CN103984228A - 一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于科里奥利原理的质量流量计信号处理和应用技术领域，特别是一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法。首先，根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；然后，将上述步骤的模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动。本发明在现有非线性幅值控制算法的基础上增加了模糊PI控制算法，并采用了基于过零检测的频率估计算法，使得整个控制系统更加智能化、灵活化，并设计了基于DSP数字信号处理器的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的软硬件测试系统，实现了科里奥利质量流量计的流量管快速稳幅振动。
Description
技术领域
本发明涉及基于科里奥利原理的质量流量计信号处理和应用技术领域，特别是一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法。
背景技术
科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter，英文缩写为CMF，以下简称科里奥利质量流量计）是一种依据科里奥利力原理研制而成的，即处于旋转体系中的流体同时作直线运动就会产生一种与流体质量成正比的科里奥利力。该流量计于1977年由Micro Motion公司率先研制成功，它不但拥有较高的准确性、稳定性、重复性，而且在测量管内没有阻流元件，很大程度上提高了可靠性和使用寿命。目前大部分汽车用的清洁燃料压缩天然气（CNG）就是用它进行计量的，而且在石油、造纸、建材、食品、医药、能源、生物工程、航天等部门的应用也越来越多。
与普通的流量计只能测量体积流量不同，科里奥利质量流量计则可以直接高精度地测量流体质量流量，它除了能够用于测量各类常规流体外，还能用于测量非常规流体，如批料流/两相流、液化气体、浆液和压缩天然气，因此，科里奥利质量流量计的应用也越来越广泛，据Flow Research公司统计的数据，仅2007年科里奥利质量流量计全球市场销售额就达到了6.62亿美元，且以每年高于8%的速率增长。但是由于技术发展还不够成熟，测量精度还没有达到人们预期的效果。比如测量管的驱动方式，直接决定了测量管的振动能否维持稳定，也就对流量测量的精度有很大的影响。传统的模拟驱动方式直接使用传感器检测到的振动信号放大后作为驱动信号，容易受到外界噪声干扰，而且当批料流或两相流发生时，流量管的频率和阻尼比都将发生变化，这样模拟驱动有限的幅值增益和固定的算法，很难使流量管快速启振并维持稳定。因此，本发明研究数字式驱动系统，其中采用了性能更好的频率估计和幅值控制算法，从而得到精度更高、驱动能力更强的驱动信号。高质量、高精度的科里奥利质量流量计驱动系统的研究对科里奥利质量流量计乃至整个流量测量行业都有着非常重要的影响，正逐步成为现阶段的一个非常热门的课题，研究的理论和实际意义重大。
当前，国内市场上出现的科里奥利流量计有很大一部分都是采用模拟驱动方式，该方式很容易受到外界噪声和流体不稳定的干扰，使得实验室测试精度远远高于现场测试精度，为了克服这一困难，全数字式驱动方式和数字信号处理方法近年来成为研究热。国内对科里奥利质量流量计的研究和应用起步比较晚，80年代开始在一些进口的成套设备中使用科里奥利质量流量计，主要应用于石油、天然气和化学化工行业。近年来，国内对科里奥利质量流量计的使用开始不断增加，且应用范围也更加广泛，但是基本上都还是靠国外进口。国内外有代表性的相关研究如下：
西北工业大学的研究团队则采用互相关滤波的方式提高了科里奥利流量计的输出信号的信噪比，然后再对该信号作离散傅里叶变换求得相位差，但仿真结果显示其实时性和精度都不是很理想。太原航空仪表有限公司目前正与北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的樊尚春、郑德智和邢维巍几位老师一起研究半数字驱动方案，并完成了仿真和电路实现，但是从很多课题中可以得到目前全数字式驱动算法在驱动能力和精度方面都强于半数字式驱动。合肥工业大学DSP实验室设计了新型数字式科里奥利质量流量变送器，并完成了现场测试，该项目有效的解决了相位漂移的难题，同时也对变送器的数据保存方面做了优化；同时提出了基于非线性幅值控制算法的驱动方案，该算法不仅缩短了流量管的启振时间，而且当两相流/批料流发生时可以增强对测量管振动的控制；还研究了数字式驱动方案及其在两相流装置中的实现，其中采用了性能较好的正负阶跃信号启振，波形合成等方法，还设计了两相流实验装置，然而，该研究方案使用的基于变比例参数的幅值控制算法虽然能够有限的实现幅值控制，但是其幅值稳定速度和精度还有待提高。
