CN105301154A - 一种基于温度补偿的通用气路控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度补偿的通用气路控制系统，该系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，所述气路控制系统还包括温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

Description

一种基于温度补偿的通用气路控制系统和方法

技术领域

本发明属于分析仪器技术领域，特别涉及一种基于温度补偿的通用气路控制系统和方法。

背景技术

气相色谱仪在石油、化工、生物化学、医药卫生、食品工业、环保等方面应用广泛，能够对气体进行定量和定性分析。目前市面上常用的气相色谱仪包含温度传感器、加热装置、压力传感器、电子阀等反馈控制装置。

现有的气相色谱仪采用PID控制算法，通过一个压力传感器和电子阀对气路压力进行控制。随着气相色谱仪应用的推广和市场的不同需求，由于现有的压力传感器的温漂现象，气相色谱仪在某些应用场景下已经无法满足相应需求。目前，部分气相色谱仪采用低温漂的压力传感器来弥补这一不足，但是其价格昂贵，导致气相色谱仪成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于温度补偿的通用气路控制方法，保证了不同温度下的气路压力控制稳定性，使其满足不同应用场景下的需求。

本发明的技术方案是，一种基于温度补偿的通用气路控制系统，该系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，

所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，

连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，

所述气路控制系统还包括温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

进一步的，所述气路控制系统采用如下控制方法：

(a1)对所述温度传感器建模，根据温度传感器的特性，得到：

T_now＝(V_Tnow-V_T0)×dT_dV(公式11)

其中T_now为当前温度值；V_Tnow为当前温度传感器电压值；V_T0为0°时温度传感器电压值；dT_dV为温度与电压的比例系数。通过两点校准，可以得到V_T0与dT_dV的值；

(a2)对压力传感器建模，根据测量压强以及温度对压力传感器输出电压的影响，其模型如下：

V_Pnow＝O+dO_dT×T_now+(K+dK_dT×T_now)×P_now+(S+dS_dT×T_now)×P_now ²

(公式12)

其中V_Pnow为当前的压力传感器电压值；O为在0℃时压力传感器的零点电压值；dO_dT为当前的压力传感器的零点电压温度补偿系数；T_now为当前的温度；K为在0℃时压力和电压的线性比例系数；dK_dT为在压力和电压的线性比例温度补偿系数；S为在0℃时压力和电压的平方比例系数；dS_dT为在压力和电压的平方比例温度补偿系数；P_now为当前的实际压力；

通过六点校准，计算出该模型中O、dO_dT、K、dK_dT、S、dS_dT六个参数的值

得到该模型后，将其进行反推，可得到

$P_{now}=\frac{(V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×T_{now})\×(K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×T_{now})}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×T_{now}}$ (公式13)

(a3)将温度补偿算法整合，对计算得到的温度传感器模型和压力传感器模型进行融合，得到下列公式

$P_{now}=\frac{\[V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]\×\[K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}}$

(公式14)

该公式4中，V_PnowV_Pnow为输入量，P_now为输出量，将该公式用于闭环反馈中，即实现了温度补偿功能，

所述PID控制器采用经典PID算法，设P_set为期望的压强值，则PID控制器每隔Δt通过温度补偿算法计算实际压强P_now，与压强设置值进行对比，根据参考公式1的PID算法，计算出比例阀控制参数D_c，控制气流大小，从而形成闭环，保持压强稳定：

$D_c=K_P(P_{set}-P_{act})+K_I\mathrm{\Σ}(P_{set}-P_{act})\mathrm{\Δ}t+K_D\frac{P_{set}-P_{act}}{\mathrm{\Δ}t}$ (公式15)。

进一步的，所述PID控制器采用DM3730，所述温度传感器采用霍尼韦尔RTD传感器，所述压力传感器采用189系列，所述电磁阀采用parker电磁比例阀，

所述温度传感器和压力传感器数据输出连接所述DM3730的AD转换模块，所述DM3730的PWM控制模块的连接所述parker电磁比例阀。

一种基于温度补偿的通用气路控制系统，用于气相色谱仪的气路控制，该控制系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，

所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，

连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，

所述气路控制系统还包括温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

一种基于温度补偿的通用气路控制方法，用于气相色谱仪的气路控制，针对该气路控制的系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，

所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，

连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，

所述气路控制方法是增加一个温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

进一步的，所述的控制方法包括步骤：

(b1)对所述温度传感器建模，根据温度传感器的特性，得到：

T_now＝(V_Tnow-V_T0)×dT_dV(公式16)

