用于压力传感器测试的自动压力控制系统的研制

王洋

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引言

随着自动控制技术的发展，精密气压产生与控制技术的应用越来越广泛。而传统的阀门控制器控制精度不够，运行速度缓慢，且价格昂贵，已不能满足精密气压产生与控制的要求。

国内外气体压力控制装置相同点在于，装置的测量准确度、测量范围取决于标准压力传感器。数字式压力控制器通常由压力源、标准压力传感器、压力控制系统、数据采集模块、通讯接口等几大部分组成，可用于压力变送器、压力传感器、数字压力计等电量或数字量输出仪器的校准。世界各国先后推出了可自动控制的高准确度的数字压力控制器，而国产的数字压力控制器还较少，其不确定度在0.05%左右。进口的气体压力控制器价格在十万元人民币以上，控制响应时间5 s左右。

1 系统总体设计

1.1 国内外方案比较

压力控制系统关键的部分就是对气体压力实现自动控制，下面分析几种典型压力控制方案的优缺点。

1)变容积控制

通过改变密闭容器内气体的体积来改变输出压力。此方法的优点是不需要外部气源，在小范围表压力和小疏空压力时有较好的控制准确度;缺点是可变容器内气体压力变化靠活塞的移动来实现，因此密封是一大难题，而且在变容积控制过程中，系统与外界环境存在热交换，温度的变化会反过来影响系统内的压力，气体变化介于等温与绝热过程中间，难以建立理想的数学模型，增加控制难度。

2)伺服阀控制

伺服阀控制是依靠伺服阀开度和方向的变化，改变压力容器内压力的变化速度和压力值，从而达到控制目的。应用伺服阀作为压力控制部件的优点是装置结构相对简单，具有较好的控制准确度和响应速度;缺点是难以实现较高压力的控制，伺服阀往往都是成品，不一定适合课题所需压力范围，且成本较高。

3)比例阀控制

电气比例压力阀是近年来研制的一种机电一体化元件，它在控制性能上比气动比例阀有了较大的改进。电气比例阀以滑阀为主，用比例电磁铁直接控制阀芯的位移，使得阀门的开度与控制电压成比例。通过比例阀开度的变化，控制压力容器内压力的升降速度和压力值。用比例阀作为压力控制部件的优点是装置结构相对简单，且具有较好的控制准确度和响应速度;缺点是可控压力范围较小。

4)流量结合电磁阀控制

电磁阀在气压控制过程中比较常用，它在工业控制系统中起到调整介质的方向、流量、速度和其他的参数的作用。电磁阀种类多，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。用电磁阀作为压力控制部件的优点是:电磁阀作为一种理想的电－气控制转换组件，只有“开”、“关”两种极限工作状态，目的是确保某一管路的开通与截止;不存在准确度很高的间歇配合，消除了多种非线性因素，如死区、干摩擦等的影响，利用电磁阀的开度固定这一特点，为便于控制，可对进气阀、排气阀入口和出口的压差进行控制，使其近似维持恒定值。

1.2 技术指标

鉴于以上方案中所出现的问题，研制了用于压力传感器测试的自动压力控制系统，以解决传统的阀门控制器控制精度不够、运行速度缓慢且价格昂贵的缺点。自动压力控制系统具体的技术指标为:压力测量范围为0～360 kPa;允许误差为±0.18 kPa;控制稳定性为±0.05%FS/30 s;控制响应时间≤3 s。

1.3 系统模型建立

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置 (称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程 (统称被控对象)的某个工作状态或参数 (即被控制量)自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度、压力等;而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。

一个完整的过程控制系统图一般有调节器 (控制器)、执行器、被控过程和测量变送器四个环节。因此本系统模型初步设计构图由控制器和执行器、压力容器和测量采集部分组成。系统模型设计方框图如图1所示。图1是一个简单的反馈控制系统。