美国Micro Motion公司推出了MVD(Multi-Variable Digital)技术的数字式变送器，进一步提升了科里奥利质量流量计的性能。英国牛津大学Mayela Zamora和Manus P.Henry实现了基于奔腾III处理器和FPGA结合控制的数字式科里奥利变送器，并使用基于波形合成的数字式驱动方式和数字信号处理方式处理流量计信号，该系统可以使流量计能够测量更复杂的流体，包括两相流，最重要的是系统结合了FPGA的运算速度快，且能够多次编程的优点。英国牛津大学的D.W.Clarke将非线性幅值控制算法成功运用于驱动合成。驱动信号合成采用传统PI控制，采用设定值的对数与实测值的对数之差作为误差输入，使得信号的输入误差能够在一个合适的范围，以输出合适的驱动电压，缩短启振时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种明显加快测量管的启振速度，而且可以使科里奥利质量流量计应用于更广泛的流量测量应用的科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，包括如下步骤，
步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；
步骤S02：将所述步骤S01模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动；
所述模糊PI的幅值控制算法，具体实现过程如下：
PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用比例和积分两个参数的组合达到控制效果，PI控制算法描述为：
式中，t为时间参数，为设定值和实测值的差值，也叫输入偏差；和分别为PI控制算法的比例和积分参数；
为了实现数字式PI控制器，把上式中积分项用求和的方式来近似，得到下式所示的数字式PI控制算法：
式中，和分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示；
由上式可知，比例系数是PI控制算法的基本控制系数，由于单纯采用比例控制器的控制系统中，只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性，故而引入积分系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差；
模糊PI控制算法就是通过实时调整PI控制器的参数，以达到精确控制复杂系统；
加入模糊控制理论后的模糊PI控制器比例和积分系数分别为：
式中和分别为单独PI控制器的初始参数，和分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值。
在本发明实施例中，所述运用模糊PI的幅值控制算法的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的驱动方式如下，
步骤S31：自激启振：采用正负交替阶跃信号来驱动科里奥利质量流量计的测量管启振；
步骤S32：频率估计：首先，采用基于FIR的低通滤波器对采样的测量管输出信号进行滤波处理，然后通过设置阀值找到零点附近的数据，采用最小二乘法曲线拟合求出相邻的过零点，最后计算出测量管输出信号的频率；
步骤S33：模糊PI幅值控制：通过数字幅值检测得到测量管输出信号的幅值，然后对给定幅值和检测得到的幅值分别取自然对数再相减得到模糊PI的输入偏差，作为模糊PI控制器的其中一个输入，并经过模糊PI控制器控制得到输出信号的幅值增益；
步骤S34：驱动信号合成：由步骤S32所得的输出信号频率及步骤S33所得的输出信号幅值增益，通过DDS波形数字式频率合成技术合成驱动信号。
在本发明实施例中，所述步骤S31的自激启振，具体实现过程如下，
对驱动的正阶跃信号作拉普拉斯变换后，得到正阶跃信号的响应函数：
式中，为阶跃信号的幅值，为科里奥利质量流量管的特性参数，为流量管的自然振荡频率；由上式可知，其输出信号只有一种频率分量，当采用同一幅值的负阶跃信号时，有相同的幅值，但是相位相反；因此，为了使测量管的振动幅值能够更快的达到传感器的检测阀值，采用正负交替阶跃激励的方式；
K为输出信号相位，当测量管的输出信号相位在上式所示的范围内时施加负阶跃；当相位不在上式范围内时施加正阶跃，使得激励信号幅值加强；同时为了判定输出信号的相位，需要使用过零检测方法，即设定一个固定的阀值，当输出信号的幅值大于阀值时，加入负阶跃激励信号，当输出信号的幅值小于时，加入正阶跃激励信号。
在本发明实施例中，所述阀值应大于环境噪声的幅值。
