1、氣體壓力閉環限制系統設計 氣體壓力的自動化測試和限制是一個古老而又不斷更新的課題,隨著自動限制和計算機技術迅猛開展,給氣體壓力限制技術帶來了深刻的影響.精密氣壓的產生與限制技術應用越來越廣泛特別是應用于液壓和氣動設備的檢驗,對氣壓的限制精度和限制穩定性提出了越來越高的要求.目前,現代工業生產日益復雜化,為滿足生產條件和產品精密的要求,必須不斷改良信號采集和控制的方式方法,向更加快捷、 高效、 準確、實時以及遠程限制的方向開展.氣體限制是利用各種限制元件 各種閥、缸等和限制器,組成限制回路以進行自動限制. 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平安起見

2、需要精確限制充氣速度.因此,本文采用閉環限制系統通過計算機對氣體管路進行實時限制,在裝置運行過程中根據壓力表反應的數據,動態調節閥門 的開啟度,限制充氣速度在適宜的范圍. 1整體方案設計 對氣閥的流速做出限制,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置一錐形活塞,通過精確限制錐形活塞的行程來改變進氣道流通面積,而精確限制錐 形活塞的行程可以通過步進電機帶動絲桿傳動系統,做出精確位 移來實現. 整個閉環限制系統由PC系統、氣體管路系統和步進電機系 統構成.在VC+2022環境下,由PC系統限制壓力表實時采集管路的壓力值,實時數據經過Matlab的多項回歸處理得出 壓

3、力的實時變化快慢來閉環限制步進電機調節精密閥門開度,實 現氣閥充氣速度的自動限制. 1.1 硬件設計 系統以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結構,小尺寸并擁有完整性的功能,運算時的穩定度高,執行速度快,功耗低,-40+85C的軍工級工作溫度. 步進電機限制系統選用RORZE系歹U,通過RS232總線和電腦通信,包括RD-023MS驅動器、RC-002電平變換器和RC-233定位主控器、*步進電機.該系列步進電機系統,以程序取代人的操作,配備功能強大的編碼器,利用RD-023MS驅動器,不需要外接脈沖信號和驅動電路,通過程序指令

4、限制電機實現正轉、 反轉、 加速、 減速、 查詢、 定位等功能.RC233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,性能優越,具有精度高、抗腐蝕、抗沖擊、抗震動、高穩 定性等優點,可靠性高.壓力表通過RS485接口與電腦通信連接,驅動和限制程序簡單,氯壓表12V直流電壓供電.由于RS485串行接口屬于一種差分標準,允許1對雙絞線上1個發送器驅動多個負載設備,RS485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

5、條通信電纜上掛許多設備時,一定要保證在總線上只有1臺設備處于發送狀態,其他設備一定要處于接收狀態；而一旦同時2臺設備都處于發送狀態,必然會出現總線沖突的現象.針對上述問題,解決的關鍵是一定要限制好 各臺設備的接收與發送狀態即RS485接口器的收發狀態,本系統 中兩個壓力表工作時間不同步,可以防止這種收發沖突. 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,硬件系統示意圖如圖1所示. 圖1硬件系統示意圖 1.2 軟件設計 軟件局部通過網絡接口實現遠程編程,在其他電腦上WindowsXP環境下用VC+2022和Matlab混合編程最后 將可執行文件以靜態庫的形式移植到單板電腦上運

6、行,分為主程 序模塊、硬件驅動模塊、數據處理模塊三個局部,后兩個局部均以類的形式封裝.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出界面友好,執行速度快,易于維護升級的系統軟件.然而VisualC+只提供了一些根本的數 學函數庫,當遇到復雜的數值運算時,重新編寫程序代碼延長軟件開發周期,增加軟件開發本錢.Matlab擁有獨立的數學函數庫,包含有大量優化了的數學函數,同時提供了對C+語言的函數接口,用戶可以方便地在VC+的集成開發環境中調用.但Matlab的應用程序接口并不是很強大,它不能傳輸除了數值之外的其他數據,而VC+卻具有強大的程序接口,能傳輸任何數據,

7、但其進行復雜計算的水平不是很強.因此,假設將兩者結合起來, 協同工作,必將提升軟件開發效率.程序流程圖如圖2所示,初始 狀態把閥門定在完全關閉的狀態,規定電機逆時針為正. 圖2程序流程圖 1.2.1 主程序模塊 主要是聲明成員變量,調用硬件驅動模塊和數據處理模塊的已經定義好的類函數.主程序根據氣壓表模塊輸出的壓力值,然 后用數據處理模塊進行數據分析根據壓力值的變化來閉環限制步進電機轉動的方向,壓力變化過快,那么需要減小精密閥門開度,電機反轉,壓力變化過慢那么電機正轉,使壓力上升速度在一個平安高效的范圍內. 1.2.2 硬件驅動模塊 硬件驅動模塊用于對硬件設計局部主要儀表的限制和驅動, 主要包括

