氣體壓力閉環控制系統設計
2020-12-04 電子產品世界
摘要：由於高壓氣體注入密閉容器時的速度要求精確控制，需要一種響應迅速，且較為容易實現計算機精確控制的充氣系統。該氣體壓力閒環控制系統由PC104 VDX6354微電腦和步進電機實現控制功能，基於VC++和Matlab混合編程，由PC機根據精密數字壓力表實時傳輸來的數據建立氣壓預測模型，閉環控制步進電機，調節精密閥門的開度，從而確保工作氣體的高精度恆壓注入。在步進電機控制模塊引入坐標系，成功解決電機的碰撞問題。
關鍵詞：PC104；步進電機；閉環控制；混合編程
0 引言
氣體壓力的自動化測試和控制是一個古老而又不斷更新的課題，隨著自動控制和計算機技術迅猛發展，給氣體壓力控制技術帶來了深刻的影響。精密氣壓的產生與控制技術應用越來越廣泛，特別是應用於液壓和氣動設備的檢驗，對氣壓的控制精度和控制穩定性提出了越來越高的要求。目前，現代工業生產日益複雜化，為滿足生產條件和產品精密的要求，必須不斷改進信號採集和控制的方式方法，向更加快捷、高效、準確、實時以及遠程控制的方向發展。氣體控制是利用各種控制元件(各種閥、缸等)和控制器，組成控制迴路，以進行自動控制。
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程中出於安全起見需要精確控制充氣速度。因此，本文採用閉環控制系統通過計算機對氣體管路進行實時控制，在裝置運行過程中根據壓力表反饋的數據，動態調節閥門的開啟度，控制充氣速度在合適的範圍。
1 整體方案設計
對氣閥的流速做出控制，最簡單易行的方法就是改變進氣時氣流流通的橫截面積，可以通過在進氣道中設置一錐形活塞，通過精確控制錐形活塞的行程來改變進氣道流通面積，而精確控制錐形活塞的行程可以通過步進電機帶動絲杆傳動系統，做出精確位移來實現。
整個閉環控制系統由PC系統、氣體管路系統和步進電機系統構成。在VC++2005環境下，由PC系統控制壓力表實時採集管路的壓力值，實時數據經過Matlab的多項回歸處理，得出壓力的實時變化快慢來閉環控制步進電機調節精密閥門開度，實現氣閥充氣速度的自動控制。
1．1 硬體設計
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，主板採用標準PC104結構，小尺寸並擁有完整性的功能，運算時的穩定度高，執行速度快，功耗低，-40～+85℃的軍工級工作溫度。
步進電機控制系統選用RORZE系列，通過RS 232總線和電腦通信，包括RD-023MS驅動器、RC-002電平變換器和RC-233定位主控器、RM2414 S步進電機。該系列步進電機系統，以程序取代人的操作，配備功能強大的編碼器，利用RD-023MS驅動器，不需要外接脈衝信號和驅動電路，通過程序指令控制電機實現正轉、反轉、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幾種細分，滿足不同速度的需求。
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儀表，由壓力傳感器和信號處理電路組成。壓力傳感器採用進口傳感器，性能優越，具有精度高、抗腐蝕、抗衝擊、抗震動、高穩定性等優點，可靠性高。壓力表通過RS 485接口與電腦通信連接，驅動和控制程序簡單，氣壓表12 V直流電壓供電。由於RS 485串行接口屬於一種差分標準，允許1對雙絞線上1個發送器驅動多個負載設備，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，一定要保證在總線上只有1臺設備處於發送狀態，其他設備一定要處於接收狀態；而一旦同時2臺設備都處於發送狀態，必然會出現總線衝突的現象。針對上述問題，解決的關鍵是一定要控制好各臺設備的接收與發送狀態即RS 485接口器的收發狀態，本系統中兩個壓力表工作時間不同步，可以避免這種收發衝突。
氣體管路組件選用寧波星箭航天機械廠的過濾器、截止閥、閥門和導管，硬體系統示意圖如圖1所示。
1．2 軟體設計
軟體部分通過網絡接口實現遠程編程，在其他電腦上Windows XP環境下用VC++2005和Matlab混合編程，最後將可執行文件以靜態庫的形式移植到單板電腦上運行，分為主程序模塊、硬體驅動模塊、數據處理模塊三個部分，後兩個部分均以類的形式封裝。VisualC++是Windows平臺下強有力的高級程式語言，能夠方便快速地開發出界面友好，執行速度快，易於維護升級的系統軟體。然而Visual C++只提供了一些基本的數學函數庫，當遇到複雜的數值運算時，重新編寫程序代碼延長軟體開發周期，增加軟體開發成本。Matlab擁有獨立的數學函數庫，包含有大量優化了的數學函數，同時提供了對C++語言的函數接口，用戶可以方便地在VC++的集成開發環境中調用。但Matlab的應用程式接口並不是很強大，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，但其進行複雜計算的能力不是很強。因此，若將兩者結合起來，協同工作，必將提高軟體開發效率。程序流程圖如圖2所示，初始狀態把閥門定在完全關閉的狀態，規定電機逆時針為正。
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基於THB6064H的步進電機閉環控制電路設計
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埃因霍溫理工大學開發出用於SLA 3D列印的閉環控制系統
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