氣體壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

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。