其中T_now为当前温度值；V_Tnow为当前温度传感器电压值；V_T0为0°时温度传感器电压值；dT_dV为温度与电压的比例系数。通过两点校准，可以得到V_T0与dT_dV的值；

(b2)对压力传感器建模，根据测量压强以及温度对压力传感器输出电压的影响，其模型如下：

V_Pnow＝O+dO_dT×T_now+(K+dK_dT×T_now)×P_now+(S+dS_dT×T_now)×P_now ²

(公式17)

其中V_Pnow为当前的压力传感器电压值；O为在0℃时压力传感器的零点电压值；dO_dT为当前的压力传感器的零点电压温度补偿系数；T_now为当前的温度；K为在0℃时压力和电压的线性比例系数；dK_dT为在压力和电压的线性比例温度补偿系数；S为在0℃时压力和电压的平方比例系数；dS_dT为在压力和电压的平方比例温度补偿系数；P_now为当前的实际压力；

通过六点校准，计算出该模型中O、dO_dT、K、dK_dT、S、dS_dT六个参数的值

得到该模型后，将其进行反推，可得到

$P_{now}=\frac{(V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×T_{now})\×(K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×T_{now})}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×T_{now}}$ (公式18)

(b3)将温度补偿算法整合，对计算得到的温度传感器模型和压力传感器模型进行融合，得到下列公式

$P_{now}=\frac{\[V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]\×\[K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}}$

(公式19)

该公式4中，V_PnowV_Pnow为输入量，P_now为输出量，将该公式用于闭环反馈中，即实现了温度补偿功能，

所述PID控制器采用经典PID算法，设P_set为期望的压强值，则PID控制器每隔Δt通过温度补偿算法计算实际压强P_now，与压强设置值进行对比，根据参考公式1的PID算法，计算出比例阀控制参数D_c，控制气流大小，从而形成闭环，保持压强稳定：

$D_c=K_P(F_{set}-F_{act})+K_I\mathrm{\Σ}(F_{set}-F_{act})\mathrm{\Δ}t+K_D\frac{P_{set}-P_{act}}{\mathrm{\Δ}t}$ (公式20)。

本发明针对将压力传感器与温度传感器的数据依据温度补偿算法进行融合，计算得到压强反馈值，并将该值作为闭环控制的实际反馈值。本发明通过引入了温度传感器，将其加入到闭环中，对反馈压力进行补偿，从而减小了压力传感器温漂对闭环的影响，很好解决了气相色谱仪的气路控制精度问题，同时也降低了气相色谱仪的成本问题。

附图说明

图1本发明控制系统结构框图。

图2本发明实施例中系统硬件结构框图。

具体实施方式

本发明包括：PID控制器、温度传感器、电磁阀和压力传感器。PID控制器通过AD转换芯片与温度传感器和压力传感器的输出管脚连接，通过PWM控制模块与电磁阀连接。该系统所包含的PID控制器、一个电磁阀、一个温度传感器和一个压力传感器，构成一个闭环，保证压强的实时精确调节。具体系统框图如图1所示。

本发明将压力传感器与温度传感器的数据依据温度补偿算法进行融合，计算得到压强反馈值，并将该值作为闭环控制的实际反馈值，温度补偿算法具体如下。

1)温度传感器建模，根据温度传感器的特性，得到：

T_now＝(V_Tnow-V_T0)×dT_dV(公式21)

其中T_now为当前温度值；V_Tnow为当前温度传感器电压值；V_T0为0°时温度传感器电压值；dT_dV为温度与电压的比例系数。通过两点校准，可以得到V_T0与dT_dV的值。

2)压力传感器建模，根据测量压强以及温度对压力传感器输出电压的影响，其模型如下：

V_Pnow＝O+dO_dT×T_now+(K+dK_dT×T_now)×P_now+(S+dS_dT×T_now)×P_now ²

(公式22)

其中V_Pnow为当前的压力传感器电压值；O为在0℃时压力传感器的零点电压值；dO_dT为当前的压力传感器的零点电压温度补偿系数；T_now为当前的温度；K为在0℃时压力和电压的线性比例系数；dK_dT为在压力和电压的线性比例温度补偿系数；S为在0℃时压力和电压的平方比例系数；dS_dT为在压力和电压的平方比例温度补偿系数；P_now为当前的实际压力。

通过六点校准，可以计算出该模型中O、dO_dT、K、dK_dT、S、dS_dT六个参数的值

得到该模型后，将其进行反推，可得到

$P_{now}=\frac{(V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×T_{now})\×(K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×T_{now})}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×T_{now}}$ (公式23)