图1 系统模型设计方框图

1.4 系统组成

所谓压力控制系统就是利用管道或容器中的介质压力作为被控制量，从而保证输出一个恒定气压的反馈控制系统。气体压力控制过程实际上是密闭容腔的充放气过程。本压力控制系统主要由压力源、控制模块、比例控制部分、常开电磁阀、密封气容、标准压力传感器、D/A模块组成的气路及电路控制系统 (包含继电器卡)、PC/104主板，显示终端等几大部分组成。系统结构图如图2所示。

图2 系统结构示意图

1.5 原理介绍

自动压力控制系统工作原理为:给定目标压力值，系统的控制器给比例控制系统发送电压控制信号，比例控制系统通过内部传感器输出的信号控制内部的进气和排气电磁阀开关调整容器内气体压力得到与目标压力相近的当前压力值，再通过D/A模块对标准传感器输出的信号进行采集。目标压力值以模拟量的方式输入控制器中，与采集到的标准传感器值进行比较，实现实时控制密闭容腔气体压力的目的，从而得到高精度的气体标准压力。

2 系统硬件设计与实现

PC/104主板在装置中起界面显示、功能选择、参数输入、数据采集、控制量输出、数据处理、存储等功能。它在结构、硬件、软件上与标准PC总线兼容，采用模块化设计方法，大大缩小了体积，并采用CMOS芯片，功耗较低。采用PC/104作为核心中央处理器，可以将主要精力放在软件和接口的设计上，风险小，大大缩短开发周期，体现最新技术。

显示终端在整个装置中起着与人交流的桥梁作用，通过对其进行界面设计，使其不仅具有生动的基本界面图片、文字和控制器状态显示功能，而且还有单位选择、参数设定与目标压力值输入等功能。

电路控制系统作为装置的数据采集、数据比较、“命令”传达工具，能快速采集压力传感器反馈的当前压力所对应的电压值，并与输入的电压信号比较，响应PC/104主板传来的开关控制信号，只需对继电器端口地址写入控制数据即可控制相应阀门的开关动作，以实现对气路中电磁阀的控制，从而实现对装置输出压力的控制。

该压力控制系统的关键问题是压力的测量和控制。压力的测量准确度取决于选用的标准压力传感器。因而在标准传感器选型确定的情况下，采用何种方案控制压力就成为设计的核心问题。本系统采用的压力传感器，量程0～360 kPa，最大允许误差为±0.04%FS。

气路控制系统用来快速、准确并稳定的将系统内压力控制在用户指定的压力点上。压力调节过程中的关键在于确定设定压力点所需的气体量。控制过程中，首先通过控制系统判断校准系统的容积 (包括:控制器自身、被检器、管路)，然后根据设定的控制规律对气路中阀门的开闭进行控制，充/放气，从而达到设定的目标压力值。该系统采用两个电磁阀和压力传感器配合的方式进行气路设计，其气路设计如图3所示。

图3 系统气路设计图

压力传感器A和电磁阀A，B共同组成比例控制系统。

压力传感器的作用是测量系统压力。传感器的准确度和稳定性直接影响到装置的测量和控制不确定度及控制响应时间。气路中共设计了两只不同的传感器，分别为:压力传感器A准确度等级为0.05级，输出为0～10 V;压力传感器B准确度等级为0.02级，数字输出，同样用作压力测量，此传感器在0～50℃范围内进行了全温度补偿，可有效消除温度变化对测量准确度的影响。

结合电路控制系统描述压力控制过程:输出的压力与输入的电信号成比例，压力是靠两个电磁阀来控制。其中电磁阀A的作用是进气控制，电磁阀B用于排气控制。压力传感器1用来测量输出的压力，并对电路控制提供反馈电压信号。反馈回的信号跟输入的命令信号相比较。两个信号的差值使其中一个电磁阀动作，或者打开使流量进入，或者让气体排出系统。准确的压力依靠控制这两个电磁阀来实现。当控制响应时间需要小于3 s，实现快速控制压力的目的，就需要牺牲整套系统的测量准确度，此时气路中不需要压力传感器B，仅用压力传感器A的测量准确度来决定整个系统的测量准确度。若想实现更高的测量准确度，气路中需要A，B两只传感器共同作用，首先需要比例控制系统对输出压力进行控制，接着利用压力传感器B对系统压力进行测量，并进一步的微调，调整对比例控制系统输入的电信号，经过多次信息反馈和循环控制后，达到目标压力。

