羅 軍

（重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

在檢測和識別氣體方面，近十年出現(xiàn)的基于卟啉傳感器的檢測系統(tǒng)具有光敏特性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍也擴(kuò)展到了很多領(lǐng)域［1～3］。但由于卟啉傳感器對痕量目標(biāo)物變化響應(yīng)靈敏，因此，卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)自動(dòng)采集氣樣時(shí)，控制氣樣流量穩(wěn)定，使不同批次采樣之間維持同樣的可比條件，就顯得非常重要。

本文主要針對目前卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)流量控制存在的不足，在研究采樣氣體流量特點(diǎn)和檢測系統(tǒng)流量控制需求的基礎(chǔ)上，利用增量式PID算法調(diào)整PWM脈沖信號的占空比，從而間接地改變直流電機(jī)兩端電樞電壓的大小，實(shí)現(xiàn)了對采樣氣體流量的控制。

1 卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)

1．1 檢測原理

卟啉傳感器對痕量目標(biāo)物進(jìn)行檢測基于卟啉對氣體分子的特異性識別機(jī)理。當(dāng)氣體分子與金屬卟啉反應(yīng)時(shí)，會(huì)與金屬離子進(jìn)行鍵合，進(jìn)而改變金屬卟啉的吸收光譜，其表面顏色也隨之發(fā)生特定的變化，稱為顏色“指紋”信息［4］。

通過攝像頭采集卟啉傳感器與待測氣體反應(yīng)前后的圖像信息，利用圖像處理技術(shù)獲取待測氣體的特征信息，并與氣體指紋數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，獲得檢測結(jié)果。

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用主、從控制器相結(jié)合的方式，主控制器選用Wibrain B1H型微型計(jì)算機(jī)，控制整個(gè)系統(tǒng);從控制器選用PIC16F877A，主要完成流量和溫度等反應(yīng)條件的監(jiān)測與控制。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括以下7個(gè)模塊:反應(yīng)條件監(jiān)測模塊、反應(yīng)氣體流量控制模塊、反應(yīng)氣路控制模塊、反應(yīng)氣體溫度控制模塊、LED照明模塊、圖像采集模塊和USB100通信模塊。本文重點(diǎn)為反應(yīng)氣體流量控制模塊設(shè)計(jì)。

圖1 氣體檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Hardware structure block diagram of gas detecting system

1．3 氣體流量控制模塊

系統(tǒng)的流量控制模塊由微型氣泵、流量傳感器和A/D轉(zhuǎn)換三部分構(gòu)成。目標(biāo)是為反應(yīng)氣室提供200 cm3/min的穩(wěn)定氣流。

1．3．1 微型氣泵

考慮到氣室體積、氣體的取樣量以及功耗等限制，選取了GminiP—2型微型氣泵，其空載抽氣速率為25～400 cm3/min。該氣泵只需2～5V的工作電壓和30～60mA工作電流便可工作。氣泵的調(diào)速控制采用PWM調(diào)速法［5］，通過調(diào)整PWM脈沖信號的占空比，改變直流電機(jī)兩端電樞電壓的大小，實(shí)現(xiàn)對氣體流量的控制。圖2為微型氣泵驅(qū)動(dòng)電路連接圖。

圖2 微型氣泵驅(qū)動(dòng)電路連接圖Fig 2 Drive circuit connection diagram of mini-pump

1．3．2 流量傳感器

選用AWM3300流量傳感器，其量程為1 L/min。接10 V的典型電源時(shí)，AWM3300輸出1～5V的模擬信號，可以直接接到A/D芯片上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

1．3．3 A/D 轉(zhuǎn)換

AWM3300流量傳感器輸出的是模擬電壓信號，因此，需要先通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?？梢圆捎肞IC16F877A自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊，但為了更精確地控制采樣氣體流量，選擇12位轉(zhuǎn)換精度的MAX197A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2 采樣氣體流量控制

2．1 系統(tǒng)氣體流量的特點(diǎn)

系統(tǒng)氣體采樣過程中，流體雷諾數(shù)Re較大，處于湍流狀態(tài)。由于湍流具有局部不穩(wěn)，方向流速隨機(jī)變化的特點(diǎn)，造成整個(gè)流動(dòng)過程并伴隨有高頻率、隨機(jī)性噪聲。這種高頻噪聲在微分作用下容易出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。因此，在對氣體流量進(jìn)行PID控制時(shí)，不宜使用微分控制。在對卟啉傳感器檢測系統(tǒng)進(jìn)行流量控制時(shí)，采用PI控制器。

2．2 氣體流量控制的實(shí)現(xiàn)

2．2．1 流量控制系統(tǒng)框圖

圖3為流量控制系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)輸入是給定流量x（k），系統(tǒng)輸出是流量y（t），其采樣值y（k）作為系統(tǒng)的負(fù)反饋?；跉怏w流量自身的特點(diǎn)，選擇增量式PI控制器。給定流量x（k）與實(shí)際輸出流量y（k）的偏差值e（k），作為PI控制器的輸入;由于采用增量式算法，PI控制器的輸出是PWM輸出脈沖占空比的增量ΔD（k）。同時(shí)，ΔD（k）也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流電機(jī)的輸入。

