CN110069031A - 一种高温敏感型压力传感控制系统与方法 - Google Patents
一种高温敏感型压力传感控制系统与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110069031A CN110069031A CN201910313727.8A CN201910313727A CN110069031A CN 110069031 A CN110069031 A CN 110069031A CN 201910313727 A CN201910313727 A CN 201910313727A CN 110069031 A CN110069031 A CN 110069031A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- pressure
- value
- proportion
- control module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 34
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 25
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 25
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 12
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 5
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000012913 prioritisation Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000012958 reprocessing Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
- G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
- G05B19/0423—Input/output
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/20—Pc systems
- G05B2219/21—Pc I-O input output
- G05B2219/21137—Analog to digital conversion, ADC, DAC
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本发明涉及一种高温敏感型压力传感控制系统与方法，采用加法器、比例微分控制模块、单片机、外接设备驱动机构、压力传感器等模块相互配合形成闭环负反馈控制系统；预设压力期望值、偏差信号差值最大值与最小值，压力传感器测量外接容器压力值与温度值，通过温度补偿算法计算出压力反馈值、并利用非线性补偿算法对其进行处理；压力反馈值经滤波处理后反馈到加法器中进行差值计算得到偏差信号；通过比例微分控制模块对偏差信号进行调节，然后输入单片机进行逻辑运算，将得到的压力控制信号输出到外接设备驱动机构，以对放气阀与加气阀开闭进行控制，从而控制外接容器内压力。本发明结构简单、耐高温、响应速度快、稳定性强、精确度高。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，尤其压力传感技术领域，具体涉及一种高温敏感型压力传感控制系统与方法。
背景技术
随着自动化控制技术的迅速发展，以及对压力传感器的深入研究，在许多压力控制系统中，经常需要采集压力信号，转化成能够实现自动控制的电信号。因此，大量压力传感器技术在自动控制领域得到广泛应用。
目前，在压力控制过程中，要求传感器不仅能感知压力信号，而且必须具有良好的准确性和较强的抗干扰能力。但就现在国内的情况来看，单一指标的压力传感器应用系统较多，但多指标优化的系统明显不足，特别是能耐高温且快速稳定的压力传感系统较少。大部分压力传感器的内部结构采用温度敏感元件，面对高温敏感的环境时，性能就会下降，从而导致整个压力传感控制系统的稳定性和准确性的降低甚至崩溃，极大地限制了压力传感控制系统的适用范围。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高温敏感型压力传感控制系统与方法，本发明具有结构简单、耐高温、精确度高、快速稳定的特点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种高温敏感型压力传感控制系统，包括电源模块、外接容器，还包括比例微分控制模块、单片机、外接设备驱动机构、压力传感器，所述比例微分控制模块、所述单片机、所述外接设备驱动机构分别在所述外接容器外设置，所述压力传感器固定安装在所述外接容器内；
所述电源模块分别与所述比例微分控制模块、所述单片机、所述外接设备驱动机构、所述压力传感器电连接，所述电源模块为所述比例微分控制模块、所述单片机、所述外接设备驱动机构、所述压力传感器提供电源；
所述比例微分控制模块输入端与所述压力传感器的输出端信号连接，所述比例微分控制模块的输出端作为所述单片机的信号输入与所述单片机信号连接，所述比例微分控制模块对接收到的电信号进行调节处理，为所述单片机提供准确、稳定的信号；
所述单片机的输出端作为所述外接设备驱动机构的输入与所述外接设备驱动机构信号连接，所述单片机将接收到的信号进行运算处理然后向所述外接设备驱动机构输出控制信号；
