CN106438303A - 一种压电泵输出压强恒压控制系统及恒压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电泵输出压强恒压控制系统，包括PC机、NI采集卡、采集卡接线盒、压电振子驱动电源、压电泵、压电泵入口处量筒、压电泵入口处1号压力传感器、压电泵出口处量筒、压电泵出口处2号压力传感器。同时公开一种压电泵输出压强恒压控制系统的控制方法，输入压电泵出口处期望给定压强P′out；压电控制map图查询模块获取该期望给定压强P′out后，实时读取当前状态压电泵入口处压强Pin；压电控制map图查询单元查询控制map图输出到达压电泵出口处期望压强为P′out时压电泵需要的驱动电压电压幅值V′in及频率H′in；压电振子驱动电源将电压信号放大得到压电泵驱动电压的幅值Vin及频率Hin；实时检测压电泵出口处压力值并反馈给压电控制map图查询单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电泵输出压强恒压控制规律的建模及控制方法，该方法主要适用于不同结构的压电泵或不能准确建模的压电泵的控制。
背景技术
压电泵是利用压电振子作为换能器的流体传输装置，目前已实现的压电泵有电控压电胰岛素泵、压电液体蠕动泵和基于硅微加工及薄膜技术的微型泵等。根据压电泵的结构及实现方式，压电泵可分为多种类型，以能量转化形式划分可分为压电薄膜泵和压电超声泵，以阀结构划分可分为有阀压电薄膜泵(悬臂梁、浮动球阀或锥型阀等)和无阀压电薄膜泵(如锥型管无阀压电薄膜泵、温控制动阀压电薄膜泵等)。压电薄膜泵包括压电片驱动和压电叠堆驱动、单腔体和多腔体(多腔体又可根据腔体连接形式分为串联和并联)结构，相对于传统压电泵具有结构简单、体积小、重量轻、耗能低、输出稳定、输出精度高等特点，已广泛应用于医疗、化学分析、航天、汽车发动机燃料供给等领域。由于压电泵结构种类多，目前压电泵建模及控制过程中，模型建立复杂、模型建立不准确，控制多为开环控制，且控制过程中非线性环节多、控制效果不理想。为解决上述问题，需开发适合结构复杂、线性建模不准确的建模及控制方法。
现有压电泵的驱动控制是通过开环控制压电振子或压电叠堆驱动电压的频率和幅值为主，虽有一些闭环控制的方案和方法，如中国专利公告(布)号为CN 103557143，公开(公告)日：2014.02.05，发明名称为闭环压电薄膜泵及其流量控制方法，该专利是苏州大学实现的基于PID控制算法的压电泵闭环控制，该方法以压电泵输出流量为反馈量，模型控制器为PID控制器，可是压电系统具有很大的非线性和滞后特性，导致其实际控制效果不理想。而本发明选取几种典型压电泵提炼出一种建模简单实用性强的建模及控制方法，即通过标定绘制map图的方法来实现压电泵的建模及控制方法。
发明内容
本发明提出一种压电泵输出压强恒压控制的map图建模控制方法，来解决压电泵控制过程中分析压电泵泵体结构及流体动力学过程建模复杂、模型建立不准确而导致控制效果不理想的问题。
本发明的目的通过以下方案实现：
本发明提供一种压电泵输出压强恒压控制系统，包括PC机、NI采集卡、采集卡接线盒、压电振子驱动电源、压电泵、压电泵入口处量筒、压电泵入口处1号压力传感器、压电泵出口处量筒、压电泵出口处2号压力传感器；NI采集卡安装于PC机上，NI采集卡通过电缆与采集卡接线盒连接，压电振子驱动电源的输入通道通过电缆与采集卡接线盒AO口连接，压电振子驱动电源的输出通道通过电缆与压电泵连接，压电泵入口处1号压力传感器及压电泵出口处2号压力传感器的检测输出电信号分别通过电缆连接于采集卡接线盒AI端口，压电泵入口处量筒及压电泵入口处1号压力传感器通过软管连接在压电泵入口处，压电泵出口处量筒及压电泵出口处2号压力传感器通过软管连接在压电泵出口处。
本发明同时提供一种压电泵输出压强恒压控制系统的控制方法，所述PC机matlab控制系统中内嵌有压电控制map图查询模块，通过查询压电控制map图查询模块，输出压电泵所需的电压幅值及频率，实现对压电泵输出压强的恒压控制：控制系统通过PC机人机接口输入压电泵出口处期望给定压强P′out；压电控制map图查询模块获取该期望给定压强P′out后，实时读取由1号压力传感器检测到的当前状态压电泵入口处压强Pin；压电控制map图查询单元查询控制map图输出压电泵出口处期望压强为P′out时压电泵需要的驱动电压电压幅值V′in及频率H′in；NI采集卡按幅值V′in及频率H′in的值通过AO通道输出电压信号；压电振子驱动电源将所述电压信号保持频率不变，幅值放大若干倍得到压电泵驱动电压的幅值Vin及频率Hin；压电泵出口处2号压力传感器实时检测压电泵出口处压力值并反馈给压电控制map图查询单元，实现对压电泵输出压强的恒压控制。
进一步地，所述压电控制map图查询模块控制过程包括以下步骤：
步骤一、确定影响压电泵出口压强的参数变量：确定影响压电泵出口压强的参数变量为压电泵入口压强、压电振子驱动电压频率及幅值，且压电泵入口压强属于扰动量，压电振子驱动电压的幅值及频率属于控制量；
步骤二、压电泵出口压强标定及map图绘制；
步骤三、采用map图对压电泵输出压强进行控制。
进一步地，所述步骤二压电泵出口压强标定及map图绘制包括以下步骤：
①划分参数变量标定刻度：
在压电泵入口压强可变化范围内将压电泵入口压强均分为n1份，压电泵入口压强变化基准压强为P0，步长为δp；在压电驱动电压频率可变化的范围内将压电驱动电压频率均分为n2份，压电驱动电压频率变化基准频率为H0，步长为δH；在压电驱动电压幅值可变化的范围内将压电振子驱动电压幅值均分为n3份，压电振子驱动电压幅值基准电压为为V0，步长为δV。