圖3 流量PI控制系統(tǒng)框圖Fig 3 Block diagram of flow PI control system

2．2．2 增量式PI流量控制算法程序流程圖

流量控制采用增量式PI算法，其程序流程圖如圖4所示。進(jìn)入流量PI控制算法后，首先設(shè)置控制參數(shù)KP，KI，并將e（k－1）的初始值設(shè)置為零。然后判斷采樣時(shí)刻是否到達(dá)，如果沒到，繼續(xù)等待;若到采樣時(shí)刻，則對輸出的流量值進(jìn)行采樣。接下來計(jì)算e（k）和ΔD（k）;PI控制器的輸出ΔD（k）作用于直流電機(jī)，使直流電機(jī)作出相應(yīng)的動(dòng)作，調(diào)節(jié)氣室中氣體的流量。之后，將e（k）賦值給e（k－1）。最后，判斷PI控制是否結(jié)束，如果沒有結(jié)束，則重新等待采樣，進(jìn)入下一次循環(huán);如果結(jié)束，則退出程序，PI控制完成。

2．3 流量控制結(jié)果分析

在對氣室中氣體的流量進(jìn)行控制時(shí)，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定而又不會(huì)導(dǎo)致控制程序計(jì)算量過大，結(jié)合系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，選取采樣周期T=0．1 s。采用臨界增益法，結(jié)合齊格勒—尼柯爾斯調(diào)整法則［8］，計(jì)算出 PI控制器的初始參數(shù)KP=1．4，TI=6．3 s，整定后最終得到的參數(shù)為KP=1．1，KI=0．01。整定前后流量控制曲線如圖5所示。

為了對PI控制的效果進(jìn)行評價(jià)，圖5中加入了自然響應(yīng)曲線進(jìn)行對比。讀取曲線的具體數(shù)值，整理出超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差四項(xiàng)性能指標(biāo)，見表1所示。

圖4 流量PI控制流程圖Fig 4 Flow chart of flow PI control

圖5 流量控制曲線Fig 5 Flow control curves

表1 流量控制曲線性能指標(biāo)Tab 1 Performance indexes of flow control curves

結(jié)合圖5和表1的信息進(jìn)行分析，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn):

1）自然響應(yīng)曲線的波動(dòng)較大，為±4 cm3/min，這也符合前文所述的氣體流量雷諾數(shù)Re較大的特點(diǎn);經(jīng)過PI控制后，氣體流量變化比較平穩(wěn)、波動(dòng)小，流量控制精度可達(dá)±1．5 cm3/min。

2）以2%的允許誤差來計(jì)算，自然響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要耗時(shí)49．5s;采用PI算法對流量進(jìn)行控制后，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯減少，系統(tǒng)響應(yīng)速度大大加快。

3）PI控制參數(shù)整定后，超調(diào)量由46%下降為9．5%，效果明顯。雖然整定后上升時(shí)間增加了1．5 s，但綜合超調(diào)量、上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間等參數(shù)來看，整定后的流量響應(yīng)曲線更符合系統(tǒng)要求。

通過上述三點(diǎn)可以看出:基于增量式PI控制算法設(shè)計(jì)的氣體流量控制系統(tǒng)，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小等特點(diǎn)，能夠滿足卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)對流量控制的需求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究氣體流量對卟啉傳感器響應(yīng)的影響，以NH3為研究對象，在保持其它反應(yīng)條件相同的情況下，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn):一組在200 cm3/min的條件下測試3次，另一組分別在150，200，250 cm3/min的條件下測試1次。圖6為卟啉傳感器與不同流量的NH3（體積分?jǐn)?shù)同為270×10－9）反應(yīng)1 min的指紋特征圖譜。

圖6 卟啉傳感器與NH3反應(yīng)指紋特征圖譜Fig 6 Fingerprint characteristic spectra of reaction between porphyrin sensor and NH3

從圖6可以看出:與同等條件的NH3反應(yīng)，在相同的流量條件下，卟啉傳感器響應(yīng)結(jié)果相同，且重復(fù)性好;在不同的流量條件下，卟啉傳感器響應(yīng)結(jié)果差異明顯。

由此可知，采樣氣體流量是影響卟啉傳感器對被測氣體響應(yīng)準(zhǔn)確性和重復(fù)性的重要因素。因此，控制氣樣流量穩(wěn)定，使不同批次采樣之間維持同樣的可比條件，有利于保證卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)識別結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

針對目前卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)流量控制的不足，基于增量式積分微分控制算法，設(shè)計(jì)了一種氣體流量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制精度高達(dá)、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小的特點(diǎn)，氣體流量穩(wěn)態(tài)誤差僅為±1．5 cm3/min，且僅需15．6 s就能達(dá)到穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了氣體流量對卟啉傳感器響應(yīng)的影響。設(shè)計(jì)出的流量控制系統(tǒng)，有助于卟啉傳感器氣體檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)氣體的檢測。

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