羅昶,閆晉平,姚曉東,郭建成,劉朝彤

(1.浙江省氣象局大氣探測中心,浙江杭州 310017;2.太原市太航壓力測試科技有限公司,山西 太原 030006)

0 引言

自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器(以下簡稱壓力發(fā)生器)是一種可自動(dòng)控制并輸出目標(biāo)壓力的數(shù)字壓力計(jì),在數(shù)字壓力計(jì)測量功能的基礎(chǔ)上增加了控制功能,實(shí)際檢定過程中需要按照J(rèn)JG1107-2015《自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器檢定規(guī)程》進(jìn)行檢定。該規(guī)程與JJG875-2019《數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》不同,不僅包含數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程中通用技術(shù)要求和測量功能,還增加了控制響應(yīng)時(shí)間、壓力控制超(回)調(diào)量、控制穩(wěn)定性、目標(biāo)壓力穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間等控制功能。為了能夠準(zhǔn)確檢定控制功能技術(shù)指標(biāo),規(guī)程規(guī)定需配備高分辨力的數(shù)字壓力計(jì)和測試系統(tǒng),且測試系統(tǒng)采樣頻率要求不低于10 Hz(100 ms)。因?yàn)樵摬蓸宇l率速度較快無法依據(jù)《數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》中目視數(shù)據(jù)、手工記錄的方法完成檢定,所以需要根據(jù)《自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器檢定規(guī)程》要求配備相應(yīng)的設(shè)備,編制檢定軟件才能開展檢定。

本文對(duì)壓力發(fā)生器的控制原理進(jìn)行闡述,通過圖形、公式的方式對(duì)每個(gè)參數(shù)調(diào)整得到的結(jié)果進(jìn)行分析。為了使壓力發(fā)生器的控制速度更快、更穩(wěn)定,控制的曲線更符合設(shè)計(jì)要求,在控制模型的基礎(chǔ)上增加了相應(yīng)的調(diào)整參數(shù),使壓力模型的調(diào)整環(huán)節(jié)更多、更靈活,測試結(jié)果表明該方法對(duì)壓力發(fā)生器控制功能的提高起到一定的作用。

1 壓力發(fā)生器的控制原理

壓力發(fā)生器主要由數(shù)字壓力計(jì)和測試系統(tǒng)組成。數(shù)字壓力計(jì)主要作用是測量、顯示系統(tǒng)內(nèi)的壓力;測試系統(tǒng)主要作用是根據(jù)軟件下達(dá)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力值。

1.1 控制方法

目前最常用的控制方法有變?nèi)莘e壓力控制法和定容積流量控制法兩種。

變?nèi)莘e壓力控制法,主要由電機(jī)、活塞缸組成的控制執(zhí)行部件,通過控制密封系統(tǒng)的容積變化來引起壓力變化。具體通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)活塞桿在活塞筒內(nèi)直線運(yùn)動(dòng)來控制密封系統(tǒng)容積變化,從而控制壓力的變化,該方法主要用于工作介質(zhì)為液體的壓力發(fā)生器。作為控制部件的電機(jī)控制響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢,一般電機(jī)控制響應(yīng)頻率在20～30 ms,在《自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器檢定規(guī)程》中規(guī)定的10 Hz(100 ms)采樣頻率內(nèi),電機(jī)控制響應(yīng)次數(shù)在3～5次。由于電機(jī)的控制響應(yīng)速度相對(duì)較慢,因此控制算法相對(duì)簡單。

