李領(lǐng)錄 張遠(yuǎn)程 / 安徽省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置通常按液體和氣體分類。液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置按檢測(cè)的原理，分為稱重法、容積法及標(biāo)準(zhǔn)表法，氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置按檢定的原理，分為容積法、標(biāo)準(zhǔn)表法[1]。

目前，我國(guó)關(guān)于液體流量測(cè)量的方法已經(jīng)基本滿足需要，但相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)水平還不盡人意。而氣體流量測(cè)量還存在不少問(wèn)題有待解決。包括氣體流量計(jì)品種不全、準(zhǔn)確度不高，特別對(duì)大口徑、大流量的氣體流量計(jì)的測(cè)量較為困難。要發(fā)展氣體流量測(cè)量?jī)x表，就必須研制和建立能滿足測(cè)量需求的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前，國(guó)內(nèi)仍有不少流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用人工控制檢定排量、記錄數(shù)據(jù)、計(jì)算誤差，只有部分科研機(jī)構(gòu)和檢定裝置的生產(chǎn)廠家使用自動(dòng)控制系統(tǒng)，但自動(dòng)控制方法不盡相同。

音速噴嘴是近期發(fā)展較快的一種新型氣體流量試驗(yàn)裝置，又稱為臨界流流量計(jì)。它適用于高壓力、大流量氣體流量計(jì)的檢測(cè)和氣體流量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。其測(cè)量準(zhǔn)確度高，可達(dá)±0.2%。

臨界流文丘里噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、準(zhǔn)確度高、無(wú)可動(dòng)部件、維護(hù)方便，檢定周期長(zhǎng)（5 a）等優(yōu)勢(shì)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的噴嘴型式，且成為最近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外普遍使用的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[2]。由于臨界流文丘里噴嘴的上述特點(diǎn)，大大提高了裝置的整體可靠性和量值溯源性。為此，設(shè)計(jì)了一套音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的自動(dòng)檢定控制系統(tǒng)，不僅要提高量值傳遞準(zhǔn)確性，還要能滿足市場(chǎng)上各種類型流量計(jì)的檢定需要，以適應(yīng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的計(jì)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和多媒體技術(shù)，穩(wěn)定、可靠、靈敏地控制設(shè)備[3]，以達(dá)到操作簡(jiǎn)單、界面生動(dòng)、功能齊全、準(zhǔn)確度高的自動(dòng)檢定目的。

1）穩(wěn)定性和可靠性：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要前提。

2）標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用國(guó)際、國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范化、軟件編制規(guī)范化、硬件選型規(guī)范化、產(chǎn)品規(guī)格規(guī)范化。

3）先進(jìn)性和快速性：控制系統(tǒng)采用先進(jìn)、成熟、穩(wěn)定、可靠的技術(shù)產(chǎn)品，保障其具有快速的檢定能力。

4）可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性：控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)合理、線路簡(jiǎn)單、軟件模塊化、易于維護(hù)、故障率低、節(jié)約人力財(cái)力，具有良好的性能價(jià)格比。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 計(jì)算機(jī)控制部分

計(jì)算機(jī)控制部分如圖1所示。

1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和操作軟件。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)專用的接口實(shí)現(xiàn)與各個(gè)控制單元通信，在流量計(jì)檢定操作軟件界面，完成全過(guò)程中的檢定點(diǎn)流量調(diào)節(jié)和檢定過(guò)程控制。

2）脈沖計(jì)數(shù)與定時(shí)器單元：脈沖計(jì)數(shù)單元采集被檢表輸出脈沖并累計(jì)，定時(shí)器單元準(zhǔn)確控制檢定時(shí)間。

3）高精度A/D 轉(zhuǎn)換單元：用于測(cè)量輸出模擬信號(hào)的被檢表。

4）多路 I/O 控制單元：控制水環(huán)真空泵的啟動(dòng)與停止及不同口徑噴嘴的組合，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5）多媒體部分：由圖像采集卡和攝像設(shè)備構(gòu)成，利用計(jì)算機(jī)的圖像采集技術(shù)，采集被檢表顯示流量。

2.2 計(jì)算機(jī)控制部分?jǐn)?shù)據(jù)采集處理過(guò)程

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置運(yùn)行過(guò)程中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集是通過(guò)上述各個(gè)執(zhí)行單元，將環(huán)境中的模擬變量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字變量，通過(guò)該變量，計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)流量，運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集可分為兩部分，一是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集，即通過(guò)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流量；二是采集被檢表的實(shí)際流量。

3 控制系統(tǒng)軟件

根據(jù)音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理及硬件系統(tǒng)，并考慮控制系統(tǒng)工作的可靠性，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要模塊有：主程序、中斷服務(wù)程序、自動(dòng)檢定程序等[4]。

3.1 自動(dòng)檢定程序流程

控制系統(tǒng)在初始化和自檢完成后，便可以開(kāi)始運(yùn)行檢定程序。首先，通過(guò)鍵盤輸入并修改各種參數(shù)，如設(shè)備型號(hào)、檢定條件等。然后選定具體的檢定方案，根據(jù)不同的檢定方案執(zhí)行檢定任務(wù)。每個(gè)檢定方案程序包括：采樣程序、采樣控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序、結(jié)果打印程序等。具體的自動(dòng)檢定程序流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)檢定程序流程

