用于壓力傳感器測試的自動壓力控制系統的研制

王洋

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

隨著自動控制技術的發展，精密氣壓產生與控制技術的應用越來越廣泛。而傳統的閥門控制器控制精度不夠，運行速度緩慢，且價格昂貴，已不能滿足精密氣壓產生與控制的要求。

國內外氣體壓力控制裝置相同點在于，裝置的測量準確度、測量范圍取決于標準壓力傳感器。數字式壓力控制器通常由壓力源、標準壓力傳感器、壓力控制系統、數據采集模塊、通訊接口等幾大部分組成，可用于壓力變送器、壓力傳感器、數字壓力計等電量或數字量輸出儀器的校準。世界各國先后推出了可自動控制的高準確度的數字壓力控制器，而國產的數字壓力控制器還較少，其不確定度在0.05%左右。進口的氣體壓力控制器價格在十萬元人民幣以上，控制響應時間5 s左右。

1 系統總體設計

1.1 國內外方案比較

壓力控制系統關鍵的部分就是對氣體壓力實現自動控制，下面分析幾種典型壓力控制方案的優缺點。

1)變容積控制

通過改變密閉容器內氣體的體積來改變輸出壓力。此方法的優點是不需要外部氣源，在小范圍表壓力和小疏空壓力時有較好的控制準確度;缺點是可變容器內氣體壓力變化靠活塞的移動來實現，因此密封是一大難題，而且在變容積控制過程中，系統與外界環境存在熱交換，溫度的變化會反過來影響系統內的壓力，氣體變化介于等溫與絕熱過程中間，難以建立理想的數學模型，增加控制難度。

2)伺服閥控制

伺服閥控制是依靠伺服閥開度和方向的變化，改變壓力容器內壓力的變化速度和壓力值，從而達到控制目的。應用伺服閥作為壓力控制部件的優點是裝置結構相對簡單，具有較好的控制準確度和響應速度;缺點是難以實現較高壓力的控制，伺服閥往往都是成品，不一定適合課題所需壓力范圍，且成本較高。

3)比例閥控制

電氣比例壓力閥是近年來研制的一種機電一體化元件，它在控制性能上比氣動比例閥有了較大的改進。電氣比例閥以滑閥為主，用比例電磁鐵直接控制閥芯的位移，使得閥門的開度與控制電壓成比例。通過比例閥開度的變化，控制壓力容器內壓力的升降速度和壓力值。用比例閥作為壓力控制部件的優點是裝置結構相對簡單，且具有較好的控制準確度和響應速度;缺點是可控壓力范圍較小。

4)流量結合電磁閥控制

電磁閥在氣壓控制過程中比較常用，它在工業控制系統中起到調整介質的方向、流量、速度和其他的參數的作用。電磁閥種類多，不同的電磁閥在控制系統的不同位置發揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節閥等。用電磁閥作為壓力控制部件的優點是:電磁閥作為一種理想的電－氣控制轉換組件，只有“開”、“關”兩種極限工作狀態，目的是確保某一管路的開通與截止;不存在準確度很高的間歇配合，消除了多種非線性因素，如死區、干摩擦等的影響，利用電磁閥的開度固定這一特點，為便于控制，可對進氣閥、排氣閥入口和出口的壓差進行控制，使其近似維持恒定值。

1.2 技術指標

鑒于以上方案中所出現的問題，研制了用于壓力傳感器測試的自動壓力控制系統，以解決傳統的閥門控制器控制精度不夠、運行速度緩慢且價格昂貴的缺點。自動壓力控制系統具體的技術指標為:壓力測量范圍為0～360 kPa;允許誤差為±0.18 kPa;控制穩定性為±0.05%FS/30 s;控制響應時間≤3 s。

1.3 系統模型建立

自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置 (稱控制裝置或控制器)，使機器、設備或生產過程 (統稱被控對象)的某個工作狀態或參數 (即被控制量)自動地按照預定的規律運行。為了實現各種復雜的控制任務，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機的總體，這就是自動控制系統。在自動控制系統中，被控對象的輸出量即被控量是要求嚴格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度、壓力等;而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體，它可以采用不同的原理和方式對被控對象進行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統。

一個完整的過程控制系統圖一般有調節器 (控制器)、執行器、被控過程和測量變送器四個環節。因此本系統模型初步設計構圖由控制器和執行器、壓力容器和測量采集部分組成。系統模型設計方框圖如圖1所示。圖1是一個簡單的反饋控制系統。