3)温度补偿算法整合，将计算得到温度传感器模型和压力传感器模型进行融合，得到下列公式

$P_{now}=\frac{\[V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]\×\[K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{T0})\×{\mathrm{dT}}_{dV}}$

(公式24)

该公式中，V_PnowV_Pnow为输入量，P_now为输出量，将该公式用于闭环反馈中，即实现了温度补偿功能。

PID控制器采用经典PID算法，设P_set为期望的压强值，则PID控制器每隔Δt通过温度补偿算法计算实际压强P_now，与压强设置值进行对比，根据PID算法(参考公式1)计算出比例阀控制参数D_c，控制气流大小，从而形成闭环，保持压强稳定：

$D_c=K_P(F_{set}-F_{act})+K_I\mathrm{\Σ}(F_{set}-F_{act})\mathrm{\Δ}t+K_D\frac{P_{set}-P_{act}}{\mathrm{\Δ}t}$ (公式25)

如图2所示，本实施例为一个通用的气路控制系统模块，表示了该模块的硬件结构图，其中PID控制器采用DM3730；温度传感器采用霍尼韦尔RTD传感器；压力传感器采用189系列；电磁阀采用parker电磁比例阀。

本实施例中，RTD温度传感器与压力传感器的模拟信号输出管脚连接到DM3730的AD转换模块管脚；Parker电磁阀的控制管脚连接到DM3730的PWM输出管脚。DM3730为一款TI的ARM9芯片，完全可以满足本实例程序中温度补偿算法和PID控制算法的计算需求。

根据(公式1)对温度传感器进行如下两点校准：

实际温度℃	温度传感器AD值
		20.00	19008
40.00	17028

得到相关参数：V_T0＝1.803，dT_dV＝-132.00

根据(公式2)对压力传感器进行如下六点校准：

实际温度℃	实际压力PSI	压力传感器AD值
			20.00	0.00	6771
20.00	20.00	15684
			20.00	50.00	33871
40.00	0.00	6853
			40.00	20.00	15732
40.00	50.00	34033

得到相关参数：O＝0.504，dO_dT＝0.000096，K＝4.000，dK_dT＝0.000279，S＝0.013，dS_dT＝0.0038。

将计算得到的系数带入公式4，即为温度补偿算法。

实验表明，在65摄氏度，压力设定值为35PSI的前提下，增加了温度补偿算法的PID控制与普通PID控制相比，输出值将减小误差约0.5PSI，从而表明了该方法可以抑制温度对压力传感器的影响，体现了其有效性。

Claims (6)

1.一种基于温度补偿的通用气路控制系统，该系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，

所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，

连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，

其特征在于，所述气路控制系统还包括温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

2.如权利要求1所述的基于温度补偿的通用气路控制系统，其特征在于，所述气路控制系统采用如下控制方法：

(a1)对所述温度传感器建模，根据温度传感器的特性，得到：

T_now＝(V_Tnow-V_T0)×dT_dV(公式1)

其中T_now为当前温度值；V_Tnow为当前温度传感器电压值；V_T0为0°时温度传感器电压值；dT_dV为温度与电压的比例系数。通过两点校准，可以得到V_T0与dT_dV的值；

(a2)对压力传感器建模，根据测量压强以及温度对压力传感器输出电压的影响，其模型如下：

V_Pnow＝O+dO_dT×T_now+(K+dK_dT×T_now)×P_now+(S+dS_dT×T_now)×P_now ²

(公式2)

其中V_Pnow为当前的压力传感器电压值；O为在0℃时压力传感器的零点电压值；dO_dT为当前的压力传感器的零点电压温度补偿系数；T_now为当前的温度；K为在0℃时压力和电压的线性比例系数；dK_dT为在压力和电压的线性比例温度补偿系数；S为在0℃时压力和电压的平方比例系数；dS_dT为在压力和电压的平方比例温度补偿系数；P_now为当前的实际压力；

通过六点校准，计算出该模型中O、dO_dT、K、dK_dT、S、dS_dT六个参数的值得到该模型后，将其进行反推，可得到

$P_{now}=\frac{(V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×T_{now})\×(K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×T_{now})}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×T_{now}}$ (公式3)

(a3)将温度补偿算法整合，对计算得到的温度传感器模型和压力传感器模型进行融合，得到下列公式

$P_{now}=\frac{\[V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{TO})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]\×\[K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{TO})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{TO})\×{\mathrm{dT}}_{dV}}$