②压电振子驱动电压幅值变量变化标定数据获取：
取压电泵入口压强为P0，压电振子驱动电压频率为H0，压电振子驱动电压幅值为Vin时，测量压电泵出口压强POut的值；保持P0、H0不变，取压电振子驱动电压幅值依次为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强POut的值，记录压电泵入口压强为P0、压电振子驱动电压频率为H0时，压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，以table表形式记录，此步骤共可得1张table表；
③压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定数据获取：
在压电振子驱动电压幅值变量变化标定的基础上取压电泵入口压强P0，压电振子驱动电压频率依次Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时，对应P0、Hin时刻压电振子驱动电压幅值依次为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强Pout的值，记录压电泵入口压强为P0、压电振子驱动电压频率依次为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时，压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，记录相应的table表，此步骤可得n2+1张table表；
④压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率、压电泵入口压强变量变化标定数据获取：
在压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定的基础上依次取压电泵入口压强Pin依次为Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)，压电振子驱动电压幅值为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强Pout的值，记录对应压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，记录相应的table表，此步骤共可得(n2+1)*(n1+1)张table表；
⑤压电泵出口压强map图绘制：
取Pin＝P0时以压电泵驱动电压幅值为X轴、压电振子驱动电压频率为Y轴、压电泵出口压强为Z轴绘制一个三维坐标系，由Pin＝P0，Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化获得n2+1张table表，在所述三维坐标系中绘制压电泵入口压强为P0时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图；依次类推取压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的(n2+1)*(n1+1)张table表，绘制压电泵入口压强为Pin时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，此步骤共可绘制n1+1张三维map图；
⑥压电泵出口压强控制map图生成
取Pin＝P0时压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，在map图中，压电振子驱动频率由小到大变化，压电振子驱动幅值由小到大变化，输出压强Pout取第一个最大值时的点为压电泵输出压强控制的最佳工作点，此时压电振子驱动电压的幅值为压电振子驱动电压最佳工作幅值Vmax，压电振子驱动电压频率为压电振子驱动电压最佳工作频率Hmax，取Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax时map图为压电泵出口压强控制map图，依此方法取压电泵入口压强Pin为Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，获得对应压电泵入口压强Pin处压电泵出口压强控制map图，此过程共可获得n1+1张三维压电泵出口压强控制map图；
⑦压电泵出口压强控制map图对应table表生成
根据Pin＝P0时压电振子驱动电压最佳工作幅值Vmax及压电振子驱动电压最佳工作频率Hmax，对压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定数据获取过程中获取的n2+1张table表进行处理，处理过程为保留n2+1张table表中Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax的数据，删除n2+1张table表中Vin>Vmax,Hin>Hmax的数据，生成压电泵出口压强控制map图对应table表；依次类推，取Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，对对应的table表数据做相同处理。
