基于模糊參數自適應PID的高壓爆破片泄壓測試裝置

荊學東　畢亞強

摘要：針對目前缺乏爆破片泄壓測試裝置方面的充分研究，要進行高壓爆破片的泄壓性能測試具有較大困難這一問題，設計一種高壓爆破片泄壓測試裝置，其采用氣液增壓系統來輸出測試時所需的高壓壓力介質。結合爆破片測試的要求，考慮到該系統的非線性特征，建立一種基于模糊邏輯控制器以實現參數自適應調整的PID控制器，并采用LabvIEW為上位機開發平臺，以PLC作為下位機，結合串口通信協議，開發一套適用于該爆破片壓力測試裝置的控制程序，從而實現對壓力的實時監測和控制。實驗結果表明：該控制系統達到預期的設計效果，基本符合國標中對爆破片測試時線性增壓的要求，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：LabVIEw；PLC；氣液增壓；模糊參數自適應PID控制

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05_0083-05

0引言

爆破片作為一種非重復閉合泄放裝置，主要用于保護壓力容器、管道或其他密閉系統，使其避免超壓或真空而破壞。由于爆破片具有準確可靠、適用面廣等特點，近些年來被廣泛用于化工、能源、醫藥等領域。國外對爆破片的研究始于上世紀30年代，國內則是從60年代開始，且所做研究大都集中在爆破片的設計、工藝及安裝使用等方面，針對爆破片泄壓測試的研究較少。王東方研究了壓力變化對爆破片性能昀影響，提出爆破片隨所受壓力和施壓次數增加的爆破壓力銳減系數，并使用水壓試驗系統進行了測試，但其設備笨重且輸出壓力有限：XU等分析了傳統拱形爆破片材料對爆破壓力的影響，并進行了數值模擬和實驗的對比，但對其所用的測試設備介紹極少，其實驗數據的壓力值也均較低：王路逸等針對爆破片疲勞特性做了一定研究，所設計的實驗裝置亦可進行泄壓測試，但其能達到的最大壓力為64 MPa，對高壓及超高壓爆破片的泄壓測試則無能為力。

針對爆破片的安全運行問題，本文參考與爆破片設計及測試相關的國家標準，設計了一種基于LabVIEW和PLC控制的爆破片泄壓測試裝置對爆破片質量進行評估測試。該泄壓測試裝置采用了氣液增壓技術，可實現超高壓輸出，且考慮到非線性系統的控制問題，采用了模糊參數自適應PID的控制策略，重點解決如何進行參數在線調整以及減小系統輸出偏差。

1爆破片泄壓測試裝置的設計

爆破片泄壓測試裝置是由氣液增壓伺服系統和控制系統構成，其基本原理如圖1所示。爆破片泄壓測試裝置的硬件組成主要包括氣動回路及液壓回路中的氣動三元件、氣動比例閥、氣動液壓泵、閥以及控制系統中的上位機、下位機及傳感器。在該測試裝置對爆破片進行泄壓測試時，下位機PLC在接收到來自上位機的信號后控制兩個電磁閥共同得電。一方面使氣控針閥在驅動氣體的作用下閉合，實現液壓回路的保壓：另一方面經氣動比例閥調節后的低壓驅動氣體驅動氣動液壓泵開始工作，使液壓回路中的壓力逐漸上升。液壓回路中的壓力傳感器以及氣動比例閥中內置的空氣壓力傳感器采集壓力數據，并反饋給控制系統，完成對輸出壓力的閉環控制。

1.1爆破片泄壓測試裝置的硬件設計

爆破片壓力測試系統是一個集氣液增壓、數據采集、數據處理與分析為—體的綜合檢測系統。其中，氣動比例閥作為氣液增壓系統的關鍵器件之一，選用了SMC公司的ITV3050系列的01F4CS3，其由電流控制，氣動增壓泵選用Haskel公司的DSTV-1.5HP型雙作用增壓泵，壓力傳感器選用WIKA的A-10型。工業控制計算機是壓力數據存儲及處理的核心部分，其型號為研華UNO-3074A，所搭載的操作系統為Win7 64位，其CPU型號為Intel 13，內存容量40 GB，并且支持RS232串口通信：在工業控制計算機中利用LabVIEW軟件可以輕松開發出具有良好人機界面的上位機程序，完成壓力數據的接收、處理、顯示和打印。下位機選用性價比較高的三菱FX3GA作為主控單元，AD轉換模塊選用三菱FX3U-4AD，DA轉換模塊選用三菱FX2N-2DA，串口通信模塊選用三菱FX3G-232-BD。

1.2爆破片泄壓測試裝置控制程序設計

爆破片泄壓測試裝置的工作流程如圖2所示，根據系統的需求，該測試系統的控制程序主要是控制氣液回路的升壓、保壓和泄壓，以及完成對數據的采集、處理與顯示。

該測試裝置對爆破片進行測試時通過上、下位機控制完成，其中上位機采用LabVIEW進行開發，其軟件結構如圖3所示。LabVIEW程序的執行順序根據數據流的方式確定，整個程序是基于多線程設計的，可以實現多任務的并行，將數據接收、存儲放在一個子VI中，而將數據處理和數據顯示放在另外的子VI中，這就決定了其易于實現程序的模塊化設計。

