趙博文，梁西銀，顏昌林，謝凌菲，馬麗萍，蔡坤輝

(1.西北師范大學物理與電子工程學院，甘肅蘭州 730070； 2.蘭州真空設備有限責任公司華宇分公司，甘肅蘭州 730000)

0 引言

真空技術是20世紀初發(fā)展起來的一門新的學科技術。隨著科技的進步，真空技術作為一門實用的基礎技術已廣泛應用于航天、航空、高能物理、可控熱核聚變、表面物理、半導體與微電子等尖端科學研究領域[1]。真空計是用來測量絕壓狀態(tài)下大氣壓力的儀器，其測量的準確性對真空環(huán)境下進行的科學研究、產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響[2]。

在真空計準確性的測試過程中，需要在校準室內(nèi)不同量級真空度下，均勻選取3個穩(wěn)定測試點的真空度，將參考真空計和待測真空計一同接到校準室上進行對比[3]。測試點的真空度通常需要測試人員憑經(jīng)驗采取手工方式不斷調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量控制器的通氣量來獲得，調(diào)節(jié)不僅耗費時間而且不容易穩(wěn)定在實驗要求的真空度測試點，導致測試的效率低下，增加了實驗難度。在測試過程中，測試人員不僅需要手動調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量控制器的參數(shù)，還需要人工觀察并手工記錄實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的實時性較差，人為引入測量誤差較多，無法保證測量的準確性和可靠性。

針對上述問題，設計了基于虛擬儀器的真空計參數(shù)自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、記錄、計算與真空度調(diào)節(jié)的自動化。下面就測試校準室結構、測試過程、真空度控制算法、軟件實現(xiàn)功能作以介紹，最后對系統(tǒng)完成的測試結果進行分析。

1 校準室結構及測試過程

動態(tài)比較法是一種用于高真空和超高真空區(qū)間的真空計參數(shù)的測試方法[4]。動態(tài)比較法采用真空校準室結構示意圖如圖1所示。圖中G1為參考真空計，G2為被測真空計；圖中A與B為氣體流動互為對稱之處，兩處壓強相等；測試時通過真空泵組成的抽氣系統(tǒng)向外抽氣，通過氣體質(zhì)量流量控制器控制進氣量的大小獲取測試點真空度。當參考真空計的讀數(shù)達到并穩(wěn)定在指定真空度測試點時，記錄被測真空計讀數(shù)并計算測量誤差。動態(tài)比較法的優(yōu)點在于本身有較大的氣體流動，所以真空容器及真空計本身的吸氣、放氣對真空系統(tǒng)的影響不大，可以忽略不計。

圖1 真空校準室結構示意圖

真空計測試系統(tǒng)組成如圖2所示。在球形容器的赤道上均勻分布有待測真空計接口，以保證室內(nèi)真空壓力的均勻性，真空系統(tǒng)采用分子泵和機械泵組成，能夠縮短測試所需的時間，并為真空計測試系統(tǒng)提供所需要的高真空環(huán)境。

1—前級泵；2、4、6、7、9、13、15—真空閥門；3—氣源；5—穩(wěn)壓室；8—氣體質(zhì)量流量控制器；10—校準室；11—參考真空計;12—被測真空計;14—分子泵圖2 真空計測試系統(tǒng)結構圖

開始測試前，通過閥門4、7、9向校準室10內(nèi)輸入約50 kPa的N2后，再關閉上述閥門，將被測真空計安裝在校準室赤道的接口上。隨后通過前級泵1、閥門15、13和分子泵14組成的抽氣系統(tǒng)將真空抽至極限真空以減少本底誤差，然后可以開始測試，通過氣源3和閥門4向穩(wěn)壓室5輸入一定壓力的N2，關閉閥門4，然后打開測量控制軟件，輸入指定真空度，自動測試軟件采用PID算法調(diào)節(jié)氣體質(zhì)量流量控制器的通氣量，將校準室真空度調(diào)節(jié)至測試點要求的真空度，等待參考真空計讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄參考真空計和測真空計的讀數(shù)并計算誤差。此過程需要依次在10-6～10-3mbar(1 mbar=100 Pa)范圍內(nèi)的每一個量級下均勻測量3組數(shù)據(jù)樣本。