所述外接设备驱动机构用于控制所述外接容器内的压力；
所述压力传感器作为所述比例微分控制模块的输入与所述比例微分控制模块的输入端信号连接，所述压力传感器安装在所述外接容器内，用于检测所述外接容器内部压力值与温度值，并进行温度补偿和非线性补偿后将反馈信号传递到所述比例微分控制模块。
优选地，所述压力传感器内包括测压元件、测温元件、A/D转换器、CPU、D/A转换器、ROM、EPROM、RAM；
所述测压元件、所述测温元件分别与所述A/D转换器的输入端信号连接，所述测压元件、所述测温元件分别将测得的压力信号、温度信号传送到所述A/D转换器；
所述A/D转换器输出端与所述CPU的输入端信号连接，所述A/D转换器将接收到的电信号转换为数字信号并传输到所述CPU；
所述CPU通过总线与所述ROM、所述EPROM、所述RAM分别信号连接，所述ROM中装有温度补偿算法程序与非线性补偿算法程序，所述CPU输出端与所述D/A转换器的输入端信号连接，所述CPU将接收到的压力信号与温度信号进行运算处理后输出到所述D/A转换器进行数模转换；
所述D/A转换器将接收到的数字信号转换为模拟电信号，并作为反馈信号输出。
优选地，所述压力传感器内装有温度补偿算法程序，所述温度补偿算法程序通过以下公式实现：
K＝f(T)(非线性区)， (1)
P＝Po＝Pi·K1(线性区)， (2)
其中，P为压力反馈值，K为变化率，K1为线性区的变化率，T为所述测温元件测得的温度值，Pi为所述外接容器内的压力实际值，Po为所述测压元件测得的压力测量值，公式(1)为非线性区温度与变化率的拟合函数，公式(2)为线性区压力反馈值P计算公式，公式(3)为非线性区压力反馈值P计算公式，在线性区时K＝K1。
优选地，所述压力传感器内装有非线性补偿算法程序，所述非线性补偿算法程序通过以下公式实现：
公式(4)中，x为某一采样时刻，n为采样时刻，n+1为下一采样时刻，Pox为某一采样时刻的压力测量瞬时值，Pon为采样时刻压力测量值，Pon+1为下一采样时刻压力测量值，Pin为采样时刻压力实际值，Kn为采样时刻变化率。
优选地，所述比例微分控制模块的输入端还设有第一加法器，所述第一加法器输入端与所述压力传感器的输出端信号连接，所述第一加法器的输出端与所述比例微分控制模块的输入端信号连接。
优选地，所述压力传感器输出端设有滤波器，所述压力传感器的输出作为所述滤波器的输入与所述滤波器信号连接，所述滤波器的输出作为所述第一加法器的输入与所述第一加法器信号连接。
优选地，所述外接容器为密闭容器。
优选地，所述外接容器上安装有加气阀与放气阀，所述加气阀、所述放气阀分别与所述外接设备驱动机构信号连接，所述外接设备驱动机构输出控制信号控制所述加气阀、所述放气阀开闭。
一种高温敏感型压力传感控制方法，包括以下步骤：
A.将预设的压力期望值与反馈信号进行计算得到偏差信号，对偏差信号进行调节；
B.将调节后的偏差信号利用饱和快速响应算法进行计算，得到控制信号；
C.输出控制信号，控制外接容器内压力值；
D.检测压力值与温度值，利用温度补偿算法与非线性补偿算法计算出反馈信号，输出反馈信号。
优选地，所述步骤A还包括对偏差信号进行比例微分调节。
本发明的有益效果是：本发明将传统的常温压力传感控制系统扩展到高温压力传感控制系统，将低压控制领域的适应性扩展到高压控制领域。将温度补偿算法和非线性补偿算法加入到系统程序中提高了压力传感系统的适应性，从而能够适应较高压力和较高温度环境的压力精确测量。对于两种优化方案，即温度补偿和非线性补偿，进一步结合比例微分控制环节和饱和快速响应算法统一应用于压力控制系统，不仅能够克服温度对系统测量的影响，确保在高温环境中依然能够精确测量，还能提高压力控制系统的快速性与稳定性。以上方案对系统稳定性、准确性、快速性等三个重要性能都进行了优化改进，系统灵活度更好，实用性更强，改善了压力传感控制系统的动态性能。
附图说明
图1为本发明一种高温敏感型压力传感控制系统与方法控制原理图；
图2为本发明压力传感器结构示意图；
图3为本发明压力偏差输出特性曲线图；
图4为本发明压力传感器的变化率曲线图；
图5为本发明压力传感器的输入输出特性曲线图；
图6为本发明饱和快速响应算法流程图；
图7为本发明单片机结构示意图；
图8为本发明温度补偿算法流程图；
图9为本发明非线性补偿算法流程图；
图10为本发明比例微分控制模块电路原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、上位机，2、比例微分控制模块，201、微分器，202、比例放大器，3、单片机，4、外接设备驱动机构，5、放气阀，6、加气阀，7、外接容器，8、压力传感器，801、测压元件，802、测温元件，803、A/D转换器，804、CPU，805、D/A转换器，806、ROM，807、EPROM，808、RAM，9、滤波器，10、电源模块，11、第一加法器，12、第二加法器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种高温敏感型压力传感控制系统，包括独立设置的电源模块10、外接容器7，还包括比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4、压力传感器8，比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4分别在外接容器7外设置，压力传感器8固定安装在外接容器7内；
电源模块10分别与比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4、压力传感器8电连接，电源模块10为比例微分控制模块2、单片机3、外接设备驱动机构4、压力传感器8提供电源；