进一步地，所述步骤三采用map图对压电泵输出压强进行控制包括以下步骤：
①写入map图到控制程序：
依据压电泵出口压强标定及map图绘制过程中所得的在不同压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax)的三维map图(共n1+1张)，以及对应的(n2+1)*(n1+1)张table表，将压电泵出口压强Pout关于压电泵入口压强Pin、压电振子驱动电压幅值Vin及压电振子驱动电压频率Hin的关系以table表数据的形式存储于PC机控制程序中；
②map图对压电泵输出压强控制过程：
a、初始化控制参数：
依据压电泵出口压强标定及map图绘制过程中绘制的map图信息初始化map图查询单元，包括压电泵输出压强的最大最小值、输入压强的最大最小值、压电振子驱动电压幅值及频率的最大值及最小值、map图查询单元的查询周期；
b、map图查询最优解：
给定期望压电泵出口处压强P′out，在一个查询周期开始时，压电控制map图查询模块实时读取当前状态压电泵出口处压强Pout，若当前状态压电泵出口处压强Pout与给定期望压电泵出口处压强P′out相等，压电控制map图查询模块读取当前状态下压电振子驱动电源输出电压信号的幅值Vin及频率Hin，令最优解H′in＝Hin，V′in＝Vin。若当前状态压电泵出口处压强Pout与给定期望压电泵出口处压强P′out不相等，压电控制map图查询模块读取当前状态下压电泵入口处压强Pin、压电振子驱动电源输出电压信号的幅值Vin及频率Hin，压电控制map图查询模块查询已标定且经过最佳工作点截取后map图库，得出压电泵入口压强为Pin时压电泵出口压强Pout关于压电泵驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，查询该三维map图得出与输出压强Po′ut一致的压电振子驱动电压频率及幅值最优解H′in，V′in；
c、根据最优解对压电泵控制：
根据压电控制map图查询模块查询结果最优H′in，V′in或次最优H′in，V′in通过采集卡端子输出幅值为V′in和频率为H′in的电压信号。
本发明具有以下有益效果：
1、传统的压电泵控制方法需对压电振子准确建模，需结合压电泵的结构，分析压电振子在振动时受力情况，该分析均是在理想情况下，若压电泵生产过程中，出现微小偏差，均会使压电泵的性能与理论分析相差甚远，本发明提出的方法消除了对压电泵建模过程中准确分析的依赖，避免了因为理论分析模型不准确或生产过程中的微小差异导致压电泵实际性能与理论分析不符而不能实现精确控制的情况，使压电泵输出压强的控制更易于实现。
2、根据压电泵的实现形式，压电泵分为薄膜泵和超声泵；根据压电泵的结构，压电泵分为有阀泵、无阀泵、串联泵、并联泵、单腔体泵、多腔体泵。传统的控制方法只适用于其中的一种或多种压电泵的控制，使用范围较小，本发明提出的方法适用于所有结构的压电泵控制，适用范围广。
3、本发明提出的方法，思路简单，易于操作，且控制精度较高。map图的绘制只需根据压电泵所处实际工况将所需工况逐点标定准确，即可对实现压电泵输出压强的精确控制。
附图说明
图1为本发明的系统应用结构示意图。
图2为本发明的系统硬件工作示意图。
图3为本发明的硬件电路连接图。
图4为本发明的控制系统方框示意图。
图5为本发明压电控制map图查询模块map图绘制及map图查询流程图。
图6为压电泵输入口压强及压电振子驱动电压频率为一个恒定值时，压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压幅值变化的拟合曲线图；图中：X轴为压电振子驱动电压幅值，Y轴为压电振子驱动电压频率，Z轴为压电泵出口压强。
图7为压电泵输入口压强及压电振子驱动电压幅值为一个恒定值时，压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压频率变化的拟合曲线图；图中：X轴为压电振子驱动电压幅值，Y轴为压电振子驱动电压频率，Z轴为压电泵出口压强。
图8为压电泵输入口压强为一个恒定值时，压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压幅值及频率变化的三维map图；图中：X轴为压电振子驱动电压幅值，Y轴为压电振子驱动电压频率，Z轴为压电泵出口压强。
图9-1为压电泵输入口压强为10mm水柱高度时，对应压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压幅值及频率变化的三维map图。
图9-2为压电泵输入口压强为20mm水柱高度时，对应压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压幅值及频率变化的三维map图。
图9-3为压电泵输入口压强为30mm水柱高度时，对应压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压幅值及频率变化的三维map图。
图9-4为压电泵输入口压强为40mm水柱高度时，对应压电泵输出口压强随着压电振子驱动电压幅值及频率变化的三维map图。
图10为压电泵输入口压强为20mm时根据最佳工作点截取的map图。