2 軟件設計

對于自動測試系統(tǒng)的開發(fā)平臺有多種選擇。其中，LabVIEW是一種基于G語言(graphics language，圖形化編程語言)的虛擬儀器開發(fā)平臺，具有可視化界面，是實現(xiàn)對設備的控制，數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和顯示的理想選擇[5-10]。自動測試系統(tǒng)程序采用模塊化設計方法，不僅提高了開發(fā)效率，同時增強了可維護性，還為未來程序功能的擴展留下空間[11-14]。下面對系統(tǒng)PID控制算法及實現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集等關鍵VI模塊予以說明。

2.1 控制算法

2.1.1 PID控制系統(tǒng)原理

PID控制算法簡單、運行可靠且結構清晰、易于實現(xiàn)，對于特定的控制對象，具有很強的魯棒性，是一種常見的控制器，其思路在于把采集到的數(shù)據(jù)和一個設定值進行比較，然后將誤差通過比例、積分、微分算法處理計算出新的輸出值，該值再輸入給執(zhí)行部件，使系統(tǒng)達到或保持在設定值[14]。本系統(tǒng)采用PID算法實現(xiàn)對校準室內(nèi)真空度的調(diào)節(jié)與控制，PID控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖

圖3中ysp為設定值，即測試點目標真空度；y為系統(tǒng)輸出，即通過PID控制氣體質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)后的實際真空度；e為控制誤差，e=ysp-y，即設定真空度值與實際測量真空度值的差；u為控制信號，通過PID控制器計算出控制氣體質(zhì)量流量控制器閥門開度的大小值。PID控制器的表達式為

(1)

式中：u為系統(tǒng)控制輸出；kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；kd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)。

式(1)中比例環(huán)節(jié)，即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差，用以減小系統(tǒng)偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分環(huán)節(jié)主要反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

為了便于程序的實現(xiàn)，將PID離散化后可得

(2)

式中：u(k)和e(k)分別為第k次采樣的計算機輸出值和誤差值，本系統(tǒng)的采樣周期取1 s。

2.1.2 繼電反饋PID自整定方法

PID控制器能否實現(xiàn)較好的控制效果與PID的參數(shù)值的選取有很大關系。其參數(shù)的取值將影響PID控制器的性能，參數(shù)整定不當不但會影響控制的精度，還可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于真空計測試系統(tǒng)存在諸多不確定性，是一個動態(tài)平衡的系統(tǒng)，設備、環(huán)境對其影響較大，在本測試過程中由于測試點的不同會導致系統(tǒng)環(huán)境發(fā)生改變，就需要對參數(shù)重新進行整定。傳統(tǒng)的PID控制器的整定方法往往依靠經(jīng)驗，為了提高PID整定參數(shù)的準確性，PID控制自整定技術便應運而生[15]。

本系統(tǒng)采用繼電反饋PID自整定方法計算PID控制器的參數(shù)。自整定控制系統(tǒng)原理如圖4所示。該系統(tǒng)有2種模式：控制模式和自整定模式。在自整定模式下，閉環(huán)控制回路中加入繼電特性的非線性控制，使被控過程產(chǎn)生極限環(huán)振蕩，并由極限環(huán)振蕩曲線得到系統(tǒng)的特征參數(shù)，臨界比例Ku和臨界振蕩周期Tu，再利用Z-N臨界比例度PID參數(shù)整定表計算對應的PID參數(shù)；在控制模式下，利用自整定模式下求得的控制器參數(shù)進行PID控制。如果系統(tǒng)的測試條件發(fā)生變化，需要重新回到自整定模式進行參數(shù)整定，整定結束后再回到控制模式。相較于傳統(tǒng)的PID參數(shù)自整定技術，耗時少且易于使用，全程只需要確定一個參數(shù)就可以自動整定計算出PID的控制器的參數(shù)[16]。

