氣體壓力閉環(huán)控制系統設計

摘要：由于高壓氣體注入密閉容器時(shí)的速度要求精確控制，需要一種響應迅速，且較為容易實(shí)現計算機精確控制的充氣系統。該氣體壓力閑環(huán)控制系統由PC104 VDX6354微電腦和步進(jìn)電機實(shí)現控制功能，基于VC++和Matlab混合編程，由PC機根據精密數字壓力表實(shí)時(shí)傳輸來(lái)的數據建立氣壓預測模型，閉環(huán)控制步進(jìn)電機，調節精密閥門(mén)的開(kāi)度，從而確保工作氣體的高精度恒壓注入。在步進(jìn)電機控制模塊引入坐標系，成功解決電機的碰撞問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：PC104；步進(jìn)電機；閉環(huán)控制；混合編程

0 引言
氣體壓力的自動(dòng)化測試和控制是一個(gè)古老而又不斷更新的課題，隨著(zhù)自動(dòng)控制和計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，給氣體壓力控制技術(shù)帶來(lái)了深刻的影響。精密氣壓的產(chǎn)生與控制技術(shù)應用越來(lái)越廣泛，特別是應用于液壓和氣動(dòng)設備的檢驗，對氣壓的控制精度和控制穩定性提出了越來(lái)越高的要求。目前，現代工業(yè)生產(chǎn)日益復雜化，為滿(mǎn)足生產(chǎn)條件和產(chǎn)品精密的要求，必須不斷改進(jìn)信號采集和控制的方式方法，向更加快捷、高效、準確、實(shí)時(shí)以及遠程控制的方向發(fā)展。氣體控制是利用各種控制元件(各種閥、缸等)和控制器，組成控制回路，以進(jìn)行自動(dòng)控制。
在某型裝備測試操作中，需要往高壓氣瓶中注入高壓工作氣體，高壓氣體在注入的過(guò)程中出于安全起見(jiàn)需要精確控制充氣速度。因此，本文采用閉環(huán)控制系統通過(guò)計算機對氣體管路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在裝置運行過(guò)程中根據壓力表反饋的數據，動(dòng)態(tài)調節閥門(mén)的開(kāi)啟度，控制充氣速度在合適的范圍。

1 整體方案設計
對氣閥的流速做出控制，最簡(jiǎn)單易行的方法就是改變進(jìn)氣時(shí)氣流流通的橫截面積，可以通過(guò)在進(jìn)氣道中設置一錐形活塞，通過(guò)精確控制錐形活塞的行程來(lái)改變進(jìn)氣道流通面積，而精確控制錐形活塞的行程可以通過(guò)步進(jìn)電機帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)系統，做出精確位移來(lái)實(shí)現。
整個(gè)閉環(huán)控制系統由PC系統、氣體管路系統和步進(jìn)電機系統構成。在VC++2005環(huán)境下，由PC系統控制壓力表實(shí)時(shí)采集管路的壓力值，實(shí)時(shí)數據經(jīng)過(guò)Matlab的多項回歸處理，得出壓力的實(shí)時(shí)變化快慢來(lái)閉環(huán)控制步進(jìn)電機調節精密閥門(mén)開(kāi)度，實(shí)現氣閥充氣速度的自動(dòng)控制。
1．1 硬件設計
系統以ICOP最近推出的一款功能齊全完美的PC104單板電腦VDX-6354為核心，主板采用標準PC104結構，小尺寸并擁有完整性的功能，運算時(shí)的穩定度高，執行速度快，功耗低，-40～+85℃的軍工級工作溫度。
步進(jìn)電機控制系統選用RORZE系列，通過(guò)RS 232總線(xiàn)和電腦通信，包括RD-023MS驅動(dòng)器、RC-002電平變換器和RC-233定位主控器、RM2414 S步進(jìn)電機。該系列步進(jìn)電機系統，以程序取代人的操作，配備功能強大的編碼器，利用RD-023MS驅動(dòng)器，不需要外接脈沖信號和驅動(dòng)電路，通過(guò)程序指令控制電機實(shí)現正轉、反轉、加速、減速、查詢(xún)、定位等功能。RC 233定位主控器可以有80，320，1，64，50，400幾種細分，滿(mǎn)足不同速度的需求。
壓力表選用ACD-2精密數字壓力表，它是一款高精度智能測量?jì)x表，由壓力傳感器和信號處理電路組成。壓力傳感器采用進(jìn)口傳感器，性能優(yōu)越，具有精度高、抗腐蝕、抗沖擊、抗震動(dòng)、高穩定性等優(yōu)點(diǎn)，可靠性高。壓力表通過(guò)RS 485接口與電腦通信連接，驅動(dòng)和控制程序簡(jiǎn)單，氣壓表12 V直流電壓供電。由于RS 485串行接口屬于一種差分標準，允許1對雙絞線(xiàn)上1個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)多個(gè)負載設備，RS 485通信多用在主從式多機通信中，但其作為一種半雙工的通信方式，在1條通信電纜上掛許多設備時(shí)，一定要保證在總線(xiàn)上只有1臺設備處于發(fā)送狀態(tài)，其他設備一定要處于接收狀態(tài)；而一旦同時(shí)2臺設備都處于發(fā)送狀態(tài)，必然會(huì )出現總線(xiàn)沖突的現象。針對上述問(wèn)題，解決的關(guān)鍵是一定要控制好各臺設備的接收與發(fā)送狀態(tài)即RS 485接口器的收發(fā)狀態(tài)，本系統中兩個(gè)壓力表工作時(shí)間不同步，可以避免這種收發(fā)沖突。
氣體管路組件選用寧波星箭航天機械廠(chǎng)的過(guò)濾器、截止閥、閥門(mén)和導管，硬件系統示意圖如圖1所示。

1．2 軟件設計
軟件部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現遠程編程，在其他電腦上Windows XP環(huán)境下用VC++2005和Matlab混合編程，最后將可執行文件以靜態(tài)庫的形式移植到單板電腦上運行，分為主程序模塊、硬件驅動(dòng)模塊、數據處理模塊三個(gè)部分，后兩個(gè)部分均以類(lèi)的形式封裝。VisualC++是Windows平臺下強有力的高級編程語(yǔ)言，能夠方便快速地開(kāi)發(fā)出界面友好，執行速度快，易于維護升級的系統軟件。然而Visual C++只提供了一些基本的數學(xué)函數庫，當遇到復雜的數值運算時(shí)，重新編寫(xiě)程序代碼延長(cháng)軟件開(kāi)發(fā)周期，增加軟件開(kāi)發(fā)成本。Matlab擁有獨立的數學(xué)函數庫，包含有大量?jì)?yōu)化了的數學(xué)函數，同時(shí)提供了對C++語(yǔ)言的函數接口，用戶(hù)可以方便地在VC++的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中調用。但Matlab的應用程序接口并不是很強大，它不能傳輸除了數值之外的其他數據，而VC++卻具有強大的程序接口，能傳輸任何數據，但其進(jìn)行復雜計算的能力不是很強。因此，若將兩者結合起來(lái)，協(xié)同工作，必將提高軟件開(kāi)發(fā)效率。程序流程圖如圖2所示，初始狀態(tài)把閥門(mén)定在完全關(guān)閉的狀態(tài)，規定電機逆時(shí)針為正。