CN106774463B - 一种高精度气体流量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度的气体流量控制系统及方法，控制系统包括：比例阀数字预处理单元，根据PWM脉冲的位数及比例阀的最大开启度，生成脉冲宽度‑比例阀开启度响应曲线并存储；比例阀开启度控制单元，根据当前气体流量信号及设定气体流量生成比例阀的期望开启度；脉冲宽度调取单元，根据期望开启度及脉冲宽度‑比例阀开启度响应曲线，确定期望脉冲宽度值；PWM脉冲生成单元，生成对应期望脉冲宽度值的PWM脉冲并将所述PWM脉冲输出给比例阀的控制端。本发明优化了比例阀在低量程的响应特性，加快了气体流量控制的速度；通过将比例阀开口向上的抛物线响应曲线进行线性处理，比例阀的响应满足线性关系，提高了气体流量控制的控制精度。

Description

一种高精度气体流量控制系统及方法

技术领域

本发明涉及气体流量控制领域，特别是涉及一种高精度气体流量控制系统及方法。

背景技术

现有气体流量控制技术多采用模拟电路实现控制量的输入输出以及信号的采集放大，电路结构复杂，对流量控制精度的影响因素众多，且电路板难以小型化，进而限制了气体流量控制器向小型化方向发展。

现有数字式气体质量流量控制器，均设置有采集流量传感器数据的AD转换电路，输出控制阀体动作的DA转换电路，以及模拟信号输入输出的接口电路，电路结构与机械结构复杂，生产维护成本高，难以实现小型化。同时，由于比例阀的响应曲线近似于开口向上的抛物线，无法实现精确控制气体流量的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度气体流量控制系统，可精确的控制气体流量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高精度的气体流量控制系统，所述气体流量控制系统包括：比例阀数字预处理单元、比例阀开启度控制单元、脉冲宽度调取单元和PWM脉冲生成单元，其中，

所述比例阀数字预处理单元，用于根据所述PWM脉冲生成单元产生的PWM脉冲的位数及比例阀的最大开启度，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线并存储；

所述比例阀开启度控制单元，用于根据所述气体流量传感器采集的当前气体流量信号及设定气体流量确定所述比例阀的期望开启度；

所述脉冲宽度调取单元，用于从所述比例阀数字预处理单元中调取所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，并根据所述期望开启度及所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，确定所述期望开启度对应的期望脉冲宽度值；

所述PWM脉冲生成单元，用于根据所述期望脉冲宽度值生成对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲，并将所述对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲输出给所述比例阀的控制端。

可选的，所述比例阀数字预处理单元包括：

脉冲宽度划分单元，用于根据所述PWM脉冲的位数n将所述PWM脉冲的占空比范围[0,1]划分为2ⁿ个份，生成脉冲宽度标识值X，

其中，i＝0,1,2,……,2ⁿ；n≥1；

比例阀开启度确定单元，用于当所述PWM脉冲的占空比以1/2ⁿ的整数倍为间隔由0增加到1时，根据气体流量传感器记录的气体流量确定所述比例阀的最大开启度K；

开启度划分单元，用于将所述比例阀的所述最大开启度K划分为2ⁿ份，生成比例阀开启度标识值Y，

响应曲线生成单元，用于将所述脉冲宽度标识值X和所述比例阀开启度标识值Y一一对应，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线。

可选的，所述气体流量控制系统还包括自动零点校准单元，其中，所述气体流量传感器还用于在所述比例阀关闭且气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号；还用于在所述PWM脉冲的占空比由0变化到1时，记录气体流量；

所述自动零点校准单元用于根据所述气体流量的原始流量信号与所述气体流量传感器记录的所述气体流量确定校正的预处理气体流量信号，并发送至所述比例阀数字预处理单元；还用于根据所述气体流量的原始流量信号与所述当前气体流量信号确定校正后的当前气体流量信号，并发送至所述比例阀开启度控制单元。