圖4 自整定控制系統(tǒng)原理

利用描述函數(shù)法對系統(tǒng)進行分析可以確定臨界增益和臨界振蕩周期。當系統(tǒng)處于等幅值振蕩，非線性環(huán)節(jié)輸入一個正弦信號e(t)=Asinωt，在標準繼電情況下，繼電輸出u(t)的周期為Tu、幅值為M的方波信號，用傅里葉級數(shù)表示為

(3)

1+N(A)Gp(jω)=0

(4)

式中Gp(jω)為被控過程。

Z-N臨界比例度公式的參數(shù)Ku和Tu可以通過以下方程表示：

(5)

Tu=(Tmax-Tmin)×2

(6)

式中：Ku為繼電特性在傳輸幅度為等幅振蕩的正弦信號時的等價臨界振蕩比例增益；Tu為臨界振蕩周期；A為幅值，可依據(jù)圖5所示的基于繼電特性的PID參數(shù)自整定算法的控制過程曲線計算，

(7)

式中：ymax和ymin分別為自整定過程中系統(tǒng)進入穩(wěn)定的等幅振蕩后系統(tǒng)輸出最大值和最小值；Tmax和Tmin為其對應的時間。

圖5 繼電振蕩自整定過程曲線

當自整定過程達到等幅振蕩之后，結合式(5)～式(7)計算臨界增益Ku和振蕩周期Tu，再由Z-N臨界比例度PID參數(shù)表表1計算PID控制器的參數(shù)。

表1 臨界比例度PID參數(shù)整定

2.1.3PID控制程序的實現(xiàn)

利用LabVIEW提供的PID自整定模塊可以快速實現(xiàn)PID控制，該模塊提供PID的基本算法，不僅可以手動對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)，還可以利用自整定向?qū)?shù)進行自動的整定。開發(fā)者只需要對PID自整定模塊的接線定義進行相應的接線即可。PID控制程序如圖6所示。設定值是指被控過程變量的目標值，即測試過程中所要獲得的目標真空度值；過程變量指被控變量的測量值，即測試過程中真空計所采集的實時真空度值，根據(jù)實際情況，氣體質(zhì)量流量計的最小和最大開度范圍為0～100%。

圖6 PID控制程序

當設定值或測試條件發(fā)生變化后，需要對PID參數(shù)進行及時的整定。自整定向?qū)ч_啟參數(shù)整定效果如圖7所示，可以根據(jù)實際需要選擇不同的控制類型，改變繼電振幅等獲得更好的控制效果。

2.2 儀表通信部分實現(xiàn)

本系統(tǒng)真空測量部分選用德國Thyacont全量程高精度真空計，該儀表測量范圍為1 000～10-8mbar，能夠覆蓋實驗所需的測試范圍，進氣控制系統(tǒng)部分選用CS200型數(shù)字式氣體質(zhì)量流量控制器，該儀表能夠提供2、5、10 sccm(1 sccm=1.69 mPa·m3/s)等多種流量量程的氣體質(zhì)量流量控制器，能夠滿足不同量級真空度下校準室的供氣需要，實現(xiàn)對真空計測試系統(tǒng)流量的測量和調(diào)節(jié)。兩種儀器都提供RS485通信接口，通過串行通信方式實現(xiàn)對真空計和氣體質(zhì)量流量控制器的測量與控制。

LabVIEW提供了完善的串口應用模塊VISA，是一組標準的I/O函數(shù)庫及其相關規(guī)范的總稱，可作為上位機和下位機之間的連接模塊。本軟件用到了4個串口操作函數(shù)，分別是VISA Configure Serial Port串口參數(shù)初始化函數(shù)，用于設置串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗方式、停止位數(shù)等參數(shù)；VISA Write串口寫函數(shù)，向串口緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)；VISA Read串口讀函數(shù)，讀取串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；VISA Close關閉串口函數(shù)，結束與指定串口資源之間的會話。流量計通信部分程序如圖8所示。