在本发明实施例中，所述步骤S32采用最小二乘法曲线计算出测量管输出信号的频率的方式为：通过2次曲线拟合后的二次方程，如果有两个不同的解，则舍弃不在和之间的解；如果有两个相同的解，则是最后的零点；如果无解，则另取三个点进行拟合；得到相邻的两个零点后，即可得输出信号的频率；其中，和分别为n时刻和（n-1）时刻滤波后的数据。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在现有非线性幅值控制算法的基础上增加了模糊PI控制算法，并采用了基于过零检测的频率估计算法，使得整个控制系统更加智能化、灵活化，并设计了基于DSP数字信号处理器的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的软硬件测试系统，实现了科里奥利质量流量计的流量管快速稳幅振动，且明显加快测量管的启振速度。
附图说明
图1为本发明模糊PI控制器结构框图。
图2为本发明科里奥利质量流量计数字式驱动系统框图。
图3为基于最小二乘法的过零检测算法流程图。
图4为DDS工作原理图。
图5为本发明模糊PI幅值控制流程图。
图6为基于模糊PI的全数字式驱动方法仿真图。
图7为本发明基于模糊PI的全数字式驱动算法的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，包括如下步骤，
步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；
步骤S02：将所述步骤S01模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动；
所述模糊PI的幅值控制算法，具体实现过程如下：
PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用比例和积分两个参数的组合达到控制效果，PI控制算法描述为：
式中，t为时间参数，为设定值和实测值的差值，也叫输入偏差；和分别为PI控制算法的比例和积分参数；
为了实现数字式PI控制器，把上式中积分项用求和的方式来近似，得到下式所示的数字式PI控制算法：
式中，和分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示；由上式可知，比例系数是PI控制算法的基本控制系数，由于单纯采用比例控制器的控制系统中，只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性，故而引入积分系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差；
模糊PI控制算法就是通过实时调整PI控制器的参数，以达到精确控制复杂系统；
加入模糊控制理论后的模糊PI控制器比例和积分系数分别为：
上式中和分别为单独PI控制器的初始参数，和分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值。
所述运用模糊PI的幅值控制算法的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的驱动方式如下，
步骤S31：自激启振：采用正负交替阶跃信号来驱动科里奥利质量流量计的测量管启振；
步骤S32：频率估计：首先，采用基于FIR的低通滤波器对采样的测量管输出信号进行滤波处理，然后通过设置阀值找到零点附近的数据，采用最小二乘法曲线拟合求出相邻的过零点，最后计算出测量管输出信号的频率；
步骤S33：模糊PI幅值控制：通过数字幅值检测得到测量管输出信号的幅值，然后对给定幅值和检测得到的幅值分别取自然对数再相减得到模糊PI的输入偏差，作为模糊PI控制器的其中一个输入，并经过模糊PI控制器控制得到输出信号的幅值增益；
步骤S34：驱动信号合成：由步骤S32所得的输出信号频率及步骤S33所得的输出信号幅值增益，通过DDS波形数字式频率合成技术合成驱动信号。
所述步骤S31的自激启振，具体实现过程如下，
对驱动的正阶跃信号作拉普拉斯变换后，得到正阶跃信号的响应函数：
式中，为阶跃信号的幅值，为科里奥利质量流量管的特性参数，为流量管的自然振荡频率；由上式可知，其输出信号只有一种频率分量，当采用同一幅值的负阶跃信号时，有相同的幅值，但是相位相反；因此，为了使测量管的振动幅值能够更快的达到传感器的检测阀值，采用正负交替阶跃激励的方式；
K为输出信号相位，当测量管的输出信号相位在上式所示的范围内时施加负阶跃；当相位不在上式范围内时施加正阶跃，使得激励信号幅值加强；同时为了判定输出信号的相位，需要使用过零检测方法，即设定一个固定的阀值，当输出信号的幅值大于阀值时，加入负阶跃激励信号，当输出信号的幅值小于时，加入正阶跃激励信号；所述阀值应大于环境噪声的幅值。