可选的，所述气体流量控制系统还包括数字滤波单元，用于对所述当前气体流量信号进行数字滤波。

可选的，所述PWM脉冲生成单元产生的所述PWM脉冲为16位PWM脉冲。

可选的，所述比例阀开启度控制单元为PID控制器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明高精度的气体流量控制系统通过设置比例阀数字预处理单元对比例阀的响应曲线进行数字化线性预处理，优化了比例阀在低量程的响应特性，加快了气体流量控制的速度；比例阀数字预处理单元将比例阀开口向上的抛物线响应曲线进行线性处理，使比例阀的响应满足线性关系，提高了气体流量控制系统的控制精度。

本发明的目的还在于提供一种高精度气体流量控制方法，可精确的控制气体流量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高精度的气体流量控制方法，所述气体流量控制方法包括：

根据比例阀控制端的PWM脉冲的位数及比例阀的最大开启度，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线并存储；

根据所述气体流量传感器采集的当前气体流量信号及设定气体流量确定所述比例阀的期望开启度；

调取所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，并根据所述期望开启度及所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，确定所述期望开启度对应的期望脉冲宽度值；

根据所述期望脉冲宽度值生成对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲；

将所述对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲输出给所述比例阀的控制端。

可选的，所述生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线的方法包括：

根据所述PWM脉冲的位数n将所述PWM脉冲的占空比范围[0,1]划分为2ⁿ个份，生成脉冲宽度标识值X，

其中，i＝0,1,2,……,2ⁿ；n≥1；

将所述PWM脉冲的占空比以1/2ⁿ的整数倍为间隔由0增加到1，根据气体流量传感器记录的气体流量确定所述比例阀的最大开启度K；

将所述比例阀的所述最大开启度K划分为2ⁿ份，生成比例阀开启度标识值Y，

将所述脉冲宽度标识值X和所述比例阀开启度标识值Y一一对应，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线。

可选的，所述生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线之前还包括：

在所述比例阀关闭且气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号；

在所述PWM脉冲的占空比由0变化到1时，获取通过所述气体流量传感器记录的气体流量；

根据所述气体流量的原始流量信号与所述气体流量传感器记录的气体流量确定校正的预处理气体流量信号；

所述生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，具体包括：

根据所述校正的预处理气体流量信号生成所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线。

可选的，所述确定所述比例阀的期望开启度之前还包括：

在所述比例阀关闭且气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号；

在所述PWM脉冲的占空比由0变化到1时，获取通过所述气体流量传感器记录的气体流量；

根据所述原始流量信号与所述当前气体流量信号确定校正后的当前气体流量信号；

所述确定所述比例阀的期望开启度，具体包括：

根据所述校正后的当前气体流量信号及设定气体流量确定所述比例阀的期望开启度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明高精度的气体流量控制方法通过对比例阀的响应曲线进行数字化线性预处理，优化了比例阀在低量程的响应特性，加快了气体流量控制的速度；通过将比例阀开口向上的抛物线响应曲线进行线性处理，比例阀的响应满足线性关系，提高了该控制方法的控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1高精度的气体流量控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例1中比例阀数字预处理单元的结构框图；

图3为本发明实施例2控制系统的结构图；

图4为本发明实施例2的控制系统与上位机的通讯接口示意图；

图5为本发明高精度的气体流量控制方法的流程图；

图6为本发明生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高精度的气体流量控制系统及方法，通过比例阀数字预处理单元对比例阀的响应曲线进行数字化线性预处理，优化了比例阀在低量程的响应特性，加快了气体流量控制的速度；通过将比例阀开口向上的抛物线响应曲线进行线性处理，比例阀的响应满足线性关系，提高了气体流量控制系统的控制精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：如图1所示，本发明高精度气体流量控制系统包括：零点校准单元101、开启度控制单元102，比例阀数字预处理单元103、脉冲宽度调取单元104，PWM脉冲生成单元105。