定容積流量控制法,主要由加壓電磁閥和減壓電磁閥組成,通過控制加壓電磁閥和減壓電磁閥各自流入和流出密閉系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的量來控制壓力變化,該方法主要用于工作介質(zhì)為氣體的壓力發(fā)生器。由于使用的電磁閥響應(yīng)頻率一般在3～5 ms。在《自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器檢定規(guī)程》中規(guī)定的10 Hz(100 ms)采樣頻率內(nèi),電磁閥可以響應(yīng)20～30次[1-2]。由于控制速度相對(duì)較快,因此控制算法相對(duì)復(fù)雜。從設(shè)計(jì)角度希望在單位時(shí)間內(nèi)控制的次數(shù)越多越好。因?yàn)榭刂拼螖?shù)越多的電磁閥的控制響應(yīng)的時(shí)間越短,控制曲線與計(jì)算曲線的擬合度越高[3-5]。除了調(diào)整控制次數(shù),設(shè)計(jì)時(shí)還可通過調(diào)整電磁閥占空比的大小來調(diào)整電磁閥開和關(guān)的時(shí)間,從而調(diào)整流入、流出密封系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的量達(dá)到控制壓力的目的。

圖1表示從當(dāng)前壓力P1到達(dá)目標(biāo)壓力P3的一個(gè)控制功能過程曲線圖。曲線表明了控制過程中各控制功能指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖1 壓力控制曲線[6]

壓力發(fā)生器的控制一般采用PID閉環(huán)控制方法[7-8],通過檢測到的當(dāng)前壓力值與目標(biāo)壓力值之間的壓力差值計(jì)算控制量,并對(duì)壓力控制單元進(jìn)行控制,控制完成后再對(duì)壓力傳感器反饋采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,算出壓力差值后再次控制壓力控制單元完成進(jìn)一步的控制,直至當(dāng)前壓力值與目標(biāo)壓力值的壓力差值被控制在允許偏差范圍內(nèi)。壓力發(fā)生器的控制原理見圖2。

圖2 PID控制原理框圖

由于式(1)中的參數(shù)是一個(gè)連續(xù)量,無法通過軟件程序進(jìn)行控制,需要將式中的連續(xù)量t轉(zhuǎn)換成一個(gè)離散量k才能在實(shí)際控制中應(yīng)用,即

式中:u(k)為時(shí)刻PID執(zhí)行器控制量;e(k)為k時(shí)刻PID控制器的目標(biāo)壓力與當(dāng)前壓力差值;e(k-1)為k-1時(shí)刻PID控制器的目標(biāo)壓力與當(dāng)前壓力差值;e(j)為j時(shí)刻PID控制器的目標(biāo)壓力與當(dāng)前壓力差值;Kp為比例系數(shù);Ki為積分時(shí)間參數(shù);Kd為微分時(shí)間參數(shù)。

式(2)表示執(zhí)行器控制量u(k)與比例系數(shù)Kp,積分參數(shù)Ki,微分參數(shù)Kd之間的關(guān)系[8-9]。為了能更清楚地說明PID調(diào)節(jié)參數(shù)與壓力發(fā)生器控制參數(shù)之間的關(guān)系,可將圖1壓力控制曲線為兩部分,一是部分是過程控制,即從一個(gè)壓力值到達(dá)目標(biāo)壓力值的過程控制。另一部分是穩(wěn)定控制,即從接近目標(biāo)壓力值到穩(wěn)定控制在目標(biāo)壓力值的控制過程。兩部分控制轉(zhuǎn)換的標(biāo)識(shí)是當(dāng)前壓力值與目標(biāo)壓力值之間的壓力差值?；镜目刂品椒ㄊ钱?dāng)系統(tǒng)處于過程控制時(shí),主要通過調(diào)整比例參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制響應(yīng)時(shí)間技術(shù)指標(biāo)的改變。當(dāng)控制接近和穩(wěn)定控制在目標(biāo)值時(shí),主要通過調(diào)整積分參數(shù)來控制壓力偏差和壓力超調(diào)量的大小。當(dāng)壓力控制器已經(jīng)穩(wěn)定地控制在目標(biāo)壓力值時(shí)如果系統(tǒng)突然發(fā)生的壓力變化,可通過改變微分參數(shù)對(duì)變化的壓力進(jìn)行調(diào)整。下面分別描述各參數(shù)是如何進(jìn)行調(diào)整的。

