??? 摘 要： 介紹了一種高精度壓力測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C51單片機為控制核心，由前端小信號壓力檢測與濾波電路和移相調(diào)壓電路等組成。針對壓阻傳感器存在的非線性誤差，從軟件和硬件兩方面進行誤差修正和補償，以保證測量壓力的精度。同時，采用積分分離PID控制算法和最優(yōu)控制參數(shù)整定方法以達到提高控制壓力精度的目的。
??? 關(guān)鍵詞： 高精度；壓力測控；壓力傳感器；PID控制算法
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??? 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的重要參數(shù)，壓力檢測和控制的準確性直接影響著生產(chǎn)安全性和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在很多工業(yè)現(xiàn)場，對壓力測量及控制精度都有很高的要求。很多情況下，除需要隨時了解生產(chǎn)過程中介質(zhì)壓力的變化外, 還需要將壓力自動保持在一定的范圍內(nèi)[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(guān)的控制算法并在實驗室中通過反復(fù)調(diào)試控制參數(shù)[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(chǔ)。
1 硬件設(shè)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。
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??? 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，寬電壓、不怕電源抖動，內(nèi)帶看門狗電路和E2PROM，支持程序串口下載，能很好地滿足系統(tǒng)的可靠性及控制要求。
??? 實驗室中的控制對象為液壓壓力試驗系統(tǒng)，硅壓阻將壓力信號變?yōu)殡娮栊盘枺偻ㄟ^適當?shù)碾娐忿D(zhuǎn)化為電壓信號，并經(jīng)放大濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器；然后輸出BCD碼進入CPU，通過軟件對所測電壓進行數(shù)字非線性校正，同時將所測壓力在LED上進行實時顯示。通過系統(tǒng)程序，對PID運算以及輸出進行控制，最終由CPU給出控制壓力回路的有效電壓，通過移相調(diào)壓達到調(diào)壓目的。
1.1 檢測部分
??? 大多數(shù)壓力檢測電路都采用恒流源或恒壓源，也有采用比例法的。其實質(zhì)是無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本身電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響，恒流源的電流信號應(yīng)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采集壓力變化的信號，采用三線制接線。
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??? 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(guān)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)壓的方法來實現(xiàn)調(diào)壓，硬件電路如圖3所示。
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??? 由于對電容C的充放電，使得在A點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，通過示波器觀察，波形下降段的角度非常接近90°。調(diào)整R、C的參數(shù)，可以改變鋸齒波的幅值。B點為控制電壓，它是PID運算后得到的數(shù)字控制量再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出所得到的直流電壓。A、B兩點的電壓信號作為比較器輸入，當B點電壓高于A點電壓時，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即在可控硅的開通時刻得到脈沖電壓。顯然，B點的信號幅值決定移相角的大小，調(diào)節(jié)該信號即可控制可控硅輸出電壓的大小，達到調(diào)節(jié)液壓閥開度的目的。
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(shè)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(gòu)成了友善的人機交互界面。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)定采樣周期為3s，而控制周期為1s。通過鍵盤設(shè)定初始比例系數(shù)、積分系數(shù)及設(shè)定壓力，輸入后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份，即將參數(shù)存入單片機內(nèi)E2PROM中。
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??? 除了硬件濾波外，設(shè)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?？刂扑惴ú捎梅e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(yīng)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(shè)計中采用了積分分離PID算法。從實驗結(jié)果看，其性能指標均有所提高。當被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用；當被控量與設(shè)定值偏差很小時，加入積分作用。也就是說系統(tǒng)啟動、停止或大幅度改變設(shè)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(shè)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(quán)系數(shù)β。當 e(k)的絕對值小于等于e0時，β值取1；當 e(k)的絕對值大于e0時，β值取0。
??? 因此，式（2）可改寫為：
2.2 參數(shù)整定
??? 設(shè)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(jié)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(jié)果看，當設(shè)定壓力為25MPa時，最后穩(wěn)定壓力為25.03MPa，控制效果比較理想。
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??? 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(jié)構(gòu)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(yīng)用到大部分壓力高精度控制場合中，具有較高的應(yīng)用價值。
參考文獻
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