高精度壓力測控系統(tǒng)的試驗研究

1、    高精度壓力測控系統(tǒng)的試驗研究        俞志根 時間:2009年03月26日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        ? 摘 要：關鍵詞： 高精度；壓力測控；壓力傳感器；PID控制算法?1-2。顯然，較高的壓力測控精度是溫差控制精度的有力保

2、證。本實驗系統(tǒng)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行檢測并從硬件和軟件兩方面進行誤差校正及補償，對壓力控制采用相關的控制算法并在實驗室中通過反復調(diào)試控制參數(shù)3-41 硬件設計? 壓力控制系統(tǒng)對測量部分有較高的要求，系統(tǒng)采用I2C總線型16位串行A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)具有很好的抗干擾能力，因此，系統(tǒng)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2kV/4kV快速脈沖干擾，寬電

3、壓、不怕電源抖動，內(nèi)帶看門狗電路和E21.1 檢測部分? 從圖2可以得出檢測電路的輸出電壓為：? UP=KIRP? P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(shù)為0.33%/。當系統(tǒng)工作于不同環(huán)境、不同季節(jié)時，恒流源的電流有一定的波動5。? 由于放大器每級輸出存在誤差，給測量精度帶來了較大影響，故系統(tǒng)通過軟件對實測壓力與采樣值的關系數(shù)據(jù)作曲線擬合，從而對放大器進行誤差校正與補償。1.2 控制部分? 控制部分采用移相調(diào)壓的

4、方法來實現(xiàn)調(diào)壓，硬件電路如圖3所示。?1.3 人機接口? 系統(tǒng)采用獨立式鍵盤與240×180點陣液晶模塊作為信息輸入輸出設備。鍵盤通過優(yōu)先編碼器74LS148與單片機相連，定義了菜單、菜單項上翻/數(shù)據(jù)增、菜單項下翻/數(shù)據(jù)減、確認等4個功能按鍵。液晶模塊顯示控制參數(shù)信息或在溫控過程中顯示實時壓力數(shù)據(jù)。兩者構成了友善的人機交互界面。2 系統(tǒng)軟件設計? 主程序主要處理系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤、采樣壓力值，并對采樣數(shù)值進行數(shù)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。定時器T0用于定時控制采樣的時間。系統(tǒng)設定采樣周期為3s，而控制周期為1s。通過鍵盤設定初始比例系數(shù)、積分系數(shù)及設定

5、壓力，輸入后做相應的數(shù)據(jù)備份，即將參數(shù)存入單片機內(nèi)E2PROM中。? 除了硬件濾波外，設計中還采用了數(shù)字濾波方案，以減少干擾信號對有用信號的影響，提高信號的真實性。控制算法采用積分分離的數(shù)字PID算法，以防止超調(diào)量過大，對于電阻爐這樣純滯后的環(huán)節(jié)有一定的補償作用。2.1 控制算法? 數(shù)字PID算法用增量式表示為：? 由于壓力響應具有遲滯性，屬于一階延時系統(tǒng)，若采用常規(guī)PID算法，控制效果不好，并且會出現(xiàn)較大的超調(diào)量。為了解決這一問題，設計中采用了積分分離PID算法。從實驗結果看，其性能指標均有所提高。當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用；當被控量與設定值偏差很小時，加入積分作用。也就是說系

6、統(tǒng)啟動、停止或大幅度改變設定值時，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，設定一個偏差的門限e0，當過程控制中偏差 e(k)的絕對值大于e0時，系統(tǒng)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，才引入積分控制，即采用PID控制。對計算公式的積分項，乘一個權系數(shù)。當 e(k)的絕對值小于等于e0時，值取1；當 e(k)的絕對值大于e0時，值取0。? 因此，式（2）可改寫為：2.2 參數(shù)整定? 設計采用擴充臨界比例度法整定。通過實驗測量，被控對象的純滯后時間為30s左右，因此選擇采樣周期為3s。通過在實驗

7、中進行一系列實測數(shù)據(jù)的比較，選擇控制度為1.2，采用PI控制。整定的各參數(shù)值如下：KP=3.14，TK=180s，Ti=0.91，TK=163.8s，Ki=KPT/Ti=0.058。經(jīng)過對參數(shù)微調(diào)，最后得出最佳PID參數(shù)，即KP=3.14，Ki=0.058。3 實驗結果? 通過實驗室環(huán)境下的多次實測，得出控制器控制精度在±0.5之內(nèi)。表1為實驗過程中的一次數(shù)據(jù)記錄。從結果看，當設定壓力為25MPa時，最后穩(wěn)定壓力為25.03MPa，控制效果比較理想。? 系統(tǒng)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(tǒng)的硬件電路結構得到簡化。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(tǒng)可應用到大部分壓力高精度控制場合中，具有較高的應用價值。參考文獻1 俞志根.傳感器與檢測技術M.北京：科學技術出版社，2007.2 梁肇全，何泳波.壓力測量和控制裝置J.電子世界，2003(10).3 陳燕秀.基于單片機的壓力測量控制系統(tǒng)研發(fā)J.微計算機信息，2008(3)：102-103.4 劉照紅，王留芳，吳娟.擴散硅壓力傳感器在水力模型實驗裝