1.2 過程控制調(diào)整

在過程控制中主要通過調(diào)整比例參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制響應(yīng)時(shí)間的改變。比例系數(shù)Kp越大,控制響應(yīng)時(shí)間越短,壓力超調(diào)量越大,控制穩(wěn)定性越差。反之,比例系數(shù)Kp越小,控制響應(yīng)時(shí)間越長,壓力超調(diào)量小,控制穩(wěn)定性越好。控制開始時(shí)由于當(dāng)前壓力與目標(biāo)壓力的壓力差值比較大,系統(tǒng)處于過程控制階段應(yīng)選擇較大的比例系數(shù),增加壓力變化率,縮短控制響應(yīng)時(shí)間。隨著當(dāng)前壓力接近目標(biāo)壓力時(shí)壓力差值逐漸減小,系統(tǒng)開始進(jìn)入控制穩(wěn)定過程階段。此時(shí)將比例參數(shù)逐漸減小,減小壓力變化率防止壓力控制超(回)調(diào)量超差。當(dāng)系統(tǒng)接近目標(biāo)壓力時(shí),要把比例系數(shù)調(diào)整到一個(gè)較小的量,將剩余的壓力差值交給積分參數(shù)進(jìn)行消除。具體可根據(jù)圖3比例系數(shù)圖通過式(3)對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行控制調(diào)整[10-11]。其中X(err)軸代表實(shí)際值與目標(biāo)值之間的壓力差值,Y(Kp)軸代表積分系數(shù)。

圖3 比例系數(shù)圖

在壓力過程控制中起主要作用的是PID閉環(huán)控制中的比例系數(shù)[3],可根據(jù)式(3)調(diào)整閥門的變化趨勢。Ap為閥門開啟靈敏閾參數(shù)設(shè)定值,當(dāng)Ap小于一定值時(shí),閥門將無法打開。Bp閥門孔徑的大小調(diào)整參數(shù),壓力差值越大,閥門打開的孔徑越大,以達(dá)到快速減小壓力差值接近目標(biāo)壓力的目的。Cp閥門開啟(關(guān)閉)速度參數(shù),當(dāng)壓力值開始接近目標(biāo)壓力值之時(shí),閥門以一定的速度關(guān)閉閥門,直至壓力到達(dá)目標(biāo)壓力并開始穩(wěn)定輸出。

1.3 穩(wěn)定控制調(diào)整

當(dāng)壓力發(fā)生器控制到目標(biāo)壓力時(shí),通過調(diào)整積分參數(shù)來控制壓力差值和壓力波動(dòng)度的大小。當(dāng)積分參數(shù)增大時(shí),容易產(chǎn)生積分飽和,使壓力超調(diào)量增大,如果該參數(shù)超過一定值后會(huì)產(chǎn)生不易回調(diào)現(xiàn)象。而當(dāng)積分參數(shù)減小時(shí),不易產(chǎn)生積分飽和,使壓力超調(diào)量減小,并且容易回調(diào)。根據(jù)積分參數(shù)的這一特點(diǎn),當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定控制時(shí)可通過減小比例參數(shù)的控制作用,增大積分參數(shù)的方法進(jìn)行控制,既能夠盡快接近目標(biāo)壓力減小超調(diào)量,又可在到達(dá)目標(biāo)壓力值后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地控制并減小壓力波動(dòng)度提高控制穩(wěn)定性指標(biāo)。具體可根據(jù)圖4積分參數(shù)圖通過式(4)對(duì)積分參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)整[14-15]。其中X(err)軸代表實(shí)際值與目標(biāo)值之間的壓力差值,Y(Ki)軸代表積分系數(shù)。

圖4 積分參數(shù)圖

在壓力穩(wěn)定控制中起主要作用的是PID閉環(huán)控制中的積分系數(shù),可根據(jù)公式(4)調(diào)整閥門的變化趨勢。Ai為閥門孔徑的大小調(diào)整參數(shù),當(dāng)壓力控制處于穩(wěn)定狀態(tài)下,閥門的孔徑應(yīng)保持在當(dāng)前孔徑大小的一定范圍內(nèi)。Ci為閥門開啟(關(guān)閉)速度參數(shù),當(dāng)壓力控制處于穩(wěn)定狀態(tài)下,閥門的孔徑應(yīng)隨著壓力的波動(dòng)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化,以達(dá)到穩(wěn)定壓力的目的。

