熱交變壓力伺服控制系統設計

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023）

汽車空調的壓縮機、冷凝器、蒸發器以及各種管路等附件隨著汽車工況的不同會承受各種高、低壓力的沖擊，而檢驗這些零部件受壓能力的最好方法是進行交變壓力耐久試驗。試驗的關鍵是需要對壓力進行精確控制，另外還需要對循環介質的溫度及環境溫度進行自動控制，這對控制系統的性能和可靠性提出了很高的要求。筆者針對當前國內汽車空調試驗的實際需求以及國外先進設備的現有功能，采用將計算機控制技術和可編程邏輯控制器組合在一起的控制技術[1]，提出了控制系統的設計方法及思路，并闡述了部分軟硬件實現方法。

1 系統結構設計

系統總體結構如圖1所示。圖中STC89C54是下位機的核心控制單元，完成系統的現場信號采集、處理、邏輯運算以及控制算法的實現，它與上位機通過串口進行信息的交互。其外圍電路有4種電路組成，分別為模擬量輸入采樣電路、開關量輸入采樣電路、模擬量輸出控制電路、開關量輸出控制電路。

圖1 系統總體結構圖

由于系統要求有比較高的采樣與控制精度，所以在設計中采用12位的模數、數模轉換器，同時為了完成多點溫度和壓力的檢測與控制，使用8路AI采樣通道和4路的AO輸出通道；為了完成對多個繼電器和電磁閥的狀態檢測以及準確控制，使用16路的D1通道和16路的DO通道。

2 硬件電路設計

2．1 模擬量輸入通道的設計

壓力信號采樣通道如圖2所示。壓力傳感器的輸入信號為-10～＋10V的電壓信號。電壓信號經過U404A電壓反向跟隨器后，再與U404B的調零電路電壓疊加，其目的是用來校正輸入信號的零位，接著電壓信號再進入U404C的放大濾波電路，對前級的信號進行適當的縮放、濾波處理，使其在A／D的采樣范圍內，最后在經過2個限幅的保護二極管后經過U404D的電壓跟隨器送入A／D采樣器。

圖2 壓力信號采樣通道

溫度信號采樣通道如圖3所示。溫度傳感器采用PT100熱敏電阻，其阻值隨溫度上升而增加；PT100與U403A組成溫度檢測電路，把PT100阻值的變化量轉換成U403A輸出端的電壓變化值，該電壓再與U403B所在的調零電路電壓疊加，調零的目的是用來校正輸入信號的零位。通道中的U403C、U403D兩級電路與壓力采樣通道相同，起放大、濾波、限幅、電壓跟隨等作用。

圖3 溫度信號采樣通道

2．2 開關量輸入通道的設計

開關量輸入通道采用光電隔離器TLP521進行隔離，單片機IO口采樣輸入端采用1kΩ的保護電阻和10kΩ的上拉電阻，其電路圖如圖4所示。

圖4 開關量輸入通道

2．3 開關量輸出通道的設計

開關量輸出通道的設計電路如圖5所示。數字信號輸出端DO經過緩沖器74LS07開漏輸出，控制繼電器的開端和閉合，從而控制外接電路的通斷。

圖5 開關量輸出通道

2．4 模擬量輸出通道的設計

壓力控制輸出通道是整個控制系統的核心，也是較為復雜的控制單元，其直接驅動一個電液伺服閥，驅動信號為 -7～7mA，具體通道電路如圖6所示。

壓力控制的數字信號經12位A／D轉換成電壓信號，經過適當放大，再與調零電路疊加，得到矯正后的控制信號。后一級為電壓／電流轉換電路，把電壓信號轉換成 -7～7mA內的電流信號輸入到伺服閥的控制信號端，從而實現壓力的精確控制。

圖6 壓力控制輸出通道

溫度控制輸出通道如圖7所示。控制溫度的數字信號經過12位的D／A后，經前一級運放轉換為-5～0V的電壓信號，再經后一級的放大濾波電路，轉換成0～10V的電壓信號并送給加熱器的控制部分，從而實現溫度的精確控制。

3 控制算法與軟件設計

整個軟件分為上位機的人機交互軟件和下位機的測控軟件兩部分。上位機為工業控制計算機，其人機交互軟件采用VB編寫，主要作用是實現與下位機通訊以及人機交互。下位機測控軟件的主要任務如下：①采樣取得各路溫度、壓力信號以及開關閥的狀態，并對數據進行處理；②完成與上位機的通訊，包括上傳溫度信號、開關信號以便上位機顯示，接收上位機下傳的各路溫度流量設定值以及各種控制命令以便執行上位機下傳的控制命令；③根據內部程序控制算法對溫度、流量控制進行實時控制。

圖7 溫度控制輸出通道

壓力控制和溫度控制是典型過程控制，也是整個下位機軟件的核心部分，其中壓力控制是典型的隨動控制系統，要求輸出壓力隨給定信號的變化而變化，因而快速性和跟隨性是整個壓力控制系統最重要的指標。為了確保輸出壓力跟隨的快速性與準確性，對交變壓力控制采用雙閉環隨動控制系統，系統結構如圖8所示。內環采用比例微分(PD）控制算法，利用微分環節的超前預估控制作用以提高系統壓力跟隨的快速性；外環采用比例積分(PI）控制算法，利用積分環節能徹底消除穩態誤差的特點以確保壓力跟隨的準確性[2]。

圖8 交變壓力控制結構圖

溫度控制分為介質溫度控制和環境溫度控制，可以通過調節加熱絲的平均功率來實現。由于被控對象比較復雜且有很大的滯后性，為確保控制精度，采用基于模糊推理的自整定比例積分微分(PID）控制算法[3]，其控制結構如圖9所示。

圖9 溫度控制結構圖

[1]鄒俊，傅新，楊華勇，等．免疫PID在液壓位置伺服系統中的應用研究 [J]．機械工程學報，2005，24（1）：1-5．

[2]陶永華．新型PID控制及其應用 [M]．北京：機械工業出版社，2002．

[3]劉子龍，劉國忠，劉沽，等．一種基于自適應的復合PID控制在非對稱缸電液伺服系統中的應用 [J]．機床與液壓，2004（6）：102-105．