組合式壓力控制方法的研究與應用*

王英喜，龔筍根，許宜柱，陳海強，常開應

(昆明海威機電技術研究所，云南 昆明 650236)

0 引 言

壓力模擬設備在水下產品壓力調試中有著廣泛的應用，它可以模擬水下產品工作時水壓的深度變化，提供產品工作時的水壓深度值，同時也可以用于壓力儀器儀表的校驗。 目前，壓力模擬設備大都采用PID 控制算法[1]，由于目標壓力與電機轉速之間存在非線性關系，而且加壓范圍較寬，PID 控制算法在比例、積分和微分參數整定時，整定工作比較繁瑣，工作量大，需要調試人員有一定的PID 參數整定調試經驗。 如果僅使用單一的PI/PD 控制參數，容易導致某一段范圍內壓力誤差較大，目標壓力不能達到壓力模擬設備的設計需求。 “指數函數＋PID”的組合型控制算法，不僅可以通過指數函數算法將壓力快速加壓到目標壓力，而且通過PID 算法可保證目標壓力的穩定控制。

筆者通過對組合式壓力控制方法進行研究及實際驗證，得出此控制方法加壓穩定、可靠，單次加壓時間短、精度高，能滿足水下產品的調試和壓力儀器儀表的壓力校驗使用要求，具有一定的社會價值和經濟效益，具有較好的工程應用推廣價值，應用市場前景廣闊。

1 PID 控制算法

PID 控制算法就是比例(Proportion)、積分(Integration)和微分(Differential)調節器，PID 控制就是根據連續前、后兩次系統計算出來的測量誤差，利用比例、積分、微分計算出當前控制量并進行控制的方法。PID 控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容，當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或不能得到精確的數學模型，控制理論的其他技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場反復調試來整定，公式(1)為PID 控制算法:

式中:e(t)為輸入的誤差信號；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；u(t)為控制器輸出。

2 設備組成及工作原理

2.1 設備組成

壓力模擬設備主要由機械結構、電控系統和控制軟件三部分組成。 機械結構主要由便攜式機箱、齒輪泵、油箱、液壓管路和加壓接頭等組成。 電控系統主要由工業控制計算機、壓力傳感器、變頻器、串口通信轉換模塊、交流異步電機、供電電路等組成。 控制軟件主要由操作界面模塊、自動加壓模塊、變頻器控制模塊、壓力傳感器采集模塊等組成。 壓力模擬設備的結構組成如圖1 所示。

圖1 壓力模擬設備組成框圖

工控計算機:低功耗無風扇嵌入式工控機，Intel Atom 雙核1.33 GHz 處理器，1XRS-232，1XRS-232/422/485，用于運行自動加壓控制軟件，通過RS-422通信控制變頻器的頻率，通過RS-485 實時讀取壓力傳感器的壓力數值。

變頻器:Micro Drive FC51，將工頻電源轉換成任意頻率、任意電壓交流電源的一種電氣設備。 變頻器的作用主要是調整電機的功率、實現電機的變速運行，并降低電機啟動電流。

壓力傳感器:MPM4730 是一款高精度、高穩定性的智能化壓力測量產品，用于實時采集、顯示設備當前的壓力值。

齒輪泵:結構簡單，工作要求低，用于提高液體流量輸出的速度。

2.2 設備工作原理

壓力模擬設備[2]控制軟件根據目標壓力與當前實際壓力，按照控制算法計算對應的電機頻率輸出值，通過RS-422 通信改變變頻器的頻率值，控制電機轉速帶動齒輪泵加壓，達到壓力輸出的目的。

壓力模擬設備是由工業控制計算機、變頻器、壓力傳感器組成的閉環控制系統。 其工作原理為:工業控制計算機實時采集壓力傳感器的實際壓力值，計算目標壓力與實際壓力值偏差對應的電機轉速，通過變頻器控制交流異步電機轉速，實現對目標壓力的控制。 壓力模擬設備的硬件接口框圖、通信接口框圖如圖2 所示。

圖2 硬件接口框圖

3 電控系統設計

電控系統主要包括工業控制計算機外圍通信電路設計，變頻器通信接口設計、壓力傳感器通信接口設計，變頻電機控制電路設計[3]和上位機通信接口設計等。 電控系統結構框圖如圖2 所示，電機控制電路框圖和控制系統通信電路框圖如圖3 所示。

圖3 通信接口框圖

4 控制軟件設計

壓力模擬設備控制軟件采用Windows 平臺下著名的快速應用程序開發工具Delphi 2010 進行設計和開發，主要包括本地自動加壓功能、遠程自動加壓功能、零位標定和退出程序四個模塊。 壓力模擬設備軟件功能框圖如圖4 所示。

4.1 操作界面設計

壓力模擬設備控制軟件包括遠程自動加壓、本地自動加壓、壓力校零和退出程序四個主要模塊，人機操作界面如圖5 所示。 本地自動加壓，在目標壓力輸入框中輸入目標壓力，壓力模擬設備可以實現自動加壓控制。 遠程自動加壓，控制軟件接收到上位機下傳的加壓指令后，壓力模擬設備可以實現自動加壓控制。 壓力校零，設備長期閑置或異地轉場后，為了減小壓力變送器的測量誤差，可以對壓力變送器進行零位標校。 退出程序，彈出退出確認框，選擇“是”退出程序， 選擇“否”返回程序。