比例微分控制模块2输入端与压力传感器8的输出端信号连接，比例微分控制模块2的输出端作为单片机3的信号输入与单片机3信号连接，比例微分控制模块2对接收到的电信号进行调节处理，为单片机3提供准确、稳定的信号；
单片机3的输出端作为外接设备驱动机构4的输入与外接设备驱动机构4信号连接，单片机3将接收到的信号进行运算处理然后向外接设备驱动机构4输出控制信号；
外接设备驱动机构4用于控制外接容器7内的压力；
压力传感器8作为比例微分控制模块2的输入与比例微分控制模块2的输入端信号连接，压力传感器8安装在外接容器7内，用于检测外接容器7内部压力值与温度值，并进行温度补偿和非线性补偿后将反馈信号传递到比例微分控制模块2。
如图2所示，压力传感器8内包括测压元件801、测温元件802、A/D转换器803、CPU804、D/A转换器805、ROM806、EPROM807、RAM808；
测压元件801、测温元件802分别与A/D转换器803的输入端信号连接，测压元件801、测温元件802分别将测得的压力信号、温度信号传送到A/D转换器803；
A/D转换器803输出端与CPU804的输入端信号连接，A/D转换器803将接收到的电信号转换为数字信号并传输到CPU804；
CPU804通过总线与ROM806、EPROM807、RAM808分别信号连接，ROM806中装有温度补偿算法程序与非线性补偿算法程序，CPU804输出端与D/A转换器805的输入端信号连接，CPU804将接收到的压力信号与温度信号进行温度补偿处理与非线性补偿处理后输出到D/A转换器805进行数模转换；
D/A转换器805将接收到的数字信号转换为模拟电信号，并作为反馈信号输出。
压力传感器CPU804接收到来自测压元件801的压力信号后，通过A/D转换器803进行模数转换，将模拟信号转化为二进制的数字信号，同时压力传感器CPU804接收到来自测温元件802的温度信号，同样进行模数转化，在CPU804内部将压力信号和温度信号结合处理，执行温度补偿算法，温度补偿算法原理是利用matlab进行多项式曲线拟合，求出在非线性区的温度与变化率的拟合函数K＝f(T)，如图4所示为压力传感器的变化率曲线图。在线性区的变化率K＝K1，根据在压力传感器8的温度敏感元件处安装的测温元件802,确定元件的正常工作温度(线性区)。然后压力传感器8每进行一次压力测量的同时进行温度测量，将每次压力测量结果和温度测量结果一同输出到压力传感器CPU804中，在压力传感器CPU804中进行数据处理，调用温度补偿算法程序，输出精准的压力反馈电信号值。
本实施例中，压力传感器8的ROM806装有温度补偿算法程序与非线性补偿算法程序，温度补偿算法程序通过以下公式实现：
K＝f(T)(非线性区)， (1)
P＝Po＝Pi·K1(线性区)， (2)
其中，P为压力反馈值，K为变化率，K1为线性区的变化率，T为所述测温元件802测得的温度值，Pi为所述外接容器7内的压力实际值，Po为所述测压元件801测得的压力测量值，公式(1)为非线性区温度与变化率的拟合函数，公式(2)为线性区压力反馈值P计算公式，公式(3)为非线性区压力反馈值P计算公式，在线性区时K＝K1。假设压力传感器正常工作温度上限为t摄氏度，如图8所示，具体温度补偿算法的主流程为：
S101：开始；
S102：输入压力测量值Po，测量温度T和变化率K1,执行S103；
S103：判断温度是否大于t，小于执行S104，否则执行S105；
S104：将Po/f(x)·K1的值赋给压力反馈值P，执行S106；
S105：直接将压力反馈值Po赋给压力反馈值P，执行S106；
S106：输出P。
当压力传感器的CPU804处理完温度补偿后，执行非线性补偿算法，非线性补偿算法原理是采用插值法来实现非线性补偿，插值法就是将本不成线性关系两个关系变量分成许多小段，尽可能使每一分段都成线性关系。在数学上表达，即用n+1个插值结点的n段直线来代替原函数，第n段的线性公式如下：
Ln(Pi)＝Pon+Kn×(Pi-Pin)， (5)
公式(5)中Pi是外接容器7的压力实际值，Kn是第n段线性函数的斜率，每一分段都要预先计算出Kn值。由于n次插值基本多项式L1(Pi)，L2(Pi)，……，Ln(Pi)的线性组合就为压力传感器的压力测量输出值P，相应组合系数为C1，C2，……，Cn，则有
P＝C1L1(Pi)+C2L2(Pi)+......+CnLn(Pi)， (6)
以上方程(6)即为该压力传感器准确的输入输出特征方程。如图3所示压力偏差输出特性曲线图，实际这个方程是非线性的，但理想情况是P＝Pi，即压力传感器的压力偏差ΔP＝P-Pi＝0。
本实施例中，压力传感器8内非线性补偿算法程序通过以下公式实现：
公式(4)中，x为某一采样时刻，n为采样时刻，n+1为下一采样时刻，Pox为某一采样时刻的压力测量瞬时值，Pon为采样时刻压力测量值，Pon+1为下一采样时刻压力测量值，Pin为采样时刻压力实际值，Kn为采样时刻变化率。
此方法改进由于内部压力传感元件8的非线性特性带来的误差，运用非线性补偿达到精准稳定的测量，保证每进行一次测量都更加接近期望值。
如图9所示，非线性补偿算法的主流程为：
S101：开始；
S102：输入压力测量输入瞬时值Pox,采样时刻n＝1，执行S103；
S103：判断Pox是否在Pon到Pon+1范围内，是则执行S104，否则执行S105；
S104：将的值赋给压力测量输出值P，执行S106；
S105：将n+1赋值给n，执行S103；
S106：输出P，结束。