图11为已知压电泵输入口处压强，根据对应压电泵入口压强处标定的三维map图查询输出压电振子驱动电源的电压幅值及频率(最优解)过程的流程图；图中：Pin为压电泵工作时入口处压强传感器测量的实际压强，Pout为压电泵工作时出口处压强传感器测量的实际压强，Hin，Vin为当前压电振子驱动电压的频率和幅值，P′out为压电泵出口压强目标值，H′out，V′out为查询map图后所得的最优解。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明压电泵输出压强恒压控制系统应用结构示意图为图1，硬件系统包括PC机、NI公司PCI6251采集卡、采集卡接线盒、芯明天HVA压电振子驱动电源、压电泵、压电泵入口处量筒及入口处1号压力传感器、压电泵出口处量筒及出口处2号压力传感器。PCI6251采集卡安装于PC机的PCI插槽处，PCI6251采集卡通过采集卡自带的电缆与采集卡接线盒连接，HVA压电振子驱动电源的输入通道通过电缆与采集卡接线盒AO口连接，HVA压电振子驱动电源的输出通道通过电缆与压电泵连接，压电泵入口及出口处1号压力传感器和2号压力传感器的检测输出电信号通过电缆连接于采集卡接线盒AI端口，压电泵入口处通过一个三通管接头及软管将压电泵入口、1号压力传感器、入口量筒连接，压电泵出口处通过一个三通管接头及软管将压电泵出口、2号压力传感器、出口量筒连接。
本发明压电泵输出压强恒压控制系统硬件工作示意图为图2，位于PC机中的上位机控制软件通过采集卡发送压电泵控制电压信号给压电振子驱动电源，压电振子驱动电源接收到控制电压信号后对控制电压信号进行放大并输出，压电振子驱动电源驱动压电泵使压电泵的泵送能力改变，将入口处量筒里的溶液泵送到出口处量筒里，位于压电泵入口处及出口处的1号压力传感器、2号压力传感器将压电泵入口及出口处的压力信号转换为电信号发送给采集卡的采集口(本发明中采用流体液位高度表示压电泵入口及出口处流体压强，如10.336m水柱＝1标准大气压)，采集卡将采集到的压力值发送给PC机中上位机控制软件。
本发明系统硬件电路连接图为图3，本发明所用的1号压力传感器和2号压力传感器为MPX5100DP压力传感器，MPX5100DP压力传感器有三个引脚，引脚1为供电引脚，引脚2为GND引脚，引脚3为输出信号引脚。本发明采用外接24V直流电源，通过LM2576-5V芯片将24V转换5V给MPX5100DP压力传感器供电，MPX5100DP压力传感器信号输出引脚将检测到的压力信号连接至采集卡接线盒接线端子上。如图3所示电压转换电路由自恢复保险丝F1、整流二极管D1、电容C1、电容C2、电压转换芯片LM2576-5V、电感L1、电容C3、电容C4、肖特基二极管D2组成。24V电源的正端子与自恢复保险丝F1的左端连接，自恢复保险丝F1的右端连接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极连接电容C1的上端，电容C1的上端连接电解电容C2正极之后连接LM2576-5V芯片的引脚1，LM2576-5V芯片的引脚3与电容C1的下端、电容C2的负极、24V电源的负端子连接在一起之后连接地GND，LM2576-5V芯片的引脚5连接地GND，LM2576-5V芯片的引脚2连接电感L1的左端，LM2576-5V芯片的引脚4连接电感L1的右端，电容C3的正极连接电容C4的上端并与电感L1的右端连接在一起，电容C3的负极与电容C4的下端连接在一起并连接地GND，肖特基二极管D2的正极连接电容C3的负极，肖特基二极管D2的负极连接LM2576-5V芯片的引脚2。其中电容C1、电容C4的容值为0.1uF，电容C2的容值为4.7uF/50V，电容C4的容值为4.7uF/16V，电感L1的感抗为330uH，电容C1、电容C2并联具有输入滤波和保护LM2576-5V芯片的作用，电容C3、电容C4并联具有输出滤波的作用，电感L1存储能量，肖特基二极管D2为续流二极管。1号压力传感器和2号压力传感器MPX5100DP的连接电路如图3所示，MPX5100DP压力传感器电路由MPX5100DP、电容C5、电容C6、电容C7组成。电容C5和电容C6的上端连接在一起后连接LM2576-5V芯片的引脚4和MPX5100DP的引脚1(供电电源引脚)，电容C5和电容C6的下端连接在一起后连接MPX5100DP的引脚2(GND引脚)，电容C7右端连接MPX5100DP的引脚3(信号引脚)，电容C7左端连接MPX5100DP的引脚2(GND引脚)。图中+5v通过两个并联的电容滤波后给MPX5100DP供电，MPX5100DP输出信号通过一个电容滤波输出给PCI6251采集卡。1号压力传感器MPX5100DP输出信号用Vout1表示，2号压力传感器MPX5100DP输出信号用Vout2表示。1号压力传感器MPX5100DP与PCI6251采集卡的连接关系为MPX5100DP输出信号引脚3(信号引脚)连接PCI6251采集卡的33引脚(AI1引脚)，MPX5100DP引脚2(GND引脚)连接PCI6251采集卡的32引脚(AIGND引脚)。2号压力传感器MPX5100DP与PCI6251采集卡的连接关系为MPX5100DP输出信号引脚3(信号引脚)连接PCI6251采集卡的65引脚(AI2引脚)，MPX5100DP引脚2(GND引脚)连接PCI6251采集卡的64引脚(AIGND引脚)。PCI6251采集卡与HVA压电振子驱动电源的连接关系为PCI6251采集卡22引脚(AO0)与HVA压电振子驱动电源的输入通道1的正极连接，PCI6251采集卡55引脚(AOGND)与HVA压电振子驱动电源的输入通道1的负极连接。