所述步骤S32采用最小二乘法曲线计算出测量管输出信号的频率的方式为：通过2次曲线拟合后的二次方程，如果有两个不同的解，则舍弃不在和和（n时刻，滤波后的数据为y(n)，（n-1）时刻，滤波后的数据为y(n-1)）之间的解；如果有两个相同的解，则是最后的零点；如果无解，则另取三个点进行拟合；得到相邻的两个零点后，即可得输出信号的频率。
以下为本发明的实施例。
一、模糊PI的幅值控制算法主要内容：
用于科里奥利流量计数字驱动系统模糊PI的幅值控制算法，其叙述如下：
PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用不同的比例和积分两个参数的不同组合达到控制效果。通常，PI控制算法描述为：
公式（1）
公式（1）中，t为时间参数，为设定值和实测值的差值，也叫输入偏差；和分别为PI控制算法的比例和积分参数。
为了实现数字式PI控制器，常把公式（1）中积分项用求和的方式来近似，得到公式（2）所示的数字式PI控制算法。
公式（2）
公式（2）中，和分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示。
由公式（2）可知，比例（P）系数是PI控制的基本控制系数，主要用于放大偏差信号，控制系统中经常会看到只有比例（P）系数控制的比例控制器，但是这种控制器由于只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性；而积分（I）系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差。
模糊PI控制器就是根据被控过程的变化实时调整控制器的参数，以此达到精确控制较复杂的系统，模糊PI自整定控制器结构图如图1所示。
图1中为设定值，为反馈输出值，模糊控制器的输入量为输入偏差和的变化率，为系统输出。和分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值。
由图1可知，加入模糊控制理论后的PI控制器比例和积分系数分别为：
公式（3）
公式（3）中和分别为单独PI控制器的初始参数。
模糊PI自整定控制器的主要任务就是通过实时调整PI控制器的比例和积分参数来达到控制的效果，因此，模糊PI自整定控制器的比例和积分参数对整个控制器的控制效果是决定性的。为此，本发明总结了其比例和积分参数对系统的稳定性、超调量和稳态精度等各项指标的影响如下：
1）比例系数()主要用来提高响应速度，降低系统的稳态误差，加快控制过程；越大，系统能够快速响应变化，并提高调节精度，但是容易出现超调；越小，则系统响应速度越慢，调节精度越低，减慢系统的调节过程。
2）积分系数（）主要是用来降低系统的稳态误差；越大，则可以更快的消除系统的稳态误差；但是不能过大，否则系统响应过程中会产生积分饱和，导致较大超调；过小，则无法避免系统的稳态误差。
由上述有关的作用分析可知，为了能够适应各种不同的复杂系统，我们可以在系统控制的不同阶段，通过自整定的值来实现更精确的控制，在不同（误差绝对值）和不同（误差变化率绝对值）的情况下，对的自整定规则如下：
① 在系统工作的启始阶段，此时较大，为了缩短系统响应时间，应取较大的，此外为避免出现积分饱和，以及产生较大的超调，此时应该选取较小的。
② 在系统运行一段时间后，此时的值适中，此时应减小超调量并保持适当的响应速度，因此，应取较小的，而大小要适中。
③ 在系统即将进入稳定阶段时，较小，为了使系统具有良好的稳定性能，应适当增大的值。
考虑到科氏质量流量计对测量精度和实时性要求都比较高，输入、输出变量都选择五个模糊子集，分别为{负大（NB）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正大（PB）}，根据科氏质量流量计的实际测试要求，并经过自己多次试验比较，设置输入变量和的基本论域分别为[-10，10]和[-1，1]，设置输出变量和的基本论域分别为[-6，6]和[-0.05，0.05]。和的模糊控制规则表如表1和表2所示
当实际运用的时候，只需要根据输入查询该模糊查询表，就可以得到实际的输出值，大大的减轻了主控制器的运算负担并提高了控制速度。
二、基于模糊PI的幅值控制算法的科里奥利流量计数字驱动系统设计实例
基于模糊PI的幅值控制算法的科里奥利质量流量计数字式驱动系统框图如图2所示。其工作原理可以描述为：在系统上电后，首先进入启振阶段，由DSP产生自激信号激振测量管，当测量管的振动幅值达到一定的幅值后，DSP停止给测量管自激信号，此时则完成了启振阶段；此后，系统把传感器检测到的信号经过调理后送入DSP，通过使用相应的频率估计和幅值控制算法得到驱动信号的频率和幅值增益，然后再合成最终的驱动信号送给激振器，激励测量管振动。传感器再继续把检测到的信号送入DSP中，经DSP处理后合成驱动信号；这样循环往复工作，直到测量管能够稳幅振动。
