组合式压力控制方法的研究与应用*

王英喜，龚笋根，许宜柱，陈海强，常开应

(昆明海威机电技术研究所，云南 昆明 650236)

0 引 言

压力模拟设备在水下产品压力调试中有着广泛的应用，它可以模拟水下产品工作时水压的深度变化，提供产品工作时的水压深度值，同时也可以用于压力仪器仪表的校验。 目前，压力模拟设备大都采用PID 控制算法[1]，由于目标压力与电机转速之间存在非线性关系，而且加压范围较宽，PID 控制算法在比例、积分和微分参数整定时，整定工作比较繁琐，工作量大，需要调试人员有一定的PID 参数整定调试经验。 如果仅使用单一的PI/PD 控制参数，容易导致某一段范围内压力误差较大，目标压力不能达到压力模拟设备的设计需求。 “指数函数＋PID”的组合型控制算法，不仅可以通过指数函数算法将压力快速加压到目标压力，而且通过PID 算法可保证目标压力的稳定控制。

笔者通过对组合式压力控制方法进行研究及实际验证，得出此控制方法加压稳定、可靠，单次加压时间短、精度高，能满足水下产品的调试和压力仪器仪表的压力校验使用要求，具有一定的社会价值和经济效益，具有较好的工程应用推广价值，应用市场前景广阔。

1 PID 控制算法

PID 控制算法就是比例(Proportion)、积分(Integration)和微分(Differential)调节器，PID 控制就是根据连续前、后两次系统计算出来的测量误差，利用比例、积分、微分计算出当前控制量并进行控制的方法。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或不能得到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场反复调试来整定，公式(1)为PID 控制算法:

式中:e(t)为输入的误差信号；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；u(t)为控制器输出。

2 设备组成及工作原理

2.1 设备组成

压力模拟设备主要由机械结构、电控系统和控制软件三部分组成。 机械结构主要由便携式机箱、齿轮泵、油箱、液压管路和加压接头等组成。 电控系统主要由工业控制计算机、压力传感器、变频器、串口通信转换模块、交流异步电机、供电电路等组成。 控制软件主要由操作界面模块、自动加压模块、变频器控制模块、压力传感器采集模块等组成。 压力模拟设备的结构组成如图1 所示。

图1 压力模拟设备组成框图

工控计算机:低功耗无风扇嵌入式工控机，Intel Atom 双核1.33 GHz 处理器，1XRS-232，1XRS-232/422/485，用于运行自动加压控制软件，通过RS-422通信控制变频器的频率，通过RS-485 实时读取压力传感器的压力数值。

变频器:Micro Drive FC51，将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备。 变频器的作用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行，并降低电机启动电流。

压力传感器:MPM4730 是一款高精度、高稳定性的智能化压力测量产品，用于实时采集、显示设备当前的压力值。

齿轮泵:结构简单，工作要求低，用于提高液体流量输出的速度。

2.2 设备工作原理

压力模拟设备[2]控制软件根据目标压力与当前实际压力，按照控制算法计算对应的电机频率输出值，通过RS-422 通信改变变频器的频率值，控制电机转速带动齿轮泵加压，达到压力输出的目的。

压力模拟设备是由工业控制计算机、变频器、压力传感器组成的闭环控制系统。 其工作原理为:工业控制计算机实时采集压力传感器的实际压力值，计算目标压力与实际压力值偏差对应的电机转速，通过变频器控制交流异步电机转速，实现对目标压力的控制。 压力模拟设备的硬件接口框图、通信接口框图如图2 所示。

图2 硬件接口框图

3 电控系统设计

电控系统主要包括工业控制计算机外围通信电路设计，变频器通信接口设计、压力传感器通信接口设计，变频电机控制电路设计[3]和上位机通信接口设计等。 电控系统结构框图如图2 所示，电机控制电路框图和控制系统通信电路框图如图3 所示。

图3 通信接口框图

4 控制软件设计

压力模拟设备控制软件采用Windows 平台下著名的快速应用程序开发工具Delphi 2010 进行设计和开发，主要包括本地自动加压功能、远程自动加压功能、零位标定和退出程序四个模块。 压力模拟设备软件功能框图如图4 所示。