圖1 系統模型設計方框圖

1.4 系統組成

所謂壓力控制系統就是利用管道或容器中的介質壓力作為被控制量，從而保證輸出一個恒定氣壓的反饋控制系統。氣體壓力控制過程實際上是密閉容腔的充放氣過程。本壓力控制系統主要由壓力源、控制模塊、比例控制部分、常開電磁閥、密封氣容、標準壓力傳感器、D/A模塊組成的氣路及電路控制系統 (包含繼電器卡)、PC/104主板，顯示終端等幾大部分組成。系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖

1.5 原理介紹

自動壓力控制系統工作原理為:給定目標壓力值，系統的控制器給比例控制系統發送電壓控制信號，比例控制系統通過內部傳感器輸出的信號控制內部的進氣和排氣電磁閥開關調整容器內氣體壓力得到與目標壓力相近的當前壓力值，再通過D/A模塊對標準傳感器輸出的信號進行采集。目標壓力值以模擬量的方式輸入控制器中，與采集到的標準傳感器值進行比較，實現實時控制密閉容腔氣體壓力的目的，從而得到高精度的氣體標準壓力。

2 系統硬件設計與實現

PC/104主板在裝置中起界面顯示、功能選擇、參數輸入、數據采集、控制量輸出、數據處理、存儲等功能。它在結構、硬件、軟件上與標準PC總線兼容，采用模塊化設計方法，大大縮小了體積，并采用CMOS芯片，功耗較低。采用PC/104作為核心中央處理器，可以將主要精力放在軟件和接口的設計上，風險小，大大縮短開發周期，體現最新技術。

顯示終端在整個裝置中起著與人交流的橋梁作用，通過對其進行界面設計，使其不僅具有生動的基本界面圖片、文字和控制器狀態顯示功能，而且還有單位選擇、參數設定與目標壓力值輸入等功能。

電路控制系統作為裝置的數據采集、數據比較、“命令”傳達工具，能快速采集壓力傳感器反饋的當前壓力所對應的電壓值，并與輸入的電壓信號比較，響應PC/104主板傳來的開關控制信號，只需對繼電器端口地址寫入控制數據即可控制相應閥門的開關動作，以實現對氣路中電磁閥的控制，從而實現對裝置輸出壓力的控制。

該壓力控制系統的關鍵問題是壓力的測量和控制。壓力的測量準確度取決于選用的標準壓力傳感器。因而在標準傳感器選型確定的情況下，采用何種方案控制壓力就成為設計的核心問題。本系統采用的壓力傳感器，量程0～360 kPa，最大允許誤差為±0.04%FS。

氣路控制系統用來快速、準確并穩定的將系統內壓力控制在用戶指定的壓力點上。壓力調節過程中的關鍵在于確定設定壓力點所需的氣體量。控制過程中，首先通過控制系統判斷校準系統的容積 (包括:控制器自身、被檢器、管路)，然后根據設定的控制規律對氣路中閥門的開閉進行控制，充/放氣，從而達到設定的目標壓力值。該系統采用兩個電磁閥和壓力傳感器配合的方式進行氣路設計，其氣路設計如圖3所示。

圖3 系統氣路設計圖

壓力傳感器A和電磁閥A，B共同組成比例控制系統。

壓力傳感器的作用是測量系統壓力。傳感器的準確度和穩定性直接影響到裝置的測量和控制不確定度及控制響應時間。氣路中共設計了兩只不同的傳感器，分別為:壓力傳感器A準確度等級為0.05級，輸出為0～10 V;壓力傳感器B準確度等級為0.02級，數字輸出，同樣用作壓力測量，此傳感器在0～50℃范圍內進行了全溫度補償，可有效消除溫度變化對測量準確度的影響。