1.4 靈敏度控制

微分參數(shù)主要作用是保持控制系統(tǒng)具有一定的靈敏度,即微分參數(shù)要設(shè)定在一定的范圍內(nèi)。微分參數(shù)太小,系統(tǒng)阻尼小,靈敏度高,控制響應(yīng)時(shí)間快會(huì)造成控制不穩(wěn)定。微分參數(shù)太大,系統(tǒng)阻尼大,靈敏度低,控制響應(yīng)時(shí)間慢會(huì)造成系統(tǒng)無法做出響應(yīng)。微分參數(shù)范圍可根據(jù)壓力變化率設(shè)定,保證當(dāng)系統(tǒng)壓力發(fā)生一個(gè)隨機(jī)壓力波動(dòng)時(shí)能做出快速響應(yīng)。具體可根據(jù)圖5微分參數(shù)圖通過式(5)對(duì)微分參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)整。其中X(err)軸代表實(shí)際值與目標(biāo)值之間的壓力差值,Y(Kd)軸代表微分系數(shù)。

圖5 微分參數(shù)圖

在壓力穩(wěn)定控制過程中當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一個(gè)隨機(jī)波動(dòng)時(shí),起主要作用的是PID閉環(huán)控制中的微分系數(shù),可根據(jù)公式(5)調(diào)整閥門的變化趨勢。Ad表示感受壓力波動(dòng)最小值。Ad+Bd表示感受壓力波動(dòng)最大值。Cd調(diào)整閥門開啟的孔徑。Dd調(diào)整閥門開啟的速度。

在實(shí)際控制過程中,每個(gè)控制過程不是單獨(dú)調(diào)整某一個(gè)參數(shù),而是幾個(gè)參數(shù)需要同時(shí)調(diào)整才能夠滿足控制指標(biāo)的要求。為了使系統(tǒng)能夠適應(yīng)更復(fù)雜的控制環(huán)境,控制更寬的壓力范圍,得到更加穩(wěn)定的控制指標(biāo),在式(2)的基礎(chǔ)上增加了比例系數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)的調(diào)整系數(shù)[12-13]。從而使系統(tǒng)有更多的調(diào)整環(huán)節(jié),調(diào)整更加靈活。

2 控制功能指標(biāo)檢定方法

壓力發(fā)生器檢定時(shí)要檢定測量功能和控制功能兩種技術(shù)指標(biāo)。測量功能指標(biāo),包括準(zhǔn)確度等級(jí)、示值誤差、回程誤差、零位漂移等,其檢定要求和檢定方法與JJG 875-2019《數(shù)字式壓力計(jì)檢定規(guī)程》要求一致。由于對(duì)讀取(采樣)數(shù)據(jù)的時(shí)間沒有要求,因此可以通過目視數(shù)據(jù)和手工記錄的方式開展檢定工作?？刂乒δ苤笜?biāo),包括控制響應(yīng)時(shí)間、壓力控制超(回)調(diào)量、控制穩(wěn)定性、目標(biāo)壓力穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間等,控制功能指標(biāo)檢定與測量功能指標(biāo)檢定不同,對(duì)記錄數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間有要求?！秹毫Πl(fā)生器檢定規(guī)程》中規(guī)定準(zhǔn)確度等級(jí)0.01級(jí)和0.02級(jí)的采樣頻率(時(shí)間)分別為10 Hz(100 ms)和20 Hz(50 ms)[16],因此控制功能指標(biāo)無法用傳統(tǒng)的目視數(shù)據(jù)和手工記錄的方式進(jìn)行檢定。由此可見,檢定控制功能指標(biāo)時(shí),需要有滿足采樣頻率的壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集軟件,這也是目前一些計(jì)量部門還沒有開展控制功能指標(biāo)檢定的原因之一。