气体流量传感器100首先在所述比例阀106关闭且所述气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号。当所述PWM脉冲的占空比以1/2ⁿ的整数倍为间隔由0增加到1时，气体流量传感器100记录气路通道中的气体流量，自动零点校准单元101根据原始流量信号与气体流量传感器100记录的气路通道中的气体流量确定校正的预处理气体流量信号，并发送至所述比例阀数字预处理单元103。本发明通过自动零点校准技术，消除了气体流量传感器漂移造成的误差。

比例阀数字预处理单元103根据所述PWM脉冲生成单元105产生的PWM脉冲的位数及所述校正的预处理气体流量信号，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线并存储。通过对比例阀的响应曲线进行数字化线性预处理，可以优化比例阀在低量程的响应特性，加快了控制系统的响应速度。且经过线性预处理，比例阀的响应曲线由开口向上的抛物线优化为满足线性关系的响应曲线，从而提高了气体流量控制系统的控制精度。

气体流量传感器100实时采集所述气路通道中的当前气体流量信号，自动零点校准单元101根据所述气体流量的原始流量信号与所述当前气体流量信号确定校正的当前气体流量信号，开启度控制单元102根据所述校正的当前气体流量信号及设定的气体流量生成比例阀106的期望开启度。本发明通过自动零点校准技术，消除了气体流量传感器漂移造成的误差。可选地，开启度控制单元102为PID控制器，通过数字PID算法实现气体流量的精确控制。

脉冲宽度调取单元104从比例阀数字预处理单元103中调取预先存储的脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，并根据比例阀106的期望开启度及脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，确定期望开启度对应的期望脉冲宽度值。

PWM脉冲生成单元105根据期望脉冲宽度值生成对应期望脉冲宽度值的PWM脉冲。可选地，PWM脉冲生成单元105产生的PWM脉冲为16位PWM脉冲，通过16位PWM脉冲波控制比例阀106，减少输出控制电路复杂度；同时，根据16位PWM脉冲可以将比例阀的开启程度细分为65535个单位，这是实现精确控制流量的基础。

比例阀106的控制端与PWM脉冲生成单元105的输出端电连接，根据PWM脉冲调节比例阀106的开启度，以控制气体流量。本发明采用脉宽调制技术，即PWM技术控制比例阀，可以实现对比例阀的快速和高精度控制。

可选地，高精度的气体流量控制系统还包括数字滤波单元，用于对气体流量传感器100采集的原始流量信号、预先气体流量信号及当前气体流量信号进行数字滤波，通过数字滤波提高流量信号的信噪比，并通过过采样技术，提高信号精度。

可选地，高精度的气体流量控制系统还包括恒压阀，恒压阀与控制系统的气路通道连通，用于保持恒定压力，使气体通过所述恒压阀以恒定压力流入所述气路通道中。例如，可将纯氮气气源通过恒压阀，接到控制器气路输入端。设定恒压阀，使气源输出压力在控制系统的正常工作范围之内，并在预处理过程中保持气源供给压力稳定。

具体地，如图2所示，比例阀数字预处理单元103包括：脉冲宽度划分单元200，比例阀开启度确定单元201，开启度划分单元202，响应曲线生成单元203。

脉冲宽度划分单元200根据所述PWM脉冲的位数n将PWM脉冲的占空比范围[0,1]划分为2ⁿ个份，生成脉冲宽度标识值X，

其中，i＝0,1,2,……,2ⁿ；n≥1；

当所述PWM脉冲的占空比以1/2ⁿ的整数倍为间隔由0增加到1时，比例阀开启度确定单元201根据气体流量传感器记录的气体流量确定所述比例阀的最大开启度K；

开启度划分单元202将比例阀106的最大开启度K划分为2ⁿ份，生成比例阀开启度标识值Y，

响应曲线生成单元203将脉冲宽度标识值X和比例阀开启度标识值Y一一对应，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线。

实施例2：如图3所示为高精度的气体流量控制系统的结构图，控制系统包括CPU控制模块303，CPU控制模块303包括比例阀数字预处理单元、比例阀开启度控制单元、脉冲宽度调取单元和PWM脉冲生成单元。

