和Matlab混合編程最后 將可執(zhí)行文件以靜態(tài)庫的形式移植到單板電腦上運

6、行,分為主程 序模塊、硬件驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)處理模塊三個局部,后兩個局部均以類的形式封裝.VisualC+是Windows平臺下強有力的高級編程語言,能夠方便快速地開發(fā)出界面友好,執(zhí)行速度快,易于維護(hù)升級的系統(tǒng)軟件.然而VisualC+只提供了一些根本的數(shù) 學(xué)函數(shù)庫,當(dāng)遇到復(fù)雜的數(shù)值運算時,重新編寫程序代碼延長軟件開發(fā)周期,增加軟件開發(fā)本錢.Matlab擁有獨立的數(shù)學(xué)函數(shù)庫,包含有大量優(yōu)化了的數(shù)學(xué)函數(shù),同時提供了對C+語言的函數(shù)接口,用戶可以方便地在VC+的集成開發(fā)環(huán)境中調(diào)用.但Matlab的應(yīng)用程序接口并不是很強大,它不能傳輸除了數(shù)值之外的其他數(shù)據(jù),而VC+卻具有強大的程序接口,能傳輸任何數(shù)據(jù),

7、但其進(jìn)行復(fù)雜計算的水平不是很強.因此,假設(shè)將兩者結(jié)合起來, 協(xié)同工作,必將提升軟件開發(fā)效率.程序流程圖如圖2所示,初始 狀態(tài)把閥門定在完全關(guān)閉的狀態(tài),規(guī)定電機逆時針為正. 圖2程序流程圖 1.2.1 主程序模塊 主要是聲明成員變量,調(diào)用硬件驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的已經(jīng)定義好的類函數(shù).主程序根據(jù)氣壓表模塊輸出的壓力值,然 后用數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析根據(jù)壓力值的變化來閉環(huán)限制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的方向,壓力變化過快,那么需要減小精密閥門開度,電機反轉(zhuǎn),壓力變化過慢那么電機正轉(zhuǎn),使壓力上升速度在一個平安高效的范圍內(nèi). 1.2.2 硬件驅(qū)動模塊 硬件驅(qū)動模塊用于對硬件設(shè)計局部主要儀表的限制和驅(qū)動, 主要包括

8、氣壓表模塊、步進(jìn)電機模塊和串口模塊,各分模塊也是 均以類的形式進(jìn)行封裝. 氣壓表模塊,表1和表2在氣壓表內(nèi)部可以進(jìn)行初始設(shè)定編 號01,02,表1責(zé)放氣時的氣壓讀數(shù),表2負(fù)責(zé)充氣.氣壓表實時監(jiān)測高壓管路的壓力值,實際上一秒最多可采集數(shù)據(jù)20次,PC機通過串口模塊實時向氣壓表發(fā)送命令“01“02通過MFC 對話框的形式實時接收氣壓表返回的壓力值,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得出 壓力值變化的速度來閉環(huán)限制步進(jìn)電機,使充放氣速度在一個安 全高效的范圍. 步進(jìn)電機模塊,直接發(fā)送程序指令來限制電機實現(xiàn)各個動作.電機步距角為1.8步,細(xì)分50時,轉(zhuǎn)動一圈需要10000個脈沖,在導(dǎo)軌上從原點至終點共需65圈65000個

9、脈沖.這里將 平面直角坐標(biāo)系引入模塊中,將步進(jìn)電機的行程65000個脈沖均分為100份,坐標(biāo)原點設(shè)為閥門完全關(guān)閉點,坐標(biāo)100處閥門完全翻開.在步進(jìn)電機限制中引入坐標(biāo)系,可以通過對坐標(biāo)點的標(biāo)定 來定位電機,有以下幾大好處： (1)利于閉環(huán)限制程序的編寫.閉環(huán)限制可用一個循環(huán)程序來實現(xiàn),有了坐標(biāo)系,就可以方便定義一個位置變量,以壓力變化快慢作為循環(huán)條件,位置變量作相應(yīng)的增減,即可限制電機的正反轉(zhuǎn),改變精密閥門的行程,調(diào)節(jié)閥門開度實現(xiàn)氣壓限制； (2)限制步進(jìn)電機的行程.步進(jìn)電機的活動范圍限制為坐標(biāo) 0100之間,在不可見系統(tǒng)中解決步進(jìn)電機失步碰撞問題,可以替 代接近開關(guān)的作用； (3)實時查詢步

10、進(jìn)電機的位置.查詢錐形活塞所處點的坐標(biāo), 根據(jù)坐標(biāo)和閥門旋轉(zhuǎn)螺旋間距,就可以得出電機的位移,相當(dāng)于一個位移傳感器. 串口模塊,在VC+2022對話框編輯框中添加ActiveX控件MicrosoftCommunicationControl,給該控件命名并在對話框?qū)傩钥蚶镌O(shè)置相應(yīng)的參數(shù),即可以直接調(diào)用串口. 1.2.3 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理局部采用的是VC+和Matlab混合編程的方法,VC作為客戶端,利用其能夠簡單地同底層硬件資源進(jìn)行通信的優(yōu)點,將數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中,再將數(shù)據(jù)送到Matlab中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過調(diào)用Matlab下數(shù)字信號處理工具箱中的函數(shù)以及自己所寫的函數(shù)進(jìn)行分析.選用Matla

11、b的C/C+編譯器mcc,這種混合編程方式將.m源文件轉(zhuǎn)化為C/C+等各種不同類型的源代碼,并在此根底上根據(jù)應(yīng)用需要生成MEX文件、獨立可執(zhí) 行應(yīng)用程序等文件類型,大大提升程序的運行速度,以及代碼的執(zhí)行效率.由于氣壓表每秒采集數(shù)據(jù)20次為了精確地實現(xiàn)閉環(huán)控 制,把20組數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式最小二乘法曲線擬合,建立第1s內(nèi)氣 壓隨時間變化的函數(shù)模型： p=a0+a1t+antn=Eni=0aiti (1) 在Matlab中調(diào)用回歸命令：A=polyfit(T,P,n),其 中:T=0:0.05：1;P=p0,p1,pn可以通過氣壓表的讀數(shù)得 至fJ;A=an,a1,a0|多項式(1)的系數(shù)；n為多項式

12、的次數(shù). 預(yù)測氣壓的變化速度： P(t)=Eni=1iaiti-1 (2) 多項式擬合數(shù)據(jù)的模型隨著階次n的選擇不同而不同.雖然 n+1個數(shù)據(jù)點可以確定惟一的n階多項式,但實踐證實并不是 階次越高擬合越好,有時會發(fā)生階次越高越不精確的情況.曲線擬合時應(yīng)該根據(jù)實際情況憑借經(jīng)驗及觀察選擇擬合次數(shù),注意檢 驗結(jié)果,比方觀察曲線是否平滑、擬合誤差是否足夠小等,力求準(zhǔn) 確全面地描述輸入數(shù)據(jù)之間的關(guān)系.由每秒的模型得出連續(xù)的氣 壓模型函數(shù)和氣壓變化速度函數(shù)根據(jù)氣壓變化速度函數(shù)在各個 時間點上的值來判斷步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn).數(shù)據(jù)處理模塊也是 以類的形式封裝起來,供主函數(shù)調(diào)用. 2實驗與分析 氣體壓力閉環(huán)限制裝置已經(jīng)應(yīng)用于某型裝備故障檢測中,對 高壓充氣速度進(jìn)行限制,在試驗時,裝置連接在管路中,通過對電機的限制實現(xiàn)對充氣速度的調(diào)節(jié),從而完成