由图2以及上述数字式驱动原理分析可知，科里奥利质量流量计数字式驱动方案主要包括自激启振、频率估计、模糊PI幅值控制、驱动信号合成四个步骤。
（S1）测量管的启振
当系统上电时，系统需要一个自激信号激励激振器开始振动，使测量管的振动幅值达到可测范围，实现启振。常见启振信号有正弦波、方波、三角波等较简单的信号类型，其中用正弦波驱动时，可以有更高的效率，且耗能最小。但是用正弦波驱动科里奥利质量流量计测量管时，同样存在不足，因为在系统上电时，并不知道测量管的固有频率，只能根据经验给一个近似的值，此时无法使测量管实现共振，即测量管的振动幅值无法达到传感器的检测范围，需要长时间的尝试才能使测量管的振动幅值达到传感器的测量阀值，使得测量管的启振时间过长，测量的实时性差。为了能够提高科里奥利质量流量计的实时性，本设计采用正负交替阶跃信号来驱动测量管启振。对驱动的正阶跃信号作拉普拉斯变换后，得到正阶跃信号的响应函数：
公式（4）
式中，为阶跃信号的幅值，为科里奥利质量流量管的特性参数，为流量管的自然振荡频率；由公式（4）可知，其输出信号只有一种频率分量，当采用同一幅值的负阶跃信号时，有相同的幅值，但是相位相反。因此，为了使测量管的振动幅值能够更快的达到传感器的检测阀值，采用正负交替阶跃激励的方式。通过Matlab仿真可知，当流量管的输出信号相位在公式（5）所示的范围内时施加负阶跃；
公式（5）
K为输出信号相位，当相位不在公式（5）范围内时施加正阶跃，可是激励信号幅值得到加强。同时为了判定输出信号的相位，即几个相邻的过零点，需要使用过零检测方法，但是一般的过零检测方法过于复杂，我们可以设定一个固定的阀值，当输出信号的幅值大于阀值时，加入负阶跃激励信号，当输出信号的幅值小于时，加入正阶跃激励信号。此处需要注意的是，由于噪声影响，可能影响判断结果，因此，阀值应适当的大于环境噪声的幅值。通过仿真可知，采用正负交替阶跃信号作为激励信号，能够使测量管的振动幅值均匀快速的增大，加快了流量管的启振过程，进而提高了科里奥利质量流量计的测量性能。
（S2）频率估计方法
由于驱动信号的频率需要根据输出信号的频率来确定，而且在计算质量流量时，也需要用到输出信号的频率值，因此，输出信号的频率估计就显得非常重要了；
本发明采用基于最小二乘法的过零检测方式来估计信号的频率，其基本思路就是通过检测输出信号的相邻过零点来求得信号的频率，而且可以通过增加阶数提高频率估计精度，再者采用过零检测方法可以计算出两个输出信号的相位差和时间差，其结果可以用于最后的质量流量的计算。由于测量环境中存在随机噪声影响，所以输出信号中存在不同频率分量，所以在进行频率估计之前，首先需要进行滤波处理。因此本方法的工作流程如图3所示：
首先，数字滤波采用基于FIR的低通滤波器，对采样后的数据进行滤波处理，使信号的信噪比尽可能的高，然后通过设置阀值找到零点附近的数据，采用最小二乘法曲线拟合求出相邻的过零点，最后计算出信号的频率。通过2次曲线拟合后的二次方程，如果有两个不同的解，则舍弃不在和（n时刻，滤波后的数据为y(n)，（n-1）时刻，滤波后的数据为y(n-1)）之间的解；如果有两个相同的解，则一般是最后的零点；如果无解则另取三个点进行拟合。得到相邻的两个零点后就可以得到信号的频率了。
（S3）驱动信号合成方法
由频率估计算法得到传感器检测信号的频率后，就可以通过波形合成算法合成驱动信号了，DDS是近年来运用较多的数字式频率合成技术（见图4），该方法以Nyquist（奈奎斯特）定律为准，信号合成速度快，一般在纳秒到微秒级；频率分辨率高，而且频率转换到相位保持连续；本发明选用AD9832作为波形合成器，该芯片只需要一个外部时钟源，可以产生高达12.5MHZ的正弦信号，而且该芯片电路连接方便，被广泛运用于各类电子系统中。
（S4）模糊PI幅值控制方法
如图5所示，模糊PI幅值控制方法的流程可以描述为：由科里奥利一次仪表中的传感器检测出测量管的振动信号，通过数字幅值检测得到振动信号的幅值，然后对给定幅值和检测得到的幅值分别取自然对数再相减得到模糊PI的输入误差值，作为模糊PI控制器的其中一个输入，经过模糊PI控制器控制得到的增益值再与频率估计得到的频率一起合成最后的驱动信号。
三、基于模糊PI的幅值控制算法的科里奥利流量计数字驱动系统仿真结果
根据上述关于科里奥利质量流量计全数字式驱动算法的分析，借助Matlab中的Simulink工具，并结合Matlab中的模糊逻辑控制工具（Fuzzy Logic Toolbox）完成科里奥利质量流量计数字式驱动系统的仿真。