本发明控制系统方框示意图如图4所示，本发明控制系统通过预先标定不同工况下压电泵泵送能力，建立相应的数学模型，将不同工况下压电泵泵送能力绘制成map图，通过对标定得来的map图进行优化生成控制map图，将控制map图以数据表的形式存储于上位机控制系统形成压电控制map图查询模块。该系统通过内嵌在上位机中的压电控制map图查询模块实现对压电泵输出压强的恒压控制，控制系统通过PC机人机接口(本发明中采用Matlab作为人机接口)输入压电泵出口处期望给定压强P′out，压电控制map图查询模块获取该期望给定压强P′out后，实时读取由1号压力传感器检测到的当前状态压电泵入口处压强Pin，压电控制map图查询单元查询控制map图输出到达压电泵出口处期望压强P′out时压电泵需要的驱动电压电压幅值V′in及频率H′in，NI采集卡按幅值V′in及频率H′in的值通过AO通道输出电压信号，压电振子驱动电源将该电压信号频率不变幅值放大20倍得到压电泵驱动电压的幅值Vin及频率Hin，压电泵出口处2号压力传感器实时检测压电泵出口处压力值并反馈给压电控制map图查询单元。整个控制过程是在线实时控制的，由于压电泵在工作过程中，压电泵入口处流体压强是根据实际工况变化的，压电泵只能通过改变压电泵振子驱动电源输出的电压幅值及频率来改变压电泵的泵送能力，所以压电泵入口流体压强在本控制系统中属于扰动量，压电泵压电振子幅值及频率为压电控制map图查询单元输出量，压电泵出口处流体压强为整个系统控制量。
依据上述建模及控制方法,内嵌在上位机中的压电控制map图查询模块map图绘制及map图查询流程如图5所示，map图绘制及压电泵map图控制过程步骤如下：
本发明压电控制map图查询模块控制过程包含确定影响压电泵出口压强参数变量数据、压电泵标定及三维map图绘制、压电泵map图控制过程三个部分。
1、确定影响压电泵出口压强的参数变量
通过反复试验，随机改变压电泵入口压强、压电振子驱动电压的幅值及频率，当压电泵入口压强及压电振子驱动电压频率为一固定值时，压电泵出口处压强随压电振子驱动电压幅值变化且变化关系为如图6所示的线性关系；当压电泵入口压强及压电振子驱动电压幅值为一固定值时，压电泵出口处压强随压电振子驱动电压频率变化且变化关系为如图7所示的非线性关系；当压电振子驱动电压幅值及频率固定时，压电泵出口处压强随压电泵入口处压强亦发生变化，且变化无明显的线性或非线性关系。故可确定影响压电泵出口压强的参数变量为压电泵入口压强、压电振子驱动电压频率及幅值。
考虑压电泵在实际应用的过程中，压电泵入口压强是随机的，压电振子驱动电压的幅值及频率是可调的，压电泵入口流体压强属于扰动量，压电振子驱动电压的幅值及频率属于控制量。
2、压电泵出口压强标定及map图绘制
①划分参数变量标定刻度
通过反复试验，根据参数变量范围，在压电泵入口压强可变化范围内将压电泵入口压强均分为n1份，压电泵入口压强变化基准压强为P0，步长为δp；在压电振子驱动电压频率可变化的范围内将压电振子驱动电压频率均分为n2份，压电振子驱动电压频率变化基准频率为H0，步长为δH；在压电振子驱动电压幅值可变化的范围内将压电振子驱动电压幅值均分为n3份，压电振子驱动电压幅值基准电压为为V0，步长为δV。
②压电振子驱动电压幅值变量变化标定数据获取
取压电泵入口压强为P0，压电振子驱动电压频率为H0，压电振子驱动电压幅值为Vin时，测量压电泵出口压强POut的值。保持P0、H0不变，取压电振子驱动电压幅值依次为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强POut的值，记录压电泵入口压强为P0、压电振子驱动电压频率为H0时，压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，该信息以table表形式记录(为一个二维数组，数组第一维数据为压电振子驱动电压的幅值，数组第二维数据为压电泵出口处压强)，此过程共可得1张table表。
③压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定数据获取
在压电振子驱动电压幅值变量变化标定的基础上取压电泵入口压强P0，压电振子驱动电压频率依次Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时，对应P0、Hin时刻压电振子驱动电压幅值依次为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强Pout的值，记录压电泵入口压强为P0、压电振子驱动电压频率依次为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时，压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，记录相应的table表(为一个二维数组，数组第一维数据为压电振子驱动电压的幅值，数组第二维数据为压电泵出口处压强)，此步骤可得n2+1张table表。
④压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率、压电泵入口压强变量变化标定数据获取
