氣體壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：由于高壓氣體注入密閉容器時的速度要求精確控制，需要一種響應迅速，且較為容易實現(xiàn)計算機精確控制的充氣系統(tǒng)。該氣體壓力閑環(huán)控制系統(tǒng)由PC104 VDX6354微電腦和步進電機實現(xiàn)控制功能，基于VC++和Matlab混合編程，由PC機根據(jù)精密數(shù)字壓力表實時傳輸來的數(shù)據(jù)建立氣壓預測模型，閉環(huán)控制步進電機，調(diào)節(jié)精密閥門的開度，從而確保工作氣體的高精度恒壓注入。在步進電機控制模塊引入坐標系，成功解決電機的碰撞問題。
關(guān)鍵詞：PC104；步進電機；閉環(huán)控制；混合編程

0 引言
氣體壓力的自動化測試和控制是一個古老而又不斷更新的課題，隨著自動控制和計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，給氣體壓力控制技術(shù)帶來了深刻的影響。精密氣壓的產(chǎn)生與控制技術(shù)應用越來越廣泛，特別是應用于液壓和氣動設(shè)備的檢驗，對氣壓的控制精度和控制穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。目前，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)日益復雜化，為滿足生產(chǎn)條件和產(chǎn)品精密的要求，必須不斷改進信號采集和控制的方式方法，向更加快捷、高效、準確、實時以及遠程控制的方向發(fā)展。氣體控制是利用各種控制元件(各種閥、缸等)和控制器，組成控制回路，以進行自動控制。
在某型裝備測試操作中，需要往高壓氣瓶中注入高壓工作氣體，高壓氣體在注入的過程中出于安全起見需要精確控制充氣速度。因此，本文采用閉環(huán)控制系統(tǒng)通過計算機對氣體管路進行實時控制，在裝置運行過程中根據(jù)壓力表反饋的數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)節(jié)閥門的開啟度，控制充氣速度在合適的范圍。

1 整體方案設(shè)計
對氣閥的流速做出控制，最簡單易行的方法就是改變進氣時氣流流通的橫截面積，可以通過在進氣道中設(shè)置一錐形活塞，通過精確控制錐形活塞的行程來改變進氣道流通面積，而精確控制錐形活塞的行程可以通過步進電機帶動絲桿傳動系統(tǒng)，做出精確位移來實現(xiàn)。
整個閉環(huán)控制系統(tǒng)由PC系統(tǒng)、氣體管路系統(tǒng)和步進電機系統(tǒng)構(gòu)成。在VC++2005環(huán)境下，由PC系統(tǒng)控制壓力表實時采集管路的壓力值，實時數(shù)據(jù)經(jīng)過Matlab的多項回歸處理，得出壓力的實時變化快慢來閉環(huán)控制步進電機調(diào)節(jié)精密閥門開度，實現(xiàn)氣閥充氣速度的自動控制。
1．1 硬件設(shè)計
系統(tǒng)以ICOP最近推出的一款功能齊全完美的PC104單板電腦VDX-6354為核心，主板采用標準PC104結(jié)構(gòu)，小尺寸并擁有完整性的功能，運算時的穩(wěn)定度高，執(zhí)行速度快，功耗低，-40～+85℃的軍工級工作溫度。
步進電機控制系統(tǒng)選用RORZE系列，通過RS 232總線和電腦通信，包括RD-023MS驅(qū)動器、RC-002電平變換器和RC-233定位主控器、RM2414 S步進電機。該系列步進電機系統(tǒng)，以程序取代人的操作，配備功能強大的編碼器，利用RD-023MS驅(qū)動器，不需要外接脈沖信號和驅(qū)動電路，通過程序指令控制電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、查詢、定位等功能。RC 233定位主控器可以有80，320，1，64，50，400幾種細分，滿足不同速度的需求。
壓力表選用ACD-2精密數(shù)字壓力表，它是一款高精度智能測量儀表，由壓力傳感器和信號處理電路組成。壓力傳感器采用進口傳感器，性能優(yōu)越，具有精度高、抗腐蝕、抗沖擊、抗震動、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，可靠性高。壓力表通過RS 485接口與電腦通信連接，驅(qū)動和控制程序簡單，氣壓表12 V直流電壓供電。由于RS 485串行接口屬于一種差分標準，允許1對雙絞線上1個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設(shè)備，RS 485通信多用在主從式多機通信中，但其作為一種半雙工的通信方式，在1條通信電纜上掛許多設(shè)備時，一定要保證在總線上只有1臺設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)，其他設(shè)備一定要處于接收狀態(tài)；而一旦同時2臺設(shè)備都處于發(fā)送狀態(tài)，必然會出現(xiàn)總線沖突的現(xiàn)象。針對上述問題，解決的關(guān)鍵是一定要控制好各臺設(shè)備的接收與發(fā)送狀態(tài)即RS 485接口器的收發(fā)狀態(tài)，本系統(tǒng)中兩個壓力表工作時間不同步，可以避免這種收發(fā)沖突。
氣體管路組件選用寧波星箭航天機械廠的過濾器、截止閥、閥門和導管，硬件系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1．2 軟件設(shè)計
軟件部分通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)遠程編程，在其他電腦上Windows XP環(huán)境下用VC++2005和Matlab混合編程，最后將可執(zhí)行文件以靜態(tài)庫的形式移植到單板電腦上運行，分為主程序模塊、硬件驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)處理模塊三個部分，后兩個部分均以類的形式封裝。VisualC++是Windows平臺下強有力的高級編程語言，能夠方便快速地開發(fā)出界面友好，執(zhí)行速度快，易于維護升級的系統(tǒng)軟件。然而Visual C++只提供了一些基本的數(shù)學函數(shù)庫，當遇到復雜的數(shù)值運算時，重新編寫程序代碼延長軟件開發(fā)周期，增加軟件開發(fā)成本。Matlab擁有獨立的數(shù)學函數(shù)庫，包含有大量優(yōu)化了的數(shù)學函數(shù)，同時提供了對C++語言的函數(shù)接口，用戶可以方便地在VC++的集成開發(fā)環(huán)境中調(diào)用。但Matlab的應用程序接口并不是很強大，它不能傳輸除了數(shù)值之外的其他數(shù)據(jù)，而VC++卻具有強大的程序接口，能傳輸任何數(shù)據(jù)，但其進行復雜計算的能力不是很強。因此，若將兩者結(jié)合起來，協(xié)同工作，必將提高軟件開發(fā)效率。程序流程圖如圖2所示，初始狀態(tài)把閥門定在完全關(guān)閉的狀態(tài)，規(guī)定電機逆時針為正。