本实施例中，比例微分控制模块2的输入端还设有第一加法器11，第一加法器11的一个输入端与压力传感器8的输出端信号连接，用于接收压力反馈值；第一加法器11的另一个输入端连接上位机1，通过上位机1预设压力期望值并输入第一加法器11，所述第一加法器11的输出端与比例微分控制模块2的输入端信号连接。比例微分控制模块2包括微分器201与比例放大器202，微分器201与比例放大器202组合成比例微分电路，其共用输入端以及输出端，如图10所示，VS为输入端，VO为输出端。第一加法器11的输出与比例微分控制模块2输入端信号连接，比例微分控制模块2输出端与单片机3的信号输入端连接。如图1所示，还包括第二加法器12，第二加法器12为虚拟的加法器，仅用于表示的比例微分控制模块2中的微分器201与比例放大器202共用一个信号输出端。
本实施例中，压力传感器8输出端设有滤波器9，压力传感器8的输出作为滤波器9的输入与滤波器9信号连接，滤波器9的输出作为第一加法器11的输入与第一加法器11信号连接，滤波器9将排除了信号干扰的压力反馈信号输送至第一加法器11中。
本实施例中，外接容器7为密闭容器。外接容器7上安装有加气阀6与放气阀5，加气阀6与放气阀5与外接容器7密闭连接。加气阀6、放气阀5为电磁阀，其控制端分别与外接设备驱动机构4信号连接，由外接设备驱动机构4输出控制信号控制加气阀6、放气阀5开闭，从而控制外接容器7内的压力值。
压力传感器8输出处理后的精准的压力电信号数据(即压力反馈值P)，经过D/A转换器805进行数模转化后输出至滤波器9，通过滤波器9的过滤作用，排除来自压力传感器8的CPU电路转化中的电源干扰以及传输过程中的信号干扰，将反馈信号反馈到第一加法器11与压力期望值进行差值计算，得到偏差信号，继续将偏差信号输出到比例微分控制模块2，并对偏差信号进行比例微分调节，得到稳定、准确的偏差信号，然后将偏差信号输入单片机3中进行处理。
比例微分控制模块2接收来自第一加法器11的输出信号，初始状态时，没有压力反馈值(即压力反馈值P为0)，故差值就是压力期望值。为了使偏差信号能被单片机3稳定的接收和使压力传感控制系统稳定性提高，对控制环节进行改进，采用的方法不是单一的使用一种控制环节。由于比例环节可以控制偏差量向着差值减小的方向变化，提高系统开环增益，减小系统的稳态误差，因此比例放大环节会改善系统准确性，但会恶化稳定性；而微分环节只对动态过程起作用，对稳态过程没有影响，单一的微分环节不宜与被控对象串联起来单独使用，因此实际的控制系统采用比例微分控制环节。比例微分环节能够产生早期的修正信号，增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，并且对系统的准确性无影响。相比较比例积分微分环节，减少了一个控制环节，成本也大大降低。对于比例微分环节可通过调节比例系数k和微分时间常数τ，来提高系统的阻尼程度，假设无比例微分环节的一个系统的闭环特征方程为
Js2+1＝0 (7)
此时阻尼比等于零，系统处于临界稳定状态，即实际上的不稳定状态，当接入比例微分(PD)环节后，系统的特征方程为
Js2+kτs+k＝0 (8)
此时阻尼比ξ为
此时系统是稳定的，因此比例微分环节可以改善系统的稳定性，并且通过调节采取合适的参数k和τ，使阻尼比调节到最优的大小，这样系统输出会呈现振荡衰减，此时系统趋于稳定且响应快速。
接下来，单片机3接收来自比例微分控制模块2的输出信号后，常规控制方法是判断输出的偏差信号与零的大小，大于零则打开加气阀，放气阀关闭；小于零则打开放气阀，加气阀关闭。为了进一步提高压力传感控制系统的快速性，对比例微分控制模块2的输出信号进行控制，给予偏差信号一个上下限，令其在即将小于上限时就关闭加气阀6，放气阀5状态不变；在即将大于下限时就关闭放气阀5，加气阀6状态不变。利用饱和快速响应算法快速消除大偏差，提高压力传感控制系统稳定的快速性。
如图6所示，假设偏差信号为I(x)，前一时刻偏差信号为I(x-1)，饱和快速响应算法的主流程为：
S101：开始；
S102：输入压力反馈值P，偏差信号I(x)及前一时刻偏差信号I(x-1)，执行S103；
S103：判断I(x)-I(x-1)是否等于零，是则执行S109，否则执行S104；
S104：判断I(x)-I(x-1)是否小于零，是则执行S105，否则执行S107；
S105：判断I(x)是否小于差值最大值，是则执行S106，否则执行S109；
S106：将加气阀门关闭信号输出至外接设备控制器，执行S109；
S107：判断I(x)是否大于差值最小值，是则执行S108，否则执行S109；
S108：将放气阀门关闭信号输出至外接设备控制器，执行S109；
S109：测量容器内压力实际值Pi，执行S110；
S110：将压力实际值Pi赋值给P，执行S111；
S111；输出P，结束。
饱和快速响应算法在单片机3内部执行，单片机3也是整个系统的重要部分之一，单片机3提供此系统所需要的I/O接口、数据存储器、程序存储器、运算/控制单元。系统所运用的单片机3是STC89C52单片机，由于单片机做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能，并且在单芯片上，拥有8个数据位的CPU和在系统可编程Flash，使得压力传感控制系统在更新、维护和扩展时具有更高的灵活性。单片机3结构示意图如图7所示，主要包括运算/控制单元，RAM(数据存储器)，ROM(程序存储器)，I/O接口(含P0口，P1口，P2口，P3口)，可编程串行口，定时/计数器，中断系统以及特殊功能寄存器。此系统主要运用的单片机部件中，程序存储器内部装有饱和快速响应算法程序，控制单元中的接电源，保证端口持续高电平，而RESET用于单片机3复位，P1口的P1.0～P1.7引脚接收来自比例微分控制模块2的输出数据，数据通过数据总线传输到运算单元进行处理，将处理之后的数据通过P2口的P2.0和P2.1引脚输出至外接设备驱动机构4，外接设备驱动机构4分别对两种控制信号进行处理，以至于能够驱动对应的加气阀6和放气阀5的开闭，从而控制外接容器7内压力的大小。