在压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定的基础上依次取压电泵入口压强Pin依次为Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1),压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)，压电振子驱动电压幅值为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强Pout的值，记录对应压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，记录相应的table表(为一个二维数组，数组第一维数据为压电振子驱动电压的幅值，数组第二维数据为压电泵出口处压强)，此步骤共可得(n2+1)*(n1+1)张表。
⑤压电泵出口压强map图绘制
取Pin＝P0时以压电泵驱动电压幅值为X轴、压电振子驱动电压频率为Y轴、压电泵出口压强为Z轴绘制一个三维坐标系，由Pin＝P0，Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化获得n2+1张table表在该三维坐标系中绘制压电泵入口压强为P0时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，如图8所示。依次类推取压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的(n2+1)*(n1+1)张table表,绘制压电泵入口压强为Pin时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，如图9所示，此过程中共可绘制n1+1张三维map图。
⑥压电泵出口压强控制map图生成
取Pin＝P0时压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，在map图中，压电振子驱动频率由小到大变化，压电振子驱动幅值由小到大变化，输出压强Pout取第一个最大值时的点为压电泵输出压强控制的最佳工作点，此时压电振子驱动电压的幅值为压电振子驱动电压最佳工作幅值Vmax，压电振子驱动电压频率为压电振子驱动电压最佳工作频率Hmax，取Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax时map图为压电泵出口压强控制map图，如图10所示，依此方法取压电泵入口压强Pin为Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，获得对应压电泵入口压强Pin处压电泵出口压强控制map图，此过程共可获得n1+1张三维压电泵出口压强控制map图。
⑦压电泵出口压强控制map图对应table表生成
根据Pin＝P0时压电振子驱动电压最佳工作幅值Vmax及压电振子驱动电压最佳工作频率Hmax，对压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定数据获取过程中获取的n2+1张table表进行处理，处理过程为保留n2+1张table表中Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax的数据，删除n2+1张table表中Vin>Vmax,Hin>Hmax的数据，生成压电泵出口压强控制map图对应table表。依次类推，取Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，对对应的table表数据做相同处理。
3、采用map图对压电泵输出压强进行控制
①写入map图到控制程序
依据压电泵出口压强标定及map图绘制过程中所得的在不同压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax)的三维map图(共n1+1张)，以及对应的(n2+1)*(n1+1)张table表，将压电泵出口压强Pout关于压电泵入口压强Pin、压电振子驱动电压幅值Vin及压电振子驱动电压频率Hin的关系以table表数据的形式存储于上位机matlab控制程序中。
②map图对压电泵输出压强控制过程
a、初始化控制参数
依据压电泵出口压强标定及map图绘制过程中绘制的map图信息初始化map图查询单元包括压电泵输出压强的最大最小值、输入压强的最大最小值、压电振子驱动电压幅值及频率的最大值及最小值、map图查询单元的查询周期。
b、map图查询最优解
给定期望压电泵出口处压强P′out，在一个查询周期开始时，压电控制map图查询模块实时读取当前状态压电泵出口处压强Pout，若当前状态压电泵出口处压强Pout与给定期望压电泵出口处压强P′out相等，压电控制map图查询模块读取当前状态下压电振子驱动电源输出电压信号的幅值Vin及频率Hin，令最优解H′in＝Hin，V′in＝Vin。若当前状态压电泵出口处压强Pout与给定期望压电泵出口处压强Po′ut不相等，压电控制map图查询模块读取当前状态下压电泵入口处压强Pin、压电振子驱动电源输出电压信号的幅值Vin及频率Hin，压电控制map图查询模块查询已标定且经过最佳工作点截取后map图库(此处为步骤2压电泵出口压强控制map图对应table表数据)，得出压电泵入口压强为Pin时压电泵出口压强Pout关于压电泵驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，查询该三维map图得出与输出压强P′out一致的压电振子驱动电压频率及幅值(最优解H′in，V′in)。软件控制流程图如图11所示。
