李領(lǐng)錄 張遠程 / 安徽省計量科學(xué)研究院

0 引言

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

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

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

臨界流文丘里噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、準確度高、無可動部件、維護方便，檢定周期長（5 a）等優(yōu)勢，是國際標(biāo)準推薦使用的噴嘴型式，且成為最近十年來國內(nèi)外普遍使用的氣體流量標(biāo)準裝置[2]。由于臨界流文丘里噴嘴的上述特點，大大提高了裝置的整體可靠性和量值溯源性。為此，設(shè)計了一套音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準裝置的計算機控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

基于工業(yè)控制計算機的自動檢定控制系統(tǒng)，不僅要提高量值傳遞準確性，還要能滿足市場上各種類型流量計的檢定需要，以適應(yīng)我國科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。控制系統(tǒng)設(shè)計采用先進的計量技術(shù)、計算機技術(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]，以達到操作簡單、界面生動、功能齊全、準確度高的自動檢定目的。

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

2）標(biāo)準性和規(guī)范性：控制系統(tǒng)設(shè)計采用國際、國家及行業(yè)標(biāo)準，控制系統(tǒng)設(shè)計規(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）先進性和快速性：控制系統(tǒng)采用先進、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）可維護性和經(jīng)濟性：控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)合理、線路簡單、軟件模塊化、易于維護、故障率低、節(jié)約人力財力，具有良好的性能價格比。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 計算機控制部分

計算機控制部分如圖1所示。

1）工業(yè)控制計算機和操作軟件。工業(yè)控制計算機通過專用的接口實現(xiàn)與各個控制單元通信，在流量計檢定操作軟件界面，完成全過程中的檢定點流量調(diào)節(jié)和檢定過程控制。

2）脈沖計數(shù)與定時器單元：脈沖計數(shù)單元采集被檢表輸出脈沖并累計，定時器單元準確控制檢定時間。

3）高精度A/D 轉(zhuǎn)換單元：用于測量輸出模擬信號的被檢表。

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

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

2.2 計算機控制部分數(shù)據(jù)采集處理過程

氣體流量標(biāo)準裝置運行過程中，計算機數(shù)據(jù)采集是通過上述各個執(zhí)行單元，將環(huán)境中的模擬變量轉(zhuǎn)換為計算機識別的數(shù)字變量，通過該變量，計算機控制調(diào)節(jié)流量，運算結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集可分為兩部分，一是標(biāo)準數(shù)據(jù)采集，即通過氣體流量標(biāo)準裝置計算標(biāo)準流量；二是采集被檢表的實際流量。

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，主要模塊有：主程序、中斷服務(wù)程序、自動檢定程序等[4]。

3.1 自動檢定程序流程

控制系統(tǒng)在初始化和自檢完成后，便可以開始運行檢定程序。首先，通過鍵盤輸入并修改各種參數(shù)，如設(shè)備型號、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。具體的自動檢定程序流程如圖2所示。

圖2 自動檢定程序流程

3.2 軟件控制系統(tǒng)

氣體流量標(biāo)準裝置是在Windows操作系統(tǒng)下，使用 VC++6.0開發(fā)的測控軟件；在數(shù)據(jù)的存儲、計算和報表生成方面具有很強的靈活性[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)，實現(xiàn)對流量檢定點的準確控制，并具有很強的抗干擾能力[7,8]。控制系統(tǒng)所使用的模糊控制器的設(shè)計方法：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)準確度。Kp越大，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度越大，調(diào)節(jié)準確度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp過小，則會降低調(diào)節(jié)準確度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，導(dǎo)致控制系統(tǒng)靜態(tài)、動態(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過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程中的較大超調(diào)。若Ki過小，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)準確度。

3）微分系數(shù)Kd的作用是改善控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，主要在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的改變，并對偏差變化進行預(yù)報。但是Kd過大，會使響應(yīng)過程中的制動提前，從而延長調(diào)節(jié)時間，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)決定三個參數(shù)的取值，例如：e為負偏差較大，ec也為負增大狀態(tài)。此時，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)時間的情況下，起到改善控制系統(tǒng)動態(tài)性能的作用。

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

首先，對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)計的簡便，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、偏差變化率的正負性，選取7個語言變量的語言值為PB（正大），PM（正中），PS（正?。琙（零），NS（負?。琋M（負中），NB（負大），因此，模糊子集可表示為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中Kp*、Ki*、Kd

*的七個語言值代表的意思為，NB：減少幅度大；NM：減少幅度中；NS：減少幅度??；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)，是因為其形式簡單，計算量小，便于在微控制器上實現(xiàn)。偏差e與偏差的變化率ec的各個隸屬函數(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)能自動校驗收發(fā)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)準確可靠。上位機與下位機的交互，共同完成對整個裝置的控制?？刂葡到y(tǒng)啟動后，通過界面實時顯示現(xiàn)場情況，使操作者對整個裝置的運行情況一目了然。檢定開始后，控制系統(tǒng)自動完成對裝置的控制，實現(xiàn)被檢表和標(biāo)準表的示值同步，同時將采集到的數(shù)據(jù)存入Access 數(shù)據(jù)庫中。檢定完成后系統(tǒng)依據(jù)被檢流量計類型和相關(guān)的檢定規(guī)程計算，將計算結(jié)果以標(biāo)準報表的形式打印輸出。通過該系統(tǒng)查詢以往的檢定結(jié)果，也可以使用Aceesss數(shù)據(jù)庫對檢定數(shù)據(jù)加以維護。

4 結(jié)語

音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準裝置計算機控制系統(tǒng)與其他流量標(biāo)準裝置自動控制系統(tǒng)相比，具有很多優(yōu)點，PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠準確調(diào)節(jié)檢定需要的各個流量檢定點流量。如果檢定過程中有外界因素干擾，也能很快進行調(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、操作簡單、界面直觀，為氣體流量標(biāo)準裝置自動檢定系統(tǒng)提供了一條新的可靠途徑。