(公式4)

该公式4中，V_PnowV_Pnow为输入量，P_now为输出量，将该公式用于闭环反馈中，即实现了温度补偿功能，

所述PID控制器采用经典PID算法，设P_set为期望的压强值，则PID控制器每隔Δt通过温度补偿算法计算实际压强P_now，与压强设置值进行对比，根据参考公式1的PID算法，计算出比例阀控制参数D_c，控制气流大小，从而形成闭环，保持压强稳定：

$D_c=K_P(P_{set}-P_{act})+K_I\mathrm{\Σ}(P_{set}-P_{act})\mathrm{\Δ}t+K_D\frac{P_{set}-P_{act}}{\mathrm{\Δ}t}$ (公式5)。

3.如权利要求1所述的基于温度补偿的通用气路控制系统，其特征在于，所述PID控制器采用DM3730，所述温度传感器采用霍尼韦尔RTD传感器，所述压力传感器采用189系列，所述电磁阀采用parker电磁比例阀，

所述温度传感器和压力传感器数据输出连接所述DM3730的AD转换模块，所述DM3730的PWM控制模块的连接所述parker电磁比例阀。

4.一种基于温度补偿的通用气路控制系统，用于气相色谱仪的气路控制，该控制系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，

所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，

连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，

其特征在于，所述气路控制系统还包括温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

5.一种基于温度补偿的通用气路控制方法，用于气相色谱仪的气路控制，针对该气路控制的系统包括PID控制器、电磁阀和压力传感器，

所述PID控制器的输出端通过电磁阀驱动模块连接所述电磁阀，

连接气路的压力传感器的数据输出反馈至所述PID控制器，构成闭环控制，

其特征在于，所述气路控制方法是增加一个温度传感器，该温度传感器的数据输出也反馈连接至所述PID控制器。

6.如权利要求5所述的基于温度补偿的通用气路控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括步骤：

(b1)对所述温度传感器建模，根据温度传感器的特性，得到：

T_now＝(V_Tnow-V_T0)×dT_dV(公式6)

其中T_now为当前温度值；V_Tnow为当前温度传感器电压值；V_T0为0°时温度传感器电压值；dT_dV为温度与电压的比例系数。通过两点校准，可以得到V_T0与dT_dV的值；

(b2)对压力传感器建模，根据测量压强以及温度对压力传感器输出电压的影响，其模型如下：

V_Pnow＝O+dO_dT×T_now+(K+dK_dT×T_now)×P_now+(S+dS_dT×T_now)×P_now ²

(公式7)

其中V_Pnow为当前的压力传感器电压值；O为在0℃时压力传感器的零点电压值；dO_dT为当前的压力传感器的零点电压温度补偿系数；T_now为当前的温度；K为在0℃时压力和电压的线性比例系数；dK_dT为在压力和电压的线性比例温度补偿系数；S为在0℃时压力和电压的平方比例系数；dS_dT为在压力和电压的平方比例温度补偿系数；P_now为当前的实际压力；

通过六点校准，计算出该模型中O、dO_dT、K、dK_dT、S、dS_dT六个参数的值得到该模型后，将其进行反推，可得到

$P_{now}=\frac{(V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×T_{now})\×(K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×T_{now})}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×T_{now}}$ (公式8)

(b3)将温度补偿算法整合，对计算得到的温度传感器模型和压力传感器模型进行融合，得到下列公式

$P_{now}=\frac{\[V_{Pnow}-O-{\mathrm{dO}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{TO})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]\×\[K+{\mathrm{dK}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{TO})\×{\mathrm{dT}}_{dV}\]}{S+{\mathrm{dS}}_{dT}\×(V_{Tnow}-V_{TO})\×{\mathrm{dT}}_{dV}}$

(公式9)

该公式4中，V_PnowV_Pnow为输入量，P_now为输出量，将该公式用于闭环反馈中，即实现了温度补偿功能，

所述PID控制器采用经典PID算法，设P_set为期望的压强值，则PID控制器每隔Δt通过温度补偿算法计算实际压强P_now，与压强设置值进行对比，根据参考公式1的PID算法，计算出比例阀控制参数D_c，控制气流大小，从而形成闭环，保持压强稳定：

$D_c=K_P(P_{set}-P_{act})+K_I\mathrm{\Σ}(P_{set}-P_{act})\mathrm{\Δ}t+K_D\frac{P_{set}-P_{act}}{\mathrm{\Δ}t}$ (公式10)。