圖8 流量計通信程序

LabVIEW提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、字符截取和字符轉換等功能的模塊，以滿足不同的數(shù)據(jù)處理需求。以真空計為例，上位機通過RS485串口與真空計通信，首先根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)值讀取指令發(fā)送給真空計，然后接收包含當前真空度信息的數(shù)據(jù)幀，返回的數(shù)據(jù)幀通常包含多種信息，為了方便數(shù)據(jù)的處理，需要對返回的數(shù)據(jù)幀進行處理。此部分主要用到“搜索/拆分字符串”函數(shù)，用于搜索特定字符串中的信息，并將匹配后的信息輸出；“分數(shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉換”函數(shù)，使科學計數(shù)法字符轉換為數(shù)字形式，方便后續(xù)程序之間的數(shù)據(jù)傳輸；“寫入文本文件”函數(shù)，將采集到的信息進行保存，方便日后數(shù)據(jù)的整理和查找。真空計數(shù)據(jù)采集與處理程序如圖9所示。

圖9 真空計數(shù)據(jù)采集與處理程序

3 人機界面設計

LabVIEW提供了諸多圖形化控件，使得軟件界面友好。按照實際需要對軟件添加實時曲線變化顯示等功能，使得實驗過程更加直觀，便于人員現(xiàn)場進行觀察。軟件的主界面如圖9所示。包括參考真空計設置，待測真空計，氣體質(zhì)量流量控制器和真空度控制4個部分。

圖10 軟件主界面

4 測試結果與分析

按照上述的實驗流程在相同的實驗環(huán)境下使用同一參考真空計，對同一臺Thyacont真空計分別采用人工測試和軟件自動測試兩種方式進行測量，得到的測量結果如表2和表3所示。

表2 人工測試

表3 自動測試

排除環(huán)境擾動和真空計本身的測試誤差等因素后，分析表2和表3人工測試與自動測試數(shù)據(jù)的結果表明，自動測試結果與手動測試結果基本相同，能夠代替手工對真空計測試。相較于手動測試，自動測試系統(tǒng)有如下優(yōu)點：

(1)系統(tǒng)采用圖形化操作界面，實驗人員操作方便，數(shù)據(jù)顯示直觀，易于觀察。

(2)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、準確，避免引入人為誤差導致測量結果不準確。

(3)在測試過程中，根據(jù)每個被檢定儀器的技術指標動態(tài)的對每個測量點進行判斷，實時顯示該測量點數(shù)是否符合技術指標要求，免去人工計算、判斷，降低測試人員工作強度。

(4)具備數(shù)據(jù)存儲和查詢功能，可隨時查閱已測儀器的測量數(shù)據(jù)與測量結果。

(5)自動測試程序中加入的PID控制器，能夠快速地將真空度調(diào)節(jié)至指定測試點真空度。測試時間從手工的1～2 min縮減至自動調(diào)節(jié)的10 s左右，節(jié)省了測試時間，提升了測試效率。

5 結束語

利用LabVIEW開發(fā)的真空計參數(shù)自動測試系統(tǒng)，界面友好，操作簡單，使用過程中用戶只需要對真空計、氣體質(zhì)量流量控制器和真空度的參數(shù)進行簡單的設置便可自動完成測試。與手動測試的實驗對比結果表明，應用該自動測試系統(tǒng)能夠替代手工測試，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與真空度調(diào)節(jié)的自動化，從而縮短了真空計參數(shù)的測試周期，減輕了測試人員的工作強度；同時消除了測試人員由于手工記錄數(shù)據(jù)實時性不強而造成的實驗誤差，提高了測試精度；加入的PID控制算法使系統(tǒng)能快速達到測試點真空度，提高了測試系統(tǒng)的自動化程度；加入的繼電型參數(shù)自整定提高了PID控制算法對系統(tǒng)的適應性；程序采用的模塊化設計使得系統(tǒng)功能的擴展性、可維護性大大提高。