8、氣壓表模塊、步進電機模塊和串口模塊,各分模塊也是 均以類的形式進行封裝. 氣壓表模塊,表1和表2在氣壓表內部可以進行初始設定編 號01,02,表1責放氣時的氣壓讀數,表2負責充氣.氣壓表實時監測高壓管路的壓力值,實際上一秒最多可采集數據20次,PC機通過串口模塊實時向氣壓表發送命令“01“02通過MFC 對話框的形式實時接收氣壓表返回的壓力值,經過數據處理,得出 壓力值變化的速度來閉環限制步進電機,使充放氣速度在一個安 全高效的范圍. 步進電機模塊,直接發送程序指令來限制電機實現各個動作.電機步距角為1.8步,細分50時,轉動一圈需要10000個脈沖,在導軌上從原點至終點共需65圈65000個

9、脈沖.這里將 平面直角坐標系引入模塊中,將步進電機的行程65000個脈沖均分為100份,坐標原點設為閥門完全關閉點,坐標100處閥門完全翻開.在步進電機限制中引入坐標系,可以通過對坐標點的標定 來定位電機,有以下幾大好處： (1)利于閉環限制程序的編寫.閉環限制可用一個循環程序來實現,有了坐標系,就可以方便定義一個位置變量,以壓力變化快慢作為循環條件,位置變量作相應的增減,即可限制電機的正反轉,改變精密閥門的行程,調節閥門開度實現氣壓限制； (2)限制步進電機的行程.步進電機的活動范圍限制為坐標 0100之間,在不可見系統中解決步進電機失步碰撞問題,可以替 代接近開關的作用； (3)實時查詢步

10、進電機的位置.查詢錐形活塞所處點的坐標, 根據坐標和閥門旋轉螺旋間距,就可以得出電機的位移,相當于一個位移傳感器. 串口模塊,在VC+2022對話框編輯框中添加ActiveX控件MicrosoftCommunicationControl,給該控件命名并在對話框屬性框里設置相應的參數,即可以直接調用串口. 1.2.3 數據處理模塊 數據處理局部采用的是VC+和Matlab混合編程的方法,VC作為客戶端,利用其能夠簡單地同底層硬件資源進行通信的優點,將數據讀入到內存中,再將數據送到Matlab中進行數據處理,通過調用Matlab下數字信號處理工具箱中的函數以及自己所寫的函數進行分析.選用Matla

11、b的C/C+編譯器mcc,這種混合編程方式將.m源文件轉化為C/C+等各種不同類型的源代碼,并在此根底上根據應用需要生成MEX文件、獨立可執 行應用程序等文件類型,大大提升程序的運行速度,以及代碼的執行效率.由于氣壓表每秒采集數據20次為了精確地實現閉環控 制,把20組數據進行多項式最小二乘法曲線擬合,建立第1s內氣 壓隨時間變化的函數模型： p=a0+a1t+antn=Eni=0aiti (1) 在Matlab中調用回歸命令：A=polyfit(T,P,n),其 中:T=0:0.05：1;P=p0,p1,pn可以通過氣壓表的讀數得 至fJ;A=an,a1,a0|多項式(1)的系數；n為多項式

12、的次數. 預測氣壓的變化速度： P(t)=Eni=1iaiti-1 (2) 多項式擬合數據的模型隨著階次n的選擇不同而不同.雖然 n+1個數據點可以確定惟一的n階多項式,但實踐證實并不是 階次越高擬合越好,有時會發生階次越高越不精確的情況.曲線擬合時應該根據實際情況憑借經驗及觀察選擇擬合次數,注意檢 驗結果,比方觀察曲線是否平滑、擬合誤差是否足夠小等,力求準 確全面地描述輸入數據之間的關系.由每秒的模型得出連續的氣 壓模型函數和氣壓變化速度函數根據氣壓變化速度函數在各個 時間點上的值來判斷步進電機正轉還是反轉.數據處理模塊也是 以類的形式封裝起來,供主函數調用. 2實驗與分析 氣體壓力閉環限制裝置已經應用于某型裝備故障檢測中,對 高壓充氣速度進行限制,在試驗時,裝置連接在管路中,通過對電機的限制實現對充氣速度的調節,從而完成