結合電路控制系統描述壓力控制過程:輸出的壓力與輸入的電信號成比例，壓力是靠兩個電磁閥來控制。其中電磁閥A的作用是進氣控制，電磁閥B用于排氣控制。壓力傳感器1用來測量輸出的壓力，并對電路控制提供反饋電壓信號。反饋回的信號跟輸入的命令信號相比較。兩個信號的差值使其中一個電磁閥動作，或者打開使流量進入，或者讓氣體排出系統。準確的壓力依靠控制這兩個電磁閥來實現。當控制響應時間需要小于3 s，實現快速控制壓力的目的，就需要犧牲整套系統的測量準確度，此時氣路中不需要壓力傳感器B，僅用壓力傳感器A的測量準確度來決定整個系統的測量準確度。若想實現更高的測量準確度，氣路中需要A，B兩只傳感器共同作用，首先需要比例控制系統對輸出壓力進行控制，接著利用壓力傳感器B對系統壓力進行測量，并進一步的微調，調整對比例控制系統輸入的電信號，經過多次信息反饋和循環控制后，達到目標壓力。

3 系統軟件設計與介紹

3.1 軟件開發工具LabVIEW簡介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工作平臺)是目前較為成功、應用廣泛的虛擬儀器軟件開發環境，最新版本為LabVIEW 8.6。LabVIEW 8.6是一個高效的圖形化程序設計環境，結合了簡單易用的圖形式開發環境與靈活強大的G編程語言;提供了一個直覺式的環境，與測量緊密結合，在這個平臺上，各種領域的專業工程師和科學家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標來方便迅速地建立高水平的應用程序;支持多種系統平臺，在任何一個平臺上開發的LabVIEW應用程序可直接移植到其它平臺上。

3.2 系統流程圖

自動壓力控制系統的系統流程圖如圖4所示，比例控制算法流程圖如圖5所示。

3.3 系統軟件功能介紹及程序實現

3.3.1 手動控制

手動控制用于壓力傳感器的單點測試。操作方法:手動輸入單點的目標壓力值，點擊確定鍵，系統開始控制加/減壓力，并將當前壓力值實時顯示在主界面的數值顯示區內，若當前壓力值誤差達到系統要求的誤差±0.05%FS時，顯示平衡壓力 (格式:*當前壓力值)。

3.3.2 自動控制

圖4 系統流程圖

圖5 比例控制算法流程圖

為了實現連續點的壓力控制和測量，本系統添加了自動控制功能，在主界面的功能區點擊自動功能鍵，輸入需要測試的壓力范圍、點數、測試循環次數、單點穩定時間，系統即可自動加/減壓，實現連續自動的壓力控制和測量，并在自動控制界面上顯示循環控制的當前壓力值組及其曲線。

3.3.3 內部校準

為了避免比例控制部分傳感器的漂移，得到更好的壓力線性曲線，本系統加入了內部校準功能。

3.3.4 外部校準

為了避免標準傳感器的漂移，得到更好的壓力線性曲線，本系統加入了外部校準功能，外部校準需要用戶接入標準壓力源，對系統標準壓力傳感器進行校準。

3.3.5 遠程控制

為了方便用戶使用，本系統特別加入了遠程控制程序，用戶可以方便的通過遠程命令使用計算機對本儀器進行控制。

遠程命令格式如下:

手動控制命令:#P＊＊＊U＊＊。命令中:P＊＊＊代表目標壓力值;U＊＊代表壓力單位，其中＊＊代表壓力單位代號。

自動控制命令:#A＊＊＊－＊＊＊S＊＊C＊＊T＊＊U＊＊。命令中:A代表自動;＊＊＊－＊＊＊代表自動控制的壓力范圍;S＊＊代表選取的點數;C＊＊代表循環次數;T＊＊代表單點穩定時間;U＊＊代表壓力單位。

內部校準命令:#IS＊＊。命令中:I代表內部校準;S＊＊代表校準的點數。

4 系統測試試驗

在量程范圍內，平均選取10個壓力點進行測試，實驗數據如表1所示，測試試驗表明，該壓力控制系統滿足技術指標要求。誤差－0.18～+0.18 kPa，控制穩定性±0.05%FS/30 s，控制響應時間≤3 s。

表1 系統測試試驗 kPa

5 結論

該裝置的整個開發過程涉及了硬件設計、比例控制以及軟件算法的實現。使用比例控制技術與模糊控制理論對壓力系統進行設計，利用LabVIEW軟件實現系統壓力產生算法，可實現單點或者連續點的壓力控制，控制精度高，相應速度快，穩定性高。該裝置的研制解決了傳統的閥門控制器控制精度不夠、運行速度緩慢且價格昂貴的缺點，大大提高了壓力傳感器測試的效率和準確性。

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