科里奥利质量流量计全数字式驱动系统模拟仿真如图6示。基于模糊PI的幅值控制算法的科里奥利流量计的数字式驱动系统仿真结果如图7所示。与传统的模拟驱动方案相比以及基于变比例PI的半数字驱动方案相比，测量管的启振速度变得更快了，为4s左右，更为重要的是启振阶段驱动信号的最大幅值达到9V以上，幅值增益比上述两种方法都高。当流体变化导致测量管的阻尼比发生变化时，更高的幅值增益可以避免测量管阻尼过大而停止振动，通过模糊控制算法在线自整定PI的控制参数，明显加快了测量管的启振速度，而且可以使科里奥利质量流量计应用于更广泛的流量测量应用中。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；
步骤S02：将所述步骤S01模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动；
所述模糊PI的幅值控制算法，具体实现过程如下：
PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用比例和积分两个参数的组合达到控制效果，PI控制算法描述为：
式中，t为时间参数，为设定值和实测值的差值，即输入偏差；和分别为PI控制算法的比例和积分参数；
为了实现数字式PI控制器，把上式中积分项用求和的方式来近似，得到下式所示的数字式PI控制算法：
式中，和分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示；
由上式可知，比例系数是PI控制算法的基本控制系数，由于单纯采用比例控制器的控制系统中，只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性，故而引入积分系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差；
模糊PI控制算法就是通过实时调整PI控制器的参数，以达到精确控制复杂系统；
加入模糊控制理论后的模糊PI控制器比例和积分系数分别为：
上式中和分别为单独PI控制器的初始参数，和分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值。
2.根据权利要求1所述的一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：所述运用模糊PI的幅值控制算法的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的驱动方式如下，
步骤S31：自激启振：采用正负交替阶跃信号来驱动科里奥利质量流量计的测量管启振；
步骤S32：频率估计：首先，采用基于FIR的低通滤波器对采样的测量管输出信号进行滤波处理，然后通过设置阀值找到零点附近的数据，采用最小二乘法曲线拟合求出相邻的过零点，最后计算出测量管输出信号的频率；
步骤S33：模糊PI幅值控制：通过数字幅值检测得到测量管输出信号的幅值，然后对给定幅值和检测得到的幅值分别取自然对数再相减得到模糊PI的输入偏差，作为模糊PI控制器的其中一个输入，并经过模糊PI控制器控制得到输出信号的幅值增益；
步骤S34：驱动信号合成：由步骤S32所得的输出信号频率及步骤S33所得的输出信号幅值增益，通过DDS波形数字式频率合成技术合成驱动信号。
3.根据权利要求2所述的一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：所述步骤S31的自激启振，具体实现过程如下，
对驱动的正阶跃信号作拉普拉斯变换后，得到正阶跃信号的响应函数：
式中，为阶跃信号的幅值，为科里奥利质量流量管的特性参数，为流量管的自然振荡频率；由上式可知，其输出信号只有一种频率分量，当采用同一幅值的负阶跃信号时，有相同的幅值，但是相位相反；因此，为了使测量管的振动幅值能够更快的达到传感器的检测阀值，采用正负交替阶跃激励的方式；
K为输出信号相位，当测量管的输出信号相位在上式所示的范围内时施加负阶跃；当相位不在上式范围内时施加正阶跃，使得激励信号幅值加强；同时为了判定输出信号的相位，需要使用过零检测方法，即设定一个固定的阀值，当输出信号的幅值大于阀值时，加入负阶跃激励信号，当输出信号的幅值小于时，加入正阶跃激励信号。
4.根据权利要求3所述的一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：所述阀值应大于环境噪声的幅值。
5.根据权利要求2所述的一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：所述步骤S32采用最小二乘法曲线计算出测量管输出信号的频率的方式为：通过2次曲线拟合后的二次方程，如果有两个不同的解，则舍弃不在和，之间的解；如果有两个相同的解，则是最后的零点；如果无解，则另取三个点进行拟合；得到相邻的两个零点后，即可得输出信号的频率；其中，和分别为n时刻和（n-1）时刻滤波后的数据。
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