2.1 控制響應(yīng)時(shí)間

控制響應(yīng)時(shí)間與所帶負(fù)載的容積有關(guān)。在負(fù)載容積一定的情況下,從發(fā)生一個(gè)步進(jìn)值的變化開始到目標(biāo)壓力穩(wěn)定輸出時(shí)所需的時(shí)間。主要是檢定壓力發(fā)生器的控制速度,也就是檢定控制器的控制部件響應(yīng)頻率以及軟件控制算法。在被檢儀表沒有對(duì)控制響應(yīng)時(shí)間有要求的情況下,控制響應(yīng)時(shí)間越快越好,因?yàn)榭梢钥s短檢定時(shí)間,提高工作效率。

在檢定時(shí)按照檢定規(guī)程規(guī)定的采樣頻率進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。控制響應(yīng)時(shí)間的采樣時(shí)間點(diǎn)是從一個(gè)壓力值啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)至第一次到達(dá)目標(biāo)壓力值時(shí)為止所用的時(shí)間,該時(shí)間就是壓力發(fā)生器在本壓力區(qū)間內(nèi)的控制響應(yīng)時(shí)間。同理檢定其他壓力區(qū)間內(nèi)的控制響應(yīng)時(shí)間取最大值作為本壓力發(fā)生器的控制響應(yīng)時(shí)間。

圖6表示的是自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器從一個(gè)壓力點(diǎn)到另一個(gè)壓力點(diǎn)的控制響應(yīng)時(shí)間曲線圖。圖中紅色表示控制器的理論控制曲線,藍(lán)色表示專用標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓力采樣的曲線,紫色表示被檢控制器的壓力采樣的曲線。本曲線顯示的是壓力從500～600 hPa控制響應(yīng)時(shí)間的采樣圖,采樣時(shí)間100 ms。從表1可以看到所測試各個(gè)點(diǎn)的控制響應(yīng)時(shí)間,該壓力范圍的響應(yīng)時(shí)間為6.9 s,而本儀器最大響應(yīng)時(shí)間為8.1 s。

表1 測試數(shù)據(jù)

圖6 控制響應(yīng)時(shí)間曲線圖

2.2 壓力控制超(回)調(diào)量

壓力控制超(回)調(diào)量是指壓力發(fā)生器在控制壓力上升(或下降)過程中,超過(低于)目標(biāo)壓力值的最大程度,主要是考核壓力發(fā)生器到達(dá)目標(biāo)值附近的控制算法。在壓力控制部件已確定的情況下,可根據(jù)壓力控制部件響應(yīng)頻率和每次開啟閥門所產(chǎn)生的壓力變化率來調(diào)整閥門的占空比,以達(dá)到控制不超調(diào)或超調(diào)量盡量小的目的。如果過多地強(qiáng)調(diào)縮短控制響應(yīng)時(shí)間,可能會(huì)導(dǎo)致壓力控制超調(diào)量過大超出指標(biāo)的情況。反之如果過多考慮壓力超調(diào)量,又會(huì)導(dǎo)致控制響應(yīng)時(shí)間的增加。該算法取決于傳感器的采樣速度、閥門的響應(yīng)頻率和占空比等指標(biāo)。

檢定壓力控制超(回)調(diào)量的采樣時(shí)間點(diǎn)是從專用標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓力值第一次到達(dá)目標(biāo)壓力值開始直至目標(biāo)壓力值穩(wěn)定期間的所有壓力值與目標(biāo)壓力值之差最大值的絕對(duì)誤差作為該壓力點(diǎn)超調(diào)量。

圖7表示的是自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器從一個(gè)壓力點(diǎn)到另一個(gè)壓力點(diǎn)超調(diào)量的曲線圖。紅色表示控制器的理論控制曲線,藍(lán)色是專用標(biāo)準(zhǔn)裝置壓力采樣曲線,紫色是被檢控制器壓力采樣曲線。本曲線顯示的是壓力從1100～1200 hPa壓力控制超(回)調(diào)量的采樣圖,采樣時(shí)間為100 ms。表2可以看出所測試的各個(gè)點(diǎn)的超(回)調(diào)量,該檢定點(diǎn)的壓力超(回)調(diào)量為0 Pa,而本儀器壓力最大超(回)調(diào)量為4 Pa。