圖5 壓力模擬設備操作界面

4.2 壓力采集設計

壓力模擬設備控制軟件通過RS-485 通信接口協議，向壓力變送器發送相應功能的壓力變送器控制字，以達到讀取壓力變送器壓力值和檢查壓力變送器狀態的目的。 其部分代碼如下:

Procedure ComMPMRecData

begin

Tstr:＝’’；

move(buffer＾，Pchar(＠MPM_buf)＾)，12)；

for i:＝1 to 12 do

Tstr:＝Tstr＋char(MPM_buf[i])；

if ((pos(‘.’，Tstr))＞1) then

begin

Tstr:＝’’；

for i:＝5 to 10 do

begin

ch:＝char(MPM_buf[i])；

ifch in [‘0’..’9’，’.’，’-‘，’＋’] then

Tstr:＝Tstr＋char(MPM_buf[i])；

end；

end；

end.

4.3 變頻器控制設計

壓力模擬設備控制軟件通過RS-422 通信接口協議，向變頻器發送相應功能的變頻器控制字，以達到控制變頻器頻率和檢查變頻器狀態的目的。 其中包含校驗碼代碼，其部分代碼如下:

freq:＝round((freq*(16384/50)))；

str2:＝inttostr(round(freq)，2)；

if (length(str2)＝2) then str2:＝'00'＋str2 else if(length(str2)＝3) then str2:＝'0'＋str2；

m:＝1；n:＝1；BCC:＝0；str:＝str1＋str2；

while (m＜length(str)) do

begin

s2:＝midstr(str，m，2)；

BCC:＝(BCC xor byte(strtoint('＄'＋s2)))；

m:＝m＋2；n:＝n＋1；

end；

str3:＝inttohex(BCC，2)；

str:＝str＋str3；m:＝1；n:＝1；

str:＝stringreplace(str，' '，''，[rfreplaceAll])；

while (m＜length(str)) do

begin

s2:＝midstr(str，m，2)；

sbuf[n]:＝byte(strtoint('＄'＋s2)))；

m:＝m＋2；n:＝n＋1；

end；

ComDan.WriteCommData(Pchar(＠sbuf[1]，8).

4.4 控制軟件設計

壓力模擬設備控制軟件采用“指數函數＋PID”的組合型控制算法進行設計。 由于電機的轉速與輸出壓力之間存在非線性關系，所以在正式進行參數整定設計之前，應采用開環系統，預先測試電機頻率和壓力輸出之間的對應函數關系，經過曲線擬合得出相應參數后再進行閉環參數整定。 電機頻率和壓力輸出之間的曲線擬合按照步驟(1)和(2)方法即可實現。

(1) 按照表1 所列的頻率/轉速，手動控制電機轉動，記錄對應頻率/轉速與實際壓力值的對應值。

表1 頻率/轉速與壓力對應數據

(2) 通過LabVIEW 工具軟件應用最小二乘法——指數函數擬合方法對頻率/轉速和實際壓力值進行曲線擬合，擬合曲線如圖6 所示，得出幅值A和冪B的數值，公式(2)、(3)為最小二乘法擬合算法:

圖6 頻率/轉速和實際壓力值擬合曲線

(3) 控制軟件通過曲線擬合得到指數函數幅值A和冪B的數值，生成快速的壓力到頻率轉換的對應函數關系式:Power((depth/A/100)，1/B)，控制軟件以最接近的頻率/轉速控制變頻器，控制電機快速向目標壓力加壓，然后再以PID 控制模式對壓力偏差進行微調控制和穩壓控制，以達到控制壓力的目的。其主要部分函數模塊代碼如下:

freq:＝power((depth/A/100)，1/B)/ /目標壓力到頻率轉換模塊

PressToDepth(dest_depth)/ /快速接近加壓模塊

PressToDepth((dest_depth-curr_depth)/2)/ /微調控制加壓模塊

abs(dest_depth-curr_depth)＜＝MyPara.BiasErr/ /

加壓完成判斷模塊

5 試驗結果

在壓力模擬設備加壓實驗中，以0 MPa 為起始壓力點，以0.1 MPa 為間隔逐次增加，并以控制軟件界面上采集顯示的實時壓力為準，用秒表記錄下每次從當前壓力到達目標壓力所需的時間，以完成一次加壓過程作為一個循環，一次循環記錄的數據如表2 所列。 由于壓力模擬設備控制軟件中分段設置了0.005 MPa(0～1 MPa)、0.01 MPa(1～2 MPa)和0.02 MPa(2～3 MPa)的加壓誤差門限，所以實測壓力與目標壓力差的絕對值小于分段誤差時，控制軟件認為壓力模擬設備已加壓到目標壓力，一次加壓動作完成。

表2 試驗驗證數據

6 結 語

針對水下產品壓力模擬設備控制系統，提出了一種基于“指數函數＋PID”的組合型控制算法，即通過指數函數控制方式實現壓力向目標壓力的指數型快速逼近，再按經典PID 控制模式實現壓力的微調和穩壓控制。 經0 ～300 m 加壓試驗表明:該控制方法穩定、可靠，單次加壓時間較短，保持在6～12 s 內，加壓平均誤差-0.35%，加壓精度較高，完全滿足水中產品調試和壓力儀器儀表的標定和校驗的使用要求。