3.2 軟件控制系統(tǒng)

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是在Windows操作系統(tǒng)下，使用 VC++6.0開(kāi)發(fā)的測(cè)控軟件；在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和報(bào)表生成方面具有很強(qiáng)的靈活性[5,6]。由于控制系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，建立精確模型較為困難，使用結(jié)合比例、積分和微分三種環(huán)節(jié)于一體的控制算法（PID控制算法）整定PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量檢定點(diǎn)的準(zhǔn)確控制，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力[7,8]?？刂葡到y(tǒng)所使用的模糊控制器的設(shè)計(jì)方法：首先，確定模糊控制器的輸入為二維輸入，即把誤差e和誤差的變化率ec作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出為PID參數(shù)的增量值，分別為Kp、Ki、Kd，則PID的參數(shù)為

Kp(k)=Kp（k- 1）+Kp

Ki(k)=Ki（k- 1）+Ki

Kd(k)=Kd（k- 1）+Kd

1）比例系數(shù)Kp的作用是加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。Kp越大，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度越大，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，導(dǎo)致控制系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變差。

2）積分系數(shù)Ki的作用是消除控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。Ki越大，控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除得越快，但是Ki過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程中的較大超調(diào)。若Ki過(guò)小，將使控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。

3）微分系數(shù)Kd的作用是改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，主要在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的改變，并對(duì)偏差變化進(jìn)行預(yù)報(bào)。但是Kd過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程中的制動(dòng)提前，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，降低控制系統(tǒng)的抗干擾性。

根據(jù)偏差e和偏差的變化率ec的狀態(tài)決定三個(gè)參數(shù)的取值，例如：e為負(fù)偏差較大，ec也為負(fù)增大狀態(tài)。此時(shí)，比例系數(shù)的作用較大，從而加快調(diào)節(jié)速度，而積分系數(shù)的作用較小，甚至可忽略，從而防止負(fù)方向出現(xiàn)飽和積分現(xiàn)象。微分系數(shù)的作用可以稍加一些，在不影響調(diào)節(jié)時(shí)間的情況下，起到改善控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的作用。

參考PID參數(shù)的工程實(shí)踐[9,10]，根據(jù)PID參數(shù)Kp、Ki、Kd功能作用，設(shè)計(jì)模糊PID的模糊控制規(guī)則。

首先，對(duì)模糊控制器的輸入變量和輸出變量劃分模糊區(qū)間，為了模糊控制器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便，將輸入和輸出變量都映射到[-3，3]區(qū)間，統(tǒng)一劃分的區(qū)間為{-3，-2，-1，0，1，2，3}?？紤]到偏差、偏差變化率的正負(fù)性，選取7個(gè)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為PB（正大），PM（正中），PS（正?。琙（零），NS（負(fù)?。琋M（負(fù)中），NB（負(fù)大），因此，模糊子集可表示為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中Kp*、Ki*、Kd

*的七個(gè)語(yǔ)言值代表的意思為，NB：減少幅度大；NM：減少幅度中；NS：減少幅度小；Z：值不變；PS：增加幅度??；PM：增加幅度中；PB：增加幅度大。采用三角型隸屬度函數(shù)，是因?yàn)槠湫问胶?jiǎn)單，計(jì)算量小，便于在微控制器上實(shí)現(xiàn)。偏差e與偏差的變化率ec的各個(gè)隸屬函數(shù)的參數(shù)分別為[-3,-1]，[-3,-2,0]，[-3,-1,+1]，[-2,0,+2]，[-1,1,+3]，[0,+2,+3]，[+1,+3]。

模糊PID的模糊控制規(guī)則如表1、表2、表3所示。

表1 KP*調(diào)節(jié)規(guī)則表

表2 KI* 調(diào)節(jié)規(guī)則表

表3 KD*調(diào)節(jié)規(guī)則表

控制系統(tǒng)能自動(dòng)校驗(yàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。上位機(jī)與下位機(jī)的交互，共同完成對(duì)整個(gè)裝置的控制?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)界面實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)情況，使操作者對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)行情況一目了然。檢定開(kāi)始后，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)裝置的控制，實(shí)現(xiàn)被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的示值同步，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存入Access 數(shù)據(jù)庫(kù)中。檢定完成后系統(tǒng)依據(jù)被檢流量計(jì)類型和相關(guān)的檢定規(guī)程計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表的形式打印輸出。通過(guò)該系統(tǒng)查詢以往的檢定結(jié)果，也可以使用Aceesss數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)檢定數(shù)據(jù)加以維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與其他流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)，PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)檢定需要的各個(gè)流量檢定點(diǎn)流量。如果檢定過(guò)程中有外界因素干擾，也能很快進(jìn)行調(diào)節(jié)，為檢定提供了良好的重復(fù)性環(huán)境。該裝置性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、界面直觀，為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)檢定系統(tǒng)提供了一條新的可靠途徑。