c、根据最优解对压电泵控制
根据压电控制map图查询模块查询结果最优H′in，V′in或次最优H′in，V′in通过采集卡端子输出幅值为V′in和频率为H′in的电压信号。
Claims (5)
1.一种压电泵输出压强恒压控制系统，其特征在于，包括PC机、NI采集卡、采集卡接线盒、压电振子驱动电源、压电泵、压电泵入口处量筒、压电泵入口处1号压力传感器、压电泵出口处量筒、压电泵出口处2号压力传感器；NI采集卡安装于PC机上，NI采集卡通过电缆与采集卡接线盒连接，压电振子驱动电源的输入通道通过电缆与采集卡接线盒AO口连接，压电振子驱动电源的输出通道通过电缆与压电泵连接，压电泵入口处1号压力传感器及压电泵出口处2号压力传感器的检测输出电信号分别通过电缆连接于采集卡接线盒AI端口，压电泵入口处量筒及压电泵入口处1号压力传感器通过软管连接在压电泵入口处，压电泵出口处量筒及压电泵出口处2号压力传感器通过软管连接在压电泵出口处。
2.如权利要求1所述的一种压电泵输出压强恒压控制系统的控制方法，其特征在于，所述PC机matlab控制系统中内嵌有压电控制map图查询模块，通过查询压电控制map图查询模块，输出压电泵所需的电压幅值及频率，实现对压电泵输出压强的恒压控制：控制系统通过PC机人机接口输入压电泵出口处期望给定压强P′out；压电控制map图查询模块获取该期望给定压强P′out后，实时读取由1号压力传感器检测到的当前压电泵入口处压强Pin；压电控制map图查询单元查询控制map图输出压电泵出口处期望压强为P′out时压电泵需要的驱动电压电压幅值V′in及频率H′in；NI采集卡按幅值V′in及频率H′in的值通过AO通道输出电压信号；压电振子驱动电源将所述电压信号保持频率不变，幅值放大若干倍得到压电泵驱动电压的幅值Vin及频率Hin；压电泵出口处2号压力传感器实时检测压电泵出口处压力值并反馈给压电控制map图查询单元，实现对压电泵输出压强的恒压控制。
3.如权利要求2所述的一种压电泵输出压强恒压控制系统的控制方法，其特征在于，所述压电控制map图查询模块控制过程包括以下步骤：
步骤一、确定影响压电泵出口压强的参数变量：确定影响压电泵出口压强的参数变量为压电泵入口压强、压电振子驱动电压频率及幅值，且压电泵入口压强属于扰动量，压电振子驱动电压的幅值及频率属于控制量；
步骤二、压电泵出口压强标定及map图绘制；
步骤三、采用map图对压电泵输出压强进行控制。
4.如权利要求3所述的一种压电泵输出压强恒压控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二压电泵出口压强标定及map图绘制包括以下步骤：
①划分参数变量标定刻度：
在压电泵入口压强可变化范围内将压电泵入口压强均分为n1份，压电泵入口压强变化基准压强为P0，步长为δp；在压电驱动电压频率可变化的范围内将压电驱动电压频率均分为n2份，压电驱动电压频率变化基准频率为H0，步长为δH；在压电驱动电压幅值可变化的范围内将压电振子驱动电压幅值均分为n3份，压电振子驱动电压幅值基准电压为为V0，步长为δV。
②压电振子驱动电压幅值变量变化标定数据获取：
取压电泵入口压强为P0，压电振子驱动电压频率为H0，压电振子驱动电压幅值为Vin时，测量压电泵出口压强POut的值；保持P0、H0不变，取压电振子驱动电压幅值依次为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强POut的值，记录压电泵入口压强为P0、压电振子驱动电压频率为H0时，压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，以table表形式记录，此步骤共可得1张table表；
③压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定数据获取：
在压电振子驱动电压幅值变量变化标定的基础上取压电泵入口压强P0，压电振子驱动电压频率依次Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时，对应P0、Hin时刻压电振子驱动电压幅值依次为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强Pout的值，记录压电泵入口压强为P0、压电振子驱动电压频率依次为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时，压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，记录相应的table表，此步骤可得n2+1张table表；
④压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率、压电泵入口压强变量变化标定数据获取：
在压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定的基础上依次取压电泵入口压强Pin依次为Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)，压电振子驱动电压幅值为Vin＝V0+x*δV(x取值为0,1,2，……，n3)时压电泵出口压强Pout的值，记录对应压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的数据信息，记录相应的table表，此步骤共可得(n2+1)*(n1+1)张table表；