表2 測試數(shù)據(jù)

圖7 壓力控制超(回)調(diào)量曲線圖

2.3 控制穩(wěn)定性

控制穩(wěn)定性是指其輸出壓力在一定時(shí)間內(nèi)保持在有限邊界區(qū)域內(nèi)的能力,主要考核壓力穩(wěn)定時(shí)壓力值波動(dòng)度的指標(biāo),該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也是評(píng)價(jià)壓力發(fā)生器的關(guān)鍵指標(biāo)。規(guī)程規(guī)定壓力發(fā)生器30 s內(nèi)的控制穩(wěn)定性應(yīng)不大于示值最大允許誤差絕對(duì)值的1/2,由此引入的不確定度在總不確定度計(jì)算時(shí)需要考慮。如果控制穩(wěn)定性能夠做到該等級(jí)最大允許誤差1/10由其引入的不確定度就可以忽略不計(jì),壓力發(fā)生器的準(zhǔn)確度等級(jí)基本相當(dāng)于數(shù)字壓力計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)。

控制穩(wěn)定性指標(biāo)主要是考核壓力控制單元的控制性能。對(duì)于采用控制容積變化率來控制壓力的壓力發(fā)生器,其控制穩(wěn)定性主要取決于容積的變化率。在相同的密封系統(tǒng)中,容積變化率越小,控制穩(wěn)定性越好。可通過減小電機(jī)每步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和活塞的直徑使控制容積的變化量減小,從而提高控制穩(wěn)定性指標(biāo)。而對(duì)于采用電磁閥控制壓力變化率的壓力發(fā)生器,其控制穩(wěn)定性主要取決于加壓電磁閥和減壓電磁閥響應(yīng)頻率和占空比。電磁閥響應(yīng)頻率快,可以對(duì)壓力變化做出快速響應(yīng),使控制曲線更接近設(shè)計(jì)曲線。調(diào)整電磁閥的占空比可以控制閥門開啟、關(guān)閉的時(shí)間比例,使壓力幅值控制在一定的范圍內(nèi)。

控制穩(wěn)定性的檢定方法是根據(jù)規(guī)程規(guī)定的采樣頻率進(jìn)行采集數(shù)據(jù),控制功能指標(biāo)的采樣是從壓力值穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí),30 s內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)中最大值和最小值之差的1/2即是控制穩(wěn)定性指標(biāo)。

圖8是自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器在一個(gè)壓力點(diǎn)上的控制穩(wěn)定性曲線圖,從圖中可以看出藍(lán)色表示專用標(biāo)準(zhǔn)裝置采樣的波動(dòng)曲線。本曲線顯示的是壓力控制在1000 hPa點(diǎn)的控制穩(wěn)定性圖形,單點(diǎn)采樣時(shí)間100 ms。采集30 s內(nèi)所有的壓力值,通過計(jì)算該點(diǎn)檢定的控制穩(wěn)定性為1 Pa。從表3可以看出所測試的各個(gè)點(diǎn)的控制穩(wěn)定性指標(biāo)。本儀器控制穩(wěn)定性最大值為1.5 Pa。

圖8 控制穩(wěn)定性曲線圖

表3 測試數(shù)據(jù)

2.4 目標(biāo)壓力持續(xù)穩(wěn)定時(shí)間

目標(biāo)壓力持續(xù)穩(wěn)定時(shí)間是指壓力控制達(dá)到目標(biāo)壓力值穩(wěn)定后,其目標(biāo)壓力穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間不低于2 min。根據(jù)規(guī)程要求在測量范圍內(nèi)需測試5個(gè)檢定點(diǎn),一個(gè)正反行程,每一個(gè)檢定點(diǎn)連續(xù)控制120 s,采樣時(shí)間100 ms。要求采集到的12000個(gè)數(shù)據(jù)不能夠出現(xiàn)一超差點(diǎn),主要考核壓力發(fā)生器持續(xù)控制的能力。