一种高温敏感型压力传感控制方法，基于本实施例中所述的一种高温敏感型压力传感控制系统，包括以下步骤：
A.将压力期望值输入第一加法器11的一个输入端，将压力传感器8输出的压力反馈值输入第一加法器11的另一个输入端，将预设的压力期望值与反馈信号进行差值计算得到偏差信号，通过第一加法器11的输出端将偏差信号输入到比例微分控制模块2，对偏差信号进行比例微分调节；
B.将调节后的稳定、准确的偏差信号由比例微分控制模块2的输出端输入到单片机3中，利用单片机3中装有的饱和快速响应算法进行计算，得到控制信号；
C.将控制信号输出到外接设备驱动机构4，外接设备驱动机构4向对应的放气阀5或者加气阀6提供控制信号，通过控制放气阀5或者加气阀6的开闭，从而控制外接容器7内的压力实际值；
D.压力传感器8检测外接容器7内的压力值与温度值，利用温度补偿算法与非线性补偿算法计算出压力反馈信号，然后输出反馈信号，通过滤波器9的滤波处理后，将排除掉干扰信号的压力反馈值P输送到第一加法器11的输入端，然后循环步骤A到步骤D。
系统工作原理为：首先比例微分控制模块2接收来自第一加法器11的输出信号，当初始状态没有反馈值(即初始状态无压力反馈值P)，差值就是压力期望值。为了提高压力传感控制系统稳定性，通过比例微分控制模块2对差值进行处理，保证信号稳定的被单片机3接收和再处理，信号在单片机3内部进行函数计算处理，结束后将数据信号转化为控制信号输出至外接设备驱动机构4，外接设备驱动机构4对接收到的控制信号进行放大处理，以驱动相应的阀门开关(放气阀5与加气阀6)，调整容器内压力的大小向趋于压力期望值的方向靠近。进一步通过压力传感器前端的测压元件以及测温元件对外接容器7压力实际值Pi和温度值T进行测量(压力传感器结构示意图如图2)，并对检测信号进行电压转换、模数转换，在CPU中进行温度补偿、线性变化等函数计算处理后，再进行数模转换，通过滤波器9信号滤波后反馈到第一加法器11，利用第一加法器11计算设定的压力期望值Pset与压力反馈值P的偏差信号I(x)。此时偏差信号I(x)再一次依次输出至比例微分控制模块2与单片机3，并进行同等操作。当再次进行压力和温度的测量时，此时的压力反馈值与压力期望值的差值将减小，如此循环，最终偏差信号I(x)归零达到稳定。
以上就是压力传感控制系统完整流程，此方案改进了内部压力传感元件的非线性特性带来的误差，将温度补偿与非线性补偿结合提高测量的准确性，并增加比例微分环节提高系统的稳定性，保证每进行一次测量都更加接近期望值，使差值逐渐减小，最终差值归零系统达到稳定，压力大小被控制在期望值上，由于该压力传感控制系统采用饱和快速响应算法，使得达到稳定的响应时间变快，被控对象内压力能快速达到期望值并保持稳定，保证系统快速性的同时，不影响系统的准确性和稳定性。
对压力传感控制系统稳定性的改善：无论什么样的系统，都必须具备良好的稳定性，否则系统无法正常运行。为了提高系统稳定性，对控制环节进行改进，采用的方法是组合多种控制环节，由于比例环节可以控制偏差量向着差值减小的方向变化，提高系统开环增益，减小系统的稳态误差，因此比例放大环节会改善系统准确性，但也使系统稳定性恶化。而微分环节只对动态过程起作用，对稳态过程没有影响，单一的微分环节不宜与被控对象串联起来单独使用，实际的控制系统通常采用比例微分控制环节，尤其比例微分环节能够增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，并且对系统的准确性几乎无影响，相比较比例积分微分环节，减少了一个控制环节，成本也大大降低。对于比例微分环节可通过调节比例系数k和微分时间常数τ，来提高系统的阻尼程度。阻尼比等于零时，系统处于临界稳定状态，即实际上的不稳定状态，在对一个临界稳定状态的系统增加比例微分环节后，系统阻尼比将会大于零。因此，增加比例微分环节在很大程度上提高了系统的稳定性同时不影响准确性。
对压力传感控制系统快速性改善：比例微分环节兼顾系统的稳定性和响应速度，调节阻尼比来提高系统一方面的性能时，总会导致另一方面的性能下降，最优的状态是将阻尼比调节到0.7，这样系统输出会呈现振荡衰减，此时系统趋于稳定且响应快速，使两者都得到最大程度的提高。上述增加的比例微分环节，使系统输出呈现振荡衰减，压力偏差输入输出特性曲线图如图3。为了更好地提高系统响应的快速性，通过对比例微分环节输出信号进行控制，利用饱和快速响应算法能快速减少调节大偏差，从而提高系统的快速性。
对压力传感控制系统准确性的改善：对影响压力传感控制系统准确性的两点主要因素进行改进。第一点改进是对于由外界温度变化引起测量误差的解决方案。目前广泛使用的压力传感器(如压阻式)，其原理是单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于压力变化的电信号输出，但是由于温度的影响，在低温和常温区呈现线性变化，在高温区变化率的线性特征被破坏，导致产生压力传感器输出的不确定性，压力传感器的变化率曲线图如图4。具体解决方案是采取温度补偿算法减少误差的方式实现。第二点改进是对压力传感所使用的测压元件并不是绝对的线性化引起误差的解决方案。压力传感器(如压阻式)在压力较大的情况下，部分测压元件的弹性会随着变形增加而下降，导致即使在正常温度状态下传感器的输入与输出的函数关系也是非线性的函数，压力传感器的输入输出特性曲线图如图5。具体解决方案是采取非线性补偿算法实现数据线性化的方式实现减少误差。