⑤压电泵出口压强map图绘制：
取Pin＝P0时以压电泵驱动电压幅值为X轴、压电振子驱动电压频率为Y轴、压电泵出口压强为Z轴绘制一个三维坐标系，由Pin＝P0，Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化获得n2+1张table表，在所述三维坐标系中绘制压电泵入口压强为P0时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图；依次类推取压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)，压电振子驱动电压频率为Hin＝H0+y*δH(y取值为0,1,2，……，n2)时压电泵出口压强随压电泵驱动电压幅值变化的(n2+1)*(n1+1)张table表，绘制压电泵入口压强为Pin时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，此步骤共可绘制n1+1张三维map图；
⑥压电泵出口压强控制map图生成
取Pin＝P0时压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维MAP图，在map图中，压电振子驱动频率由小到大变化，压电振子驱动幅值由小到大变化，输出压强Pout取第一个最大值时的点为压电泵输出压强控制的最佳工作点，此时压电振子驱动电压的幅值为压电振子驱动电压最佳工作幅值Vmax，压电振子驱动电压频率为压电振子驱动电压最佳工作频率Hmax，取Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax时map图为压电泵出口压强控制map图，依此方法取压电泵入口压强Pin为Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，获得对应压电泵入口压强Pin处压电泵出口压强控制map图，此过程共可获得n1+1张三维压电泵出口压强控制MAP图；
⑦压电泵出口压强控制map图对应table表生成
根据Pin＝P0时压电振子驱动电压最佳工作幅值Vmax及压电振子驱动电压最佳工作频率Hmax，对压电振子驱动电压幅值、驱动电压频率变量变化标定数据获取过程中获取的n2+1张table表进行处理，处理过程为保留n2+1张table表中Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax的数据，删除n2+1张table表中Vin>Vmax,Hin>Hmax的数据，生成压电泵出口压强控制map图对应table表；依次类推，取Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，对对应的table表数据做相同处理。
5.如权利要求3所述的一种压电泵输出压强恒压控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤三采用map图对压电泵输出压强进行控制包括以下步骤：
①写入map图到控制程序：
依据压电泵出口压强标定及map图绘制过程中所得的在不同压电泵入口压强Pin＝P0+z*δp(z取值为0,1,2，……，n1)时，压电泵出口压强Pout关于压电振子驱动电压频率Vin<＝Vmax,Hin<＝Hmax)的三维map图(共n1+1张)，以及对应的(n2+1)*(n1+1)张table表，将压电泵出口压强Pout关于压电泵入口压强Pin、压电振子驱动电压幅值Vin及压电振子驱动电压频率Hin的关系以table表数据的形式存储于PC机控制程序中；
②map图对压电泵输出压强控制过程：
a、初始化控制参数：
依据压电泵出口压强标定及map图绘制过程中绘制的map图信息初始化map图查询单元，包括压电泵输出压强的最大最小值、输入压强的最大最小值、压电振子驱动电压幅值及频率的最大值及最小值、map图查询单元的查询周期；
b、map图查询最优解：
给定期望压电泵出口处压强P′out，在一个查询周期开始时，压电控制map图查询模块实时读取当前状态压电泵出口处压强Pout，若当前状态压电泵出口处压强Pout与给定期望压电泵出口处压强P′out相等，压电控制map图查询模块读取当前状态下压电振子驱动电源输出电压信号的幅值Vin及频率Hin，令最优解H′in＝Hin，V′in＝Vin。若当前状态压电泵出口处压强Pout与给定期望压电泵出口处压强Po′ut不相等，压电控制map图查询模块读取当前状态下压电泵入口处压强Pin、压电振子驱动电源输出电压信号的幅值Vin及频率Hin，压电控制map图查询模块查询已标定且经过最佳工作点截取后map图库，得出压电泵入口压强为Pin时压电泵出口压强Pout关于压电泵驱动电压频率Hin及幅值Vin的三维map图，查询该三维map图得出与输出压强P′out一致的压电振子驱动电压频率及幅值最优解H′in，V′in；
c、根据最优解对压电泵控制：
根据压电控制map图查询模块查询结果最优H′in，V′in或次最优H′in，V′in通过采集卡端子输出幅值为V′in和频率为H′in的电压信号。
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