圖9表示的是自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器在一個(gè)壓力點(diǎn)控制穩(wěn)定時(shí)間的曲線圖,該檢定方法與控制穩(wěn)定性的檢定方法基本相同,只是將控制穩(wěn)定時(shí)間設(shè)置到120 s。本曲線顯示的是壓力控制在1000 hPa點(diǎn)的控制穩(wěn)定時(shí)間圖形,單點(diǎn)采樣周期100 ms,采樣時(shí)間120 s,通過計(jì)算該點(diǎn)檢定的控制穩(wěn)定性為1.85 Pa。從表4可以看出所測試的各個(gè)點(diǎn)的控制穩(wěn)定性指標(biāo)。本儀器控制穩(wěn)定性最大值為2.25 Pa。

表4 測試數(shù)據(jù)

圖9 控制穩(wěn)定時(shí)間曲線圖

3 測試系統(tǒng)

根據(jù)控制功能的原理和檢定方法編寫了測試系統(tǒng)的檢定軟件,并根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷各項(xiàng)控制功能指標(biāo)是否符合規(guī)程中所規(guī)定的要求。軟件界面主要分為實(shí)時(shí)圖形區(qū)(主要顯示每個(gè)參數(shù)采集的數(shù)據(jù)曲線)、測試點(diǎn)數(shù)據(jù)和測試的結(jié)果區(qū)和各技術(shù)指標(biāo)閾值(最大值)設(shè)置區(qū)域和數(shù)據(jù)處理區(qū)。區(qū)域中的參數(shù)如控制響應(yīng)時(shí)間,超調(diào)量、控制穩(wěn)定時(shí)間、采樣時(shí)間等最大允許值(閾值)均可進(jìn)行設(shè)置,如果檢定數(shù)值出現(xiàn)超差,該值會(huì)以綠色數(shù)字顯示。

檢測的是一臺(tái)自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字氣壓計(jì)發(fā)生器的控制功能指標(biāo)檢定數(shù)據(jù),測量范圍300～1200 hPa,準(zhǔn)確度等級(jí)0.01級(jí)。控制功能檢定用標(biāo)準(zhǔn)器采用測量范圍100～1200 hPa,準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí),顯示分辨力1 Pa的數(shù)字壓力計(jì),測試系統(tǒng)的采樣時(shí)間10 Hz(100 ms)。檢定時(shí)將高分辨力數(shù)字壓力計(jì)與壓力發(fā)生器連接,測試系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)置的采樣頻力對(duì)高分辨力數(shù)字壓力計(jì)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并以圖10和表5的形式記錄數(shù)據(jù)。表5中記錄有控制響應(yīng)時(shí)間,控制超(回)調(diào)量,控制穩(wěn)定性和控制穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)在每個(gè)測試點(diǎn)的最大值,檢定員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)很方便地判斷被檢壓力發(fā)生器的各項(xiàng)指標(biāo)是否合格。

圖10 各參數(shù)采集數(shù)據(jù)曲線示意圖

表5 測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

在研究壓力發(fā)生器自動(dòng)控制原理的基礎(chǔ)上,對(duì)控制模型進(jìn)行變形增加了調(diào)整參數(shù),使控制模型調(diào)整環(huán)節(jié)更多、調(diào)整更靈活。測試結(jié)果證明,該方法的控制速度更快,控制穩(wěn)定性更好,控制曲線更接近設(shè)計(jì)曲線,對(duì)壓力發(fā)生器控制功能提高起到一定的作用。

通過比較壓力發(fā)生器和數(shù)字壓力計(jì)之間的差異,進(jìn)一步說明控制功能在量值傳遞中的重要性。針對(duì)控制功能的特性結(jié)合檢定軟件和測試數(shù)據(jù)對(duì)規(guī)程的檢定方法進(jìn)行詳細(xì)說明,有助于檢定員進(jìn)一步理解規(guī)程,更好地開展檢定工作。