压力传感控制系统普遍应用于低压控制领域中，将非线性补偿算法加入到系统程序中能提高系统的适应性，从而能够适应较高压力环境的压力精准测量。对于系统精确度的两种优化方案，即温度补偿和非线性补偿，可以结合一起应用于压力控制系统，不仅能够克服温度对系统测量的影响，还能确保系统在高压领域依然能够精准测量，极大的改善系统的准确性。
综上所述，在已有的压力传感控制系统的基础上进行了多方面的改进，并适用于现代工业压力传感控制领域，本发明通过对控制环节模块的改进以及对高温敏感型压力传感控制系统的过程分析，给出了切实有效的解决方案，提高了高温敏感型压力传感控制系统的准确性，稳定性及快速性。同时，本发明结构合理，实用性强，效果显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温敏感型压力传感控制系统，包括电源模块(10)、外接容器(7)，其特征在于，还包括比例微分控制模块(2)、单片机(3)、外接设备驱动机构(4)、压力传感器(8)，所述比例微分控制模块(2)、所述单片机(3)、所述外接设备驱动机构(4)分别在所述外接容器(7)外设置，所述压力传感器(8)固定安装在所述外接容器(7)内；
所述电源模块(10)分别与所述比例微分控制模块(2)、所述单片机(3)、所述外接设备驱动机构(4)、所述压力传感器(8)电连接，所述电源模块(10)为所述比例微分控制模块(2)、所述单片机(3)、所述外接设备驱动机构(4)、所述压力传感器(8)提供电源；
所述比例微分控制模块(2)输入端与所述压力传感器(8)的输出端信号连接，所述比例微分控制模块(2)的输出端作为所述单片机(3)的信号输入与所述单片机(3)信号连接，所述比例微分控制模块(2)对接收到的电信号进行调节处理，为所述单片机(3)提供准确、稳定的信号；
所述单片机(3)的输出端作为所述外接设备驱动机构(4)的输入与所述外接设备驱动机构(4)信号连接，所述单片机(3)将接收到的信号进行运算处理然后向所述外接设备驱动机构(4)输出控制信号；
所述外接设备驱动机构(4)用于控制所述外接容器(7)内的压力；
所述压力传感器(8)作为所述比例微分控制模块(2)的输入与所述比例微分控制模块(2)的输入端信号连接，所述压力传感器(8)安装在所述外接容器(7)内，用于检测所述外接容器(7)内部压力值与温度值，并进行温度补偿和非线性补偿后将反馈信号传递到所述比例微分控制模块(2)。
2.根据权利要求1所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述压力传感器(8)内包括测压元件(801)、测温元件(802)、A/D转换器(803)、CPU(804)、D/A转换器(805)、ROM(806)、EPROM(807)、RAM(808)；
所述测压元件(801)、所述测温元件(802)分别与所述A/D转换器(803)的输入端信号连接，所述测压元件(801)、所述测温元件(802)分别将测得的压力信号、温度信号传送到所述A/D转换器(803)；
所述A/D转换器(803)输出端与所述CPU(804)的输入端信号连接，所述A/D转换器(803)将接收到的电信号转换为数字信号并传输到所述CPU(804)；
所述CPU(804)通过总线与所述ROM(806)、所述EPROM(807)、所述RAM(808)分别信号连接，所述ROM(806)中装有温度补偿算法程序与非线性补偿算法程序，所述CPU(804)输出端与所述D/A转换器(805)的输入端信号连接，所述CPU(804)将接收到的压力信号与温度信号进行运算处理后输出到所述D/A转换器(805)进行数模转换；
所述D/A转换器(805)将接收到的数字信号转换为模拟电信号，并作为反馈信号输出。
3.根据权利要求2所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述压力传感器(8)内装有温度补偿算法程序，所述温度补偿算法程序通过以下公式实现：
K＝f(T)(非线性区)， (1)
P＝Po＝Pi·K1(线性区)， (2)
其中，P为压力反馈值，K为变化率，K1为线性区的变化率，T为所述测温元件(802)测得的温度值，Pi为所述外接容器(7)内的压力实际值，Po为所述测压元件(801)测得的压力测量值，公式(1)为非线性区温度与变化率的拟合函数，公式(2)为线性区压力反馈值P计算公式，公式(3)为非线性区压力反馈值P计算公式，在线性区时K＝K1。
4.根据权利要求3所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述压力传感器(8)内装有非线性补偿算法程序，所述非线性补偿算法程序通过以下公式实现：
公式(4)中，x为某一采样时刻，n为采样时刻，n+1为下一采样时刻，Pox为某一采样时刻的压力测量瞬时值，Pon为采样时刻压力测量值，Pon+1为下一采样时刻压力测量值，Pin为采样时刻压力实际值，Kn为采样时刻变化率。
5.根据权利要求1所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述比例微分控制模块(2)的输入端还设有第一加法器(11)，所述第一加法器(11)输入端与所述压力传感器(8)的输出端信号连接，所述第一加法器(11)的输出端与所述比例微分控制模块(2)的输入端信号连接。
6.根据权利要求5所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述压力传感器(8)输出端设有滤波器(9)，所述压力传感器(8)的输出作为所述滤波器(9)的输入与所述滤波器(9)信号连接，所述滤波器(9)的输出作为所述第一加法器(11)的输入与所述第一加法器(11)信号连接。
7.根据权利要求1所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述外接容器(7)为密闭容器。
