氣體壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)迅速，且較為容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)精確控制的充氣系統(tǒng)。該氣體壓力閑環(huán)控制系統(tǒng)由PC104 VDX6354微電腦和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能，基于VC++和Matlab混合編程，由PC機(jī)根據(jù)精密數(shù)字壓力表實(shí)時(shí)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)建立氣壓預(yù)測(cè)模型，閉環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)精密閥門的開度，從而確保工作氣體的高精度恒壓注入。在步進(jìn)電機(jī)控制模塊引入坐標(biāo)系，成功解決電機(jī)的碰撞問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：PC104；步進(jìn)電機(jī)；閉環(huán)控制；混合編程

0 引言
氣體壓力的自動(dòng)化測(cè)試和控制是一個(gè)古老而又不斷更新的課題，隨著自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)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(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是應(yīng)用于液壓和氣動(dòng)設(shè)備的檢驗(yàn)，對(duì)氣壓的控制精度和控制穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。目前，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)日益復(fù)雜化，為滿足生產(chǎn)條件和產(chǎn)品精密的要求，必須不斷改進(jìn)信號(hào)采集和控制的方式方法，向更加快捷、高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)以及遠(yuǎn)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(cè)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(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)氣體管路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在裝置運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)壓力表反饋的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥門的開啟度，控制充氣速度在合適的范圍。

1 整體方案設(shè)計(jì)
對(duì)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(shè)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(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)，做出精確位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。
整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)由PC系統(tǒng)、氣體管路系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。在VC++2005環(huán)境下，由PC系統(tǒng)控制壓力表實(shí)時(shí)采集管路的壓力值，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Matlab的多項(xiàng)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(jī)調(diào)節(jié)精密閥門開度，實(shí)現(xiàn)氣閥充氣速度的自動(dòng)控制。
1．1 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)PC104結(jié)構(gòu)，小尺寸并擁有完整性的功能，運(yùn)算時(shí)的穩(wěn)定度高，執(zhí)行速度快，功耗低，-40～+85℃的軍工級(jí)工作溫度。
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)選用RORZE系列，通過(guò)RS 232總線和電腦通信，包括RD-023MS驅(qū)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(jī)。該系列步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，以程序取代人的操作，配備功能強(qiáng)大的編碼器，利用RD-023MS驅(qū)動(dòng)器，不需要外接脈沖信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)程序指令控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、查詢、定位等功能。RC 233定位主控器可以有80，320，1，64，50，400幾種細(xì)分，滿足不同速度的需求。
壓力表選用ACD-2精密數(shù)字壓力表，它是一款高精度智能測(cè)量?jī)x表，由壓力傳感器和信號(hào)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(wěn)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)，允許1對(duì)雙絞線上1個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，RS 485通信多用在主從式多機(jī)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(shè)備時(shí)，一定要保證在總線上只有1臺(tái)設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，其他設(shè)備一定要處于接收狀態(tài)；而一旦同時(shí)2臺(tái)設(shè)備都處于發(fā)送狀態(tài)，必然會(huì)出現(xiàn)總線沖突的現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，解決的關(guān)鍵是一定要控制好各臺(tái)設(shè)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(tǒng)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(jī)械廠的過(guò)濾器、截止閥、閥門和導(dǎo)管，硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1．2 軟件設(shè)計(jì)
軟件部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhí)行文件以靜態(tài)庫(kù)的形式移植到單板電腦上運(yùn)行，分為主程序模塊、硬件驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊三個(gè)部分，后兩個(gè)部分均以類的形式封裝。VisualC++是Windows平臺(tái)下強(qiáng)有力的高級(jí)編程語(yǔ)言，能夠方便快速地開發(fā)出界面友好，執(zhí)行速度快，易于維護(hù)升級(jí)的系統(tǒng)軟件。然而Visual C++只提供了一些基本的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，當(dāng)遇到復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算時(shí)，重新編寫程序代碼延長(zhǎng)軟件開發(fā)周期，增加軟件開發(fā)成本。Matlab擁有獨(dú)立的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，包含有大量?jī)?yōu)化了的數(shù)學(xué)函數(shù)，同時(shí)提供了對(duì)C++語(yǔ)言的函數(shù)接口，用戶可以方便地在VC++的集成開發(fā)環(huán)境中調(diào)用。但Matlab的應(yīng)用程序接口并不是很強(qiáng)大，它不能傳輸除了數(shù)值之外的其他數(shù)據(jù)，而VC++卻具有強(qiáng)大的程序接口，能傳輸任何數(shù)據(jù)，但其進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的能力不是很強(qiáng)。因此，若將兩者結(jié)合起來(lái)，協(xié)同工作，必將提高軟件開發(fā)效率。程序流程圖如圖2所示，初始狀態(tài)把閥門定在完全關(guān)閉的狀態(tài)，規(guī)定電機(jī)逆時(shí)針為正。