3 系统软件设计与介绍

3.1 软件开发工具LabVIEW简介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工作平台)是目前较为成功、应用广泛的虚拟仪器软件开发环境，最新版本为LabVIEW 8.6。LabVIEW 8.6是一个高效的图形化程序设计环境，结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言;提供了一个直觉式的环境，与测量紧密结合，在这个平台上，各种领域的专业工程师和科学家们通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序;支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其它平台上。

3.2 系统流程图

自动压力控制系统的系统流程图如图4所示，比例控制算法流程图如图5所示。

3.3 系统软件功能介绍及程序实现

3.3.1 手动控制

手动控制用于压力传感器的单点测试。操作方法:手动输入单点的目标压力值，点击确定键，系统开始控制加/减压力，并将当前压力值实时显示在主界面的数值显示区内，若当前压力值误差达到系统要求的误差±0.05%FS时，显示平衡压力 (格式:*当前压力值)。

3.3.2 自动控制

图4 系统流程图

图5 比例控制算法流程图

为了实现连续点的压力控制和测量，本系统添加了自动控制功能，在主界面的功能区点击自动功能键，输入需要测试的压力范围、点数、测试循环次数、单点稳定时间，系统即可自动加/减压，实现连续自动的压力控制和测量，并在自动控制界面上显示循环控制的当前压力值组及其曲线。

3.3.3 内部校准

为了避免比例控制部分传感器的漂移，得到更好的压力线性曲线，本系统加入了内部校准功能。

3.3.4 外部校准

为了避免标准传感器的漂移，得到更好的压力线性曲线，本系统加入了外部校准功能，外部校准需要用户接入标准压力源，对系统标准压力传感器进行校准。

3.3.5 远程控制

为了方便用户使用，本系统特别加入了远程控制程序，用户可以方便的通过远程命令使用计算机对本仪器进行控制。

远程命令格式如下:

手动控制命令:#P＊＊＊U＊＊。命令中:P＊＊＊代表目标压力值;U＊＊代表压力单位，其中＊＊代表压力单位代号。

自动控制命令:#A＊＊＊－＊＊＊S＊＊C＊＊T＊＊U＊＊。命令中:A代表自动;＊＊＊－＊＊＊代表自动控制的压力范围;S＊＊代表选取的点数;C＊＊代表循环次数;T＊＊代表单点稳定时间;U＊＊代表压力单位。

内部校准命令:#IS＊＊。命令中:I代表内部校准;S＊＊代表校准的点数。

4 系统测试试验

在量程范围内，平均选取10个压力点进行测试，实验数据如表1所示，测试试验表明，该压力控制系统满足技术指标要求。误差－0.18～+0.18 kPa，控制稳定性±0.05%FS/30 s，控制响应时间≤3 s。

表1 系统测试试验 kPa

5 结论

该装置的整个开发过程涉及了硬件设计、比例控制以及软件算法的实现。使用比例控制技术与模糊控制理论对压力系统进行设计，利用LabVIEW软件实现系统压力产生算法，可实现单点或者连续点的压力控制，控制精度高，相应速度快，稳定性高。该装置的研制解决了传统的阀门控制器控制精度不够、运行速度缓慢且价格昂贵的缺点，大大提高了压力传感器测试的效率和准确性。

[1]李伟明.压力控制阀压力控制的力学分析及连接应用[J].内蒙古电大学刊，2007(8):75－77.

[2]戴忠达.自动控制理论基础[M].北京:清华大学出版社，2005.

[3]陶永华.新型PID控制及其应用 [M].2版.机械工业出版社，2000.

[4]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，2007.

[5]刘荣荣.基于LabVIEW的气体流量计自动检定系统 [J].仪器技术与传感器，2007(8):41－43.

[6]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].2版.北京:电子工业出版社，2006.

[7]杨乐平，李海涛，赵勇.LabVIEW高级程序设计 [M].北京:清华大学出版社，2003.