8.根据权利要求7所述一种高温敏感型压力传感控制系统，其特征在于，所述外接容器(7)上安装有加气阀(6)与放气阀(5)，所述加气阀(6)、所述放气阀(5)分别与所述外接设备驱动机构(4)信号连接，所述外接设备驱动机构(4)输出控制信号控制所述加气阀(6)、所述放气阀(5)开闭。
9.一种高温敏感型压力传感控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.将预设的压力期望值与反馈信号进行计算得到偏差信号，对偏差信号进行调节；
B.将调节后的偏差信号利用饱和快速响应算法进行计算，得到控制信号；
C.输出控制信号，控制外接容器(7)内压力值；
D.检测压力值与温度值，利用温度补偿算法与非线性补偿算法计算出反馈信号，输出反馈信号。
10.根据权利要求9所述一种高温敏感型压力传感控制方法，其特征在于，所述步骤A还包括对偏差信号进行比例微分调节。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910313727.8A CN110069031B (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 一种高温敏感型压力传感控制系统与方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910313727.8A CN110069031B (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 一种高温敏感型压力传感控制系统与方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110069031A true CN110069031A (zh) | 2019-07-30 |
| CN110069031B CN110069031B (zh) | 2023-12-19 |
Family
ID=67368177
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910313727.8A Active CN110069031B (zh) | 2019-04-18 | 2019-04-18 | 一种高温敏感型压力传感控制系统与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110069031B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112682532A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-20 | 中航工业南京伺服控制系统有限公司 | 一种抑制电液伺服阀温漂大功能的滑阀结构及调整方法 |
| CN114544042A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-05-27 | 成都凯天电子股份有限公司 | 一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT238152B (de) * | 1962-04-11 | 1965-01-25 | Basf Ag | Verfahren zum Herstellen technisch einwandfrei verwendbarer Lösungen von Alkalilactam in Lactam für Polymerisationszwecke |
| CN101069902A (zh) * | 2007-06-13 | 2007-11-14 | 湖南大学 | 基于数值模拟的高强铝、镁合金等温挤压方法 |
| RU2384824C1 (ru) * | 2008-10-27 | 2010-03-20 | Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" | Устройство для измерения давления и способ подготовки его к работе |
| CA2762332A1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-06-23 | General Electric Company | Hub unit for a high temperature electronic monitoring system |
| CN105589371A (zh) * | 2014-11-05 | 2016-05-18 | 长春锐利科技有限公司 | 一种模块化高温多功能智能井下测控系统 |
| CN108897214A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-27 | 北京石油化工学院 | 气动重力补偿系统的压力控制方法和气动重力补偿系统 |
| CN109343406A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-02-15 | 江苏悦成变压器有限公司 | 一种工业自动控制系统 |
-
2019