CPU控制模块303和数字式气流传感器304、比例阀305位于底座上，气源气体通过不锈钢两通接头302进入控制系统的气路通道，然后通过数字式气流传感器304的进气口进入数字式气流传感器304，数字式气流传感器304采集气路通道中的气体流量后，通过数字式气流传感器304的出气口流入比例阀305，比例阀305的控制端与CPU控制模块303的输出端电连接，根据CPU控制模块303中的的PWM脉冲生成单元产生的PWM脉冲调节比例阀305的开启度，以控制气体流量，通过A型流量计阀体301可以显示当前的气体流量。

本发明通过采用数字式气体流量传感器读取气体流量信号，减少信号采集部分的模拟电路，在提高电路可靠性的同时，减少了电路的复杂度；通过对气路通道进行设计，减小气体在控制器内的流通路径，从而减少控制器对气体的阻力和干扰。

如图4所示，通过数字通讯接口401如RS485，上位机402与CPU控制模块303可以实时通讯，上位机402可以对控制系统的参数进行实时调整，其中数字通讯接口401可设置在CPU控制模块303上。

本申请的软件设计采用嵌入式实时操作系统(RTOS)，在满足大运算量的同时，能够保障各种控制任务的实时性要求。将周期性的计算任务和各种控制任务通过操作系统的调度，可以实现各个任务的并行运行。

本发明的控制系统自带显示器，在控制器外壳上安装小型(0.96寸)OLED显示屏。由于OLED屏具有功耗低、集成度高、可运行的温度范围广等特点，因此可以和控制系统完美结合。控制系统的应用现场能够实时看到当前流量值、设定流量值以及其他参数。OLED体积小，且具有很好的柔性，便于安装在小型控制器上。

本发明还提供一种高精度的气体流量控制方法。如图5所示，本发明高精度的气体流量控制方法包括：

步骤501：获取比例阀控制端的PWM脉冲的位数；

步骤502：获取比例阀的最大开启度；

步骤503：根据PWM脉冲的位数与比例阀的最大开启度生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线并存储；

步骤504：获取气体流量的原始流量信号；

步骤505：获取气路通道中的当前气体流量信号；

步骤506：根据所述气体流量的原始流量信号与所述当前气体流量信号确定校正的当前气体流量信号；

步骤507：根据所述校正的当前气体流量信号及设定的气体流量生成比例阀的期望开启度；

步骤508：调取预先存储的脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，并根据所述期望开启度及脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，确定期望开启度对应的期望脉冲宽度值；

步骤509：根据期望脉冲宽度值生成对应期望脉冲宽度值的PWM脉冲；

步骤510：将所述对应期望脉冲宽度值的PWM脉冲输出给比例阀的控制端。

具体地，如图6所示，步骤503的生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线包括：

步骤601：根据所述PWM脉冲的位数n将所述PWM脉冲的占空比范围[0,1]划分为2ⁿ个份，生成脉冲宽度标识值X，

其中，i＝0,1,2,……,2ⁿ；n≥1；

步骤602：将所述PWM脉冲的占空比以1/2ⁿ的整数倍为间隔由0增加到1，根据气体流量传感器记录的气体流量确定所述比例阀的最大开启度K；

步骤603：将所述比例阀的所述最大开启度K划分为2ⁿ份，生成比例阀开启度标识值Y，

步骤604：将所述脉冲宽度标识值X和所述比例阀开启度标识值Y一一对应，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线。

本发明通过自动零点校准技术，在每次上电时或上位机发出响应指令时，控制系统将比例阀关闭，等待一段时间(如3秒)，控制系统的气路通道内部气体稳定后，读取传感器的原始值，并以此原始值为零流量值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种高精度的气体流量控制系统，其特征在于，所述气体流量控制系统包括：比例阀数字预处理单元、比例阀开启度控制单元、脉冲宽度调取单元和PWM脉冲生成单元，其中，

所述比例阀数字预处理单元，用于根据所述PWM脉冲生成单元产生的PWM脉冲的位数及比例阀的最大开启度，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线并存储；所述比例阀数字预处理单元包括：

