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(yīng)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(yù)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(biāo)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(yīng)用越來越廣泛，特別是應(yīng)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(fù)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(zhǔn)確、實時以及遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)，允許1對雙絞線上1個發(fā)送器驅(qū)動多個負(fù)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(dǎo)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(yuǎn)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(xué)函數(shù)庫，當(dāng)遇到復(fù)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(xué)函數(shù)庫，包含有大量優(yōu)化了的數(shù)學(xué)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(yīng)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(fù)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。
1．2．1 主程序模塊
主要是聲明成員變量，調(diào)用硬件驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的已經(jīng)定義好的類函數(shù)。主程序根據(jù)氣壓表模塊輸出的壓力值，然后用數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)壓力值的變化來閉環(huán)控制步進電機轉(zhuǎn)動的方向，壓力變化過快，則需要減小精密閥門開度，電機反轉(zhuǎn)，壓力變化過慢則電機正轉(zhuǎn)，使壓力上升速度在一個安全高效的范圍內(nèi)。
1．2．2 硬件驅(qū)動模塊
硬件驅(qū)動模塊用于對硬件設(shè)計部分主要儀表的控制和驅(qū)動，主要包括氣壓表模塊、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(nèi)部可以進行初始設(shè)定編號01，02，表1負(fù)責(zé)放氣時的氣壓讀數(shù)，表2負(fù)責(zé)充氣。氣壓表實時監(jiān)測高壓管路的壓力值，實際上一秒最多可采集數(shù)據(jù)20次，PC機通過串口模塊實時向氣壓表發(fā)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(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出壓力值變化的速度來閉環(huán)控制步進電機，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(fā)送程序指令來控制電機實現(xiàn)各個動作。電機步距角為1．8°／步，細(xì)分50時，轉(zhuǎn)動一圈需要10 000個脈沖，在導(dǎo)軌上從原點至終點共需6．5圈65 000個脈沖。這里將平面直角坐標(biāo)系引入模塊中，將步進電機的行程65 000個脈沖均分為100份，坐標(biāo)原點設(shè)為閥門完全關(guān)閉點，坐標(biāo)100處閥門完全打開。在步進電機控制中引入坐標(biāo)系，可以通過對坐標(biāo)點的標(biāo)定來定位電機，有以下幾大好處：
(1)利于閉環(huán)控制程序的編寫。閉環(huán)控制可用一個循環(huán)程序來實現(xiàn)，有了坐標(biāo)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(huán)條件，位置變量作相應(yīng)的增減，即可控制電機的正反轉(zhuǎn)，改變精密閥門的行程，調(diào)節(jié)閥門開度實現(xiàn)氣壓控制；
(2)限制步進電機的行程。步進電機的活動范圍限制為坐標(biāo)0～100之間，在不可見系統(tǒng)中解決步進電機失步碰撞問題，可以替代接近開關(guān)的作用；
(3)實時查詢步進電機的位置。查詢錐形活塞所處點的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)和閥門旋轉(zhuǎn)螺旋間距，就可以得出電機的位移，相當(dāng)于一個位移傳感器。
串口模塊，在VC++2005對話框編輯框中添加ActiveX控件Microsoft Communication Control，給該控件命名并在對話框?qū)傩钥蚶镌O(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，即可以直接調(diào)用串口。
1．2．3 數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理部分采用的是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(yōu)點，將數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，再將數(shù)據(jù)送到Matlab中進行數(shù)據(jù)處理，通過調(diào)用Matlab下數(shù)字信號處理工具箱中的函數(shù)以及自己所寫的函數(shù)進行分析。選用Matl-ab的C／C++編譯器mcc，這種混合編程方式將．m源文件轉(zhuǎn)化為C／C++等各種不同類型的源代碼，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)應(yīng)用需要生成MEX文件、獨立可執(zhí)行應(yīng)用程序等文件類型，大大提高程序的運行速度，以及代碼的執(zhí)行效率。由于氣壓表每秒采集數(shù)據(jù)20次，為了精確地實現(xiàn)閉環(huán)控制，把20組數(shù)據(jù)進行多項式最小二乘法曲線擬合，建立第1s內(nèi)氣壓隨時間變化的函數(shù)模型：
在Matlab中調(diào)用回歸命令：A=polyfit(T，P，n)，其中：T=O：O．05：1；P=[p0，p1，…，pn。]可以通過氣壓表的讀數(shù)得到；A=[an，…，a1，a0]，是多項式(1)的系數(shù)；n為多項式的次數(shù)。
預(yù)測氣壓的變化速度：
多項式擬合數(shù)據(jù)的模型隨著階次n的選擇不同而不同。雖然n+1個數(shù)據(jù)點可以確定惟一的n階多項式，但實踐證明并不是階次越高擬合越好，有時會發(fā)生階次越高越不精確的情況。曲線擬合時應(yīng)該根據(jù)實際情況憑借經(jīng)驗及觀察選擇擬合次數(shù)，注意檢驗結(jié)果，比如觀察曲線是否平滑、擬合誤差是否足夠小等，力求準(zhǔn)確全面地描述輸入數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。由每秒的模型得出連續(xù)的氣壓模型函數(shù)和氣壓變化速度函數(shù)，根據(jù)氣壓變化速度函數(shù)在各個時間點上的值來判斷步進電機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)處理模塊也是以類的形式封裝起來，供主函數(shù)調(diào)用。
2 實驗與分析
氣體壓力閉環(huán)控制裝置已經(jīng)應(yīng)用于某型裝備故障檢測中，對高壓充氣速度進行控制，在試驗時，裝置連接在管路中，通過對電機的控制實現(xiàn)對充氣速度的調(diào)節(jié)，從而完成所需試驗數(shù)據(jù)的采集。通過多次試驗，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和高精度的控制充氣速度。
3 結(jié)論
氣體壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計在某型裝備故障檢測中已得到較好的實現(xiàn)。設(shè)計中無論是硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計方法，這使得系統(tǒng)擴展起來比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應(yīng)性。坐標(biāo)系引進步進電機行程的方法，可以成功解決步進電機失步碰撞問題，能夠確保系統(tǒng)正常運行。