4.1 操作界面设计

压力模拟设备控制软件包括远程自动加压、本地自动加压、压力校零和退出程序四个主要模块，人机操作界面如图5 所示。 本地自动加压，在目标压力输入框中输入目标压力，压力模拟设备可以实现自动加压控制。 远程自动加压，控制软件接收到上位机下传的加压指令后，压力模拟设备可以实现自动加压控制。 压力校零，设备长期闲置或异地转场后，为了减小压力变送器的测量误差，可以对压力变送器进行零位标校。 退出程序，弹出退出确认框，选择“是”退出程序， 选择“否”返回程序。

图5 压力模拟设备操作界面

4.2 压力采集设计

压力模拟设备控制软件通过RS-485 通信接口协议，向压力变送器发送相应功能的压力变送器控制字，以达到读取压力变送器压力值和检查压力变送器状态的目的。 其部分代码如下:

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 变频器控制设计

压力模拟设备控制软件通过RS-422 通信接口协议，向变频器发送相应功能的变频器控制字，以达到控制变频器频率和检查变频器状态的目的。 其中包含校验码代码，其部分代码如下:

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 控制软件设计

压力模拟设备控制软件采用“指数函数＋PID”的组合型控制算法进行设计。 由于电机的转速与输出压力之间存在非线性关系，所以在正式进行参数整定设计之前，应采用开环系统，预先测试电机频率和压力输出之间的对应函数关系，经过曲线拟合得出相应参数后再进行闭环参数整定。 电机频率和压力输出之间的曲线拟合按照步骤(1)和(2)方法即可实现。

(1) 按照表1 所列的频率/转速，手动控制电机转动，记录对应频率/转速与实际压力值的对应值。

表1 频率/转速与压力对应数据

(2) 通过LabVIEW 工具软件应用最小二乘法——指数函数拟合方法对频率/转速和实际压力值进行曲线拟合，拟合曲线如图6 所示，得出幅值A和幂B的数值，公式(2)、(3)为最小二乘法拟合算法:

图6 频率/转速和实际压力值拟合曲线

(3) 控制软件通过曲线拟合得到指数函数幅值A和幂B的数值，生成快速的压力到频率转换的对应函数关系式:Power((depth/A/100)，1/B)，控制软件以最接近的频率/转速控制变频器，控制电机快速向目标压力加压，然后再以PID 控制模式对压力偏差进行微调控制和稳压控制，以达到控制压力的目的。其主要部分函数模块代码如下:

freq:＝power((depth/A/100)，1/B)/ /目标压力到频率转换模块

PressToDepth(dest_depth)/ /快速接近加压模块

PressToDepth((dest_depth-curr_depth)/2)/ /微调控制加压模块

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

加压完成判断模块

5 试验结果

在压力模拟设备加压实验中，以0 MPa 为起始压力点，以0.1 MPa 为间隔逐次增加，并以控制软件界面上采集显示的实时压力为准，用秒表记录下每次从当前压力到达目标压力所需的时间，以完成一次加压过程作为一个循环，一次循环记录的数据如表2 所列。 由于压力模拟设备控制软件中分段设置了0.005 MPa(0～1 MPa)、0.01 MPa(1～2 MPa)和0.02 MPa(2～3 MPa)的加压误差门限，所以实测压力与目标压力差的绝对值小于分段误差时，控制软件认为压力模拟设备已加压到目标压力，一次加压动作完成。

表2 试验验证数据

6 结 语

针对水下产品压力模拟设备控制系统，提出了一种基于“指数函数＋PID”的组合型控制算法，即通过指数函数控制方式实现压力向目标压力的指数型快速逼近，再按经典PID 控制模式实现压力的微调和稳压控制。 经0 ～300 m 加压试验表明:该控制方法稳定、可靠，单次加压时间较短，保持在6～12 s 内，加压平均误差-0.35%，加压精度较高，完全满足水中产品调试和压力仪器仪表的标定和校验的使用要求。