脉冲宽度划分单元，用于根据所述PWM脉冲的位数n将所述PWM脉冲的占空比范围[0,1]划分为2ⁿ个份，生成脉冲宽度标识值X，

其中，i＝0,1,2,……,2ⁿ；n≥1；

比例阀开启度确定单元，用于当所述PWM脉冲的占空比以1/2ⁿ的整数倍为间隔由0增加到1时，根据气体流量传感器记录的气体流量确定所述比例阀的最大开启度K；

开启度划分单元，用于将所述比例阀的所述最大开启度K划分为2ⁿ份，生成比例阀开启度标识值Y，

响应曲线生成单元，用于将所述脉冲宽度标识值X和所述比例阀开启度标识值Y一一对应，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线；

所述比例阀开启度控制单元，用于根据所述气体流量传感器采集的当前气体流量信号及设定气体流量确定所述比例阀的期望开启度；

所述脉冲宽度调取单元，用于从所述比例阀数字预处理单元中调取所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，并根据所述期望开启度及所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，确定所述期望开启度对应的期望脉冲宽度值；

所述PWM脉冲生成单元，用于根据所述期望脉冲宽度值生成对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲，并将所述对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲输出给所述比例阀的控制端。

2.根据权利要求1所述的高精度的气体流量控制系统，其特征在于，所述气体流量控制系统还包括自动零点校准单元，其中，所述气体流量传感器还用于在所述比例阀关闭且气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号；还用于在所述PWM脉冲的占空比由0变化到1时，记录气体流量；

所述自动零点校准单元用于根据所述气体流量的原始流量信号与所述气体流量传感器记录的所述气体流量确定校正的预处理气体流量信号，并发送至所述比例阀数字预处理单元；还用于根据所述气体流量的原始流量信号与所述当前气体流量信号确定校正后的当前气体流量信号，并发送至所述比例阀开启度控制单元。

3.根据权利要求1所述的高精度的气体流量控制系统，其特征在于，所述气体流量控制系统还包括数字滤波单元，用于对所述当前气体流量信号进行数字滤波。

4.根据权利要求1所述的高精度的气体流量控制系统，其特征在于，所述PWM脉冲生成单元产生的所述PWM脉冲为16位PWM脉冲。

5.根据权利要求1所述的高精度的气体流量控制系统，其特征在于，所述比例阀开启度控制单元为PID控制器。

6.一种高精度的气体流量控制方法，其特征在于，所述气体流量控制方法包括：

根据比例阀控制端的PWM脉冲的位数及比例阀的最大开启度，生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线并存储；

根据所述气体流量传感器采集的当前气体流量信号及设定气体流量确定所述比例阀的期望开启度；

调取所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，并根据所述期望开启度及所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，确定所述期望开启度对应的期望脉冲宽度值；

根据所述期望脉冲宽度值生成对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲；

将所述对应所述期望脉冲宽度值的PWM脉冲输出给所述比例阀的控制端。

7.根据权利要求6所述的高精度的气体流量控制方法，其特征在于，所述生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线之前还包括：

在所述比例阀关闭且气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号；在所述PWM脉冲的占空比由0变化到1时，获取通过所述气体流量传感器记录的气体流量；

根据所述气体流量的原始流量信号与所述气体流量传感器记录的气体流量确定校正的预处理气体流量信号；

所述生成脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线，具体包括：

根据所述校正的预处理气体流量信号生成所述脉冲宽度-比例阀开启度响应曲线。

8.根据权利要求6所述的高精度的气体流量控制方法，其特征在于，所述确定所述比例阀的期望开启度之前还包括：

在所述比例阀关闭且气路通道内部气体稳定时，获取气体流量的原始流量信号；

根据所述原始流量信号与所述当前气体流量信号确定校正后的当前气体流量信号；

所述确定所述比例阀的期望开启度，具体包括：

根据所述校正后的当前气体流量信号及设定气体流量确定所述比例阀的期望开启度。

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