考慮到PLC數據處理能力較弱等因素，期望輸出由上位機計算后實時發送至PLC中。由于LabVIEW按照數據流模式運行VI，如何合理地將循環中計算的期望輸出發送給PLC成為重要考量。在充分考慮串口發送速度等因素后，采用的定時中斷結構如圖4所示。

上位機與三菱FX-3GA的通信方式一般有兩種：OPC服務器通信與串口通信。通過OPC服務器實現上下位機的通信雖然方便，但成本較高，而使用Modbus協議通信等相對較繁瑣。綜合考慮之下，使用自由口通信協議進行上下位機的通信。由于三菱FX-3GA在進行自由口通信模式時，報頭報尾默認為十六進制字符串，因此將傳輸數據統一轉換為十六進制。在進行測試時為減少工程技術人員的工作量，輸入的壓力數據為十進制數值，因此，需要在上位機中對發往PLC的數據進行轉換。由于LabVIEW中字節數組至字符串轉換函數只能識別八位，為了盡量節省工控機資源并結合實際需求，使用LabVlEW公式節點對輸入壓力值進行類型轉換。

在實際壓力測試與數據采集的過程中，由于系統本身的振動以及外界電磁干擾等因素的影響，若未采取濾波措施或濾波效果較差，則采集到的數據中將包含大量的噪聲。為解決這一問題，除在PLC的AD模塊中進行初步的濾波外，該系統還在上位機程序中利用LabVIEW設計了Butterworth濾波器和Chebyshev濾波器等來進一步對采集到的壓力數據進行處理。

壓力數據在經過濾波處理后，爆破片壓力測試系統的人機交互界面中將會實時顯示，并即時繪制出壓力的變化曲線。依據實際需求，為便于對采集處理后壓力數據進行后續的分析，系統將采集的所有壓力數據及對應時間寫入文本文檔中進行保存備份。

1.3爆破片泄壓測試裝置控制策略設計

由于氣液增壓伺服系統是一個強非線性的高階系統，其工作狀態和特性參數實時變化，而常規的定參數PID控制器具有線性特性，只在工作點附近保持良好的控制性能，因此在偏離工作點較遠的位置，常規固定參數的PID控制器將因控制對象的時滯特性以及非線性特征而變得難以保持所設計的動態控制品質。基于以上分析，本文采用了一種模糊參數自適應PID控制器。其中，模糊控制器的設計包括語言變量及其范圍的選擇、隸屬度函數的設計、控制規則設計和去模糊化方法的選擇。該模糊參數自適應PID控制器控制原理如圖5所示。

該控制器以工作點附近的PID參數作為其起始參數，通過獲取輸入量偏差e、偏差變化量ec，并通過計算得到該PID控制器的參數調整系數△K_p、△T_i、△T_d，表達式為（1）式中μ為模糊控制器的輸出。

對PID控制器參數的實時調整，使該控制器能夠圖5模糊參數自適應P1D控制器控制原理更好適用于氣液增壓伺服系統的控制表達式為

用PLC對模擬量進行PID控制時通常可以采用PID控制模塊、PID指令或通過自編程序實現PID控制等。PID過程控制模塊是由PLC廠家設計并存放在模塊中，盡管使用方便但價格昂貴。PID指令由PLC主控單元提供，其與模擬/數字和數字/模擬模塊組合使用時，可以獲得近似于使用PID控制模塊的效果，成本卻低得多；但其博而不專，調整時間長且準確度不佳。因此，在上位機中設計了與系統相適應的模糊控制器，并將模糊控制器的輸出發送至PLC中，對PLC中的PID控制器的參數進行在線調整。

2系統測試結果與分析

該爆破片壓力測試系統設計完成后，通過建立該系統數學模型，利用Mariab/simulink工具進行PID控制器設計，計算并選取出一組合理的PID參數值，在經過反復地試驗和調試后，完成對參數自適應PTD控制器的起始參數整定。

在實驗室內進行泄壓測試系統性能測試以驗證本文所設計的爆破片泄壓測試裝置的實際效果。在爆破片泄壓測試裝置的上位機界面中，輸入測試壓力700 bar（1 bar=100 kPa），然后對通信參數進行配置，在界面中點擊確定壓力輸入后，該測試裝置開始控制氣液回路按測試要求進行升壓，完成對爆破片的泄壓測試，測試結束后保存并記錄上位機接收的壓力數據。圖6所示為測試裝置壓力線性上升階段的上位機運行圖。從圖中可以看出，壓力基本為線性上升，但由于元器件動態響應等因素的影響，系統輸出仍有一定的偏差，壓力值仍存在一定程度上的波動。在后續實際的壓力測試試驗時，該系統可以完成0～100 MPa之間的爆破片壓力測試，并且輸出準確度高、響應速度快，基本滿足了與爆破片設計及測試相關的國家標準中對爆破試驗的要求。

3結束語

綜上對爆破片泄壓測試裝置設計的分析和研究，在其硬件設計以及軟件設計的各個環節中，綜合考慮了控制準確度、成本和可靠性。通過實際的測試證明，基于LabvIEw和PLc開發的控制系統基本實現了系統輸出壓力的線性升壓，并且具有穩態誤差小、輸出準確度高以及可靠性好的優點，基本達到了設計要求。該測試系統具有實現方便、成本低等特點，且基本能夠滿足國標中對爆破片壓力測試的要求，在檢驗爆破片生產質量及促進生產工藝進步等方面將發揮一定的作用。

（編輯：商丹丹）