- 2019-04-18 CN CN201910313727.8A patent/CN110069031B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT238152B (de) * | 1962-04-11 | 1965-01-25 | Basf Ag | Verfahren zum Herstellen technisch einwandfrei verwendbarer Lösungen von Alkalilactam in Lactam für Polymerisationszwecke |
| CN101069902A (zh) * | 2007-06-13 | 2007-11-14 | 湖南大学 | 基于数值模拟的高强铝、镁合金等温挤压方法 |
| RU2384824C1 (ru) * | 2008-10-27 | 2010-03-20 | Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" | Устройство для измерения давления и способ подготовки его к работе |
| CA2762332A1 (en) * | 2010-12-23 | 2012-06-23 | General Electric Company | Hub unit for a high temperature electronic monitoring system |
| CN105589371A (zh) * | 2014-11-05 | 2016-05-18 | 长春锐利科技有限公司 | 一种模块化高温多功能智能井下测控系统 |
| CN108897214A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-27 | 北京石油化工学院 | 气动重力补偿系统的压力控制方法和气动重力补偿系统 |
| CN109343406A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-02-15 | 江苏悦成变压器有限公司 | 一种工业自动控制系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王骏;高迎燕;何斌;诸晴;: "PGA309补偿原理分析及改进方案", 自动化仪表, no. 07 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112682532A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-20 | 中航工业南京伺服控制系统有限公司 | 一种抑制电液伺服阀温漂大功能的滑阀结构及调整方法 |
| CN114544042A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-05-27 | 成都凯天电子股份有限公司 | 一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110069031B (zh) | 2023-12-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104807561B (zh) | 电阻型温度传感芯片的校准电路和校准方法 | |
| CN110069031A (zh) | 一种高温敏感型压力传感控制系统与方法 | |
| CN105528000B (zh) | 一种用于飞行器的智能温控表 | |
| CN113951859B (zh) | 一种颅内压传感器信号调理方法 | |
| CN109765502B (zh) | 一种程控直流电子负载 | |
| CN109951077B (zh) | 一种程控直流电源模块 | |
| CN105466460A (zh) | 生物传感器的电路温度漂移补偿系统及方法 | |
| CN206322051U (zh) | 一种温控调压电路 | |
| Yang et al. | High-precision temperature control system based on PID algorithm | |
| CN201680927U (zh) | 基于arm的高精度温度校验仪 | |
| CN210072357U (zh) | 一种高温敏感型压力传感控制系统 | |
| CN203657964U (zh) | 压力变送器 | |
| CN103900742B (zh) | 压力变送器 | |
| CN114371335B (zh) | 高精度数字源表 | |
| CN105628167A (zh) | 重量传感器电路和烹饪器具 | |
| CN205899425U (zh) | Apd阵列芯片偏置电压全自动温度补偿装置 | |
| CN106275855B (zh) | 医疗物流储藏装置电子恒温控制系统 | |
| CN209982742U (zh) | 一种基于三线制热电阻的温控加热系统 | |
| CN211602212U (zh) | 基于多路复用器的温度检测系统 | |
| CN101937242B (zh) | 一种应用于智能电表设备的温度控制装置 | |
| CN116209905A (zh) | 用于采集测量值的电流测量装置、电流传感器以及电流变送器 | |
| CN208581830U (zh) | 温度控制系统、ht隧道式回潮机 | |
| CN112783233A (zh) | 基于模糊pid算法的电能表端子座温控方法及装置 | |
| CN107490438A (zh) | 传感器电路及其使用方法 | |
| CN201499340U (zh) | 电磁炉高精度程控输出电流电路装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |