CN114941621A - 一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，涉及高效液相色谱仪技术领域，该方法包括：设计调速区间，在调速区间内提高电机转速，使第二柱塞泵的供液速度等于系统供液速度，从而规避单向阀开启延迟引起的压力脉动；动态修正调速区间的变速控制时机，使压力脉动最小化，保证了整个控制过程中压力的稳定性，从而实现稳定送液。还包括：对凸轮个体偏差进行了补偿，保证了压力不受凸轮个体偏差的影响。最后，将每台装置将压力‑位置偏差关系表保存在非易失存储中，并在长期使用中持续学习更新，以保持其始终与当前的硬件状态吻合。在实现长期稳定送液的基础上，简化了控制难度。

Description

一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法

技术领域

本发明涉及液相色谱仪，特别是涉及一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法。

背景技术

高效液相色谱仪是利用色谱分离原理，由高压泵将流动相推入系统，进样器将样品溶液注入流动相，在色谱柱形成分离，在检测器进行各成分分析的仪器。随着高效液相色谱仪广泛应用，仪器的稳定性、分析方法的再现性逐渐成为评价仪器性能的重要指标。

高效液相色谱中的流动相，是样品的载体和洗脱剂，带动分离后的成分前后进入检测器，形成色谱图。色谱图的稳定性和再现性与管路内流动相的压力稳定性关系密切。如何将系统压力控制得更为稳定，是高效液相色谱仪设计的重点和难点。

目前业内常用的的高压泵是由电机带动凸轮，驱动的串联双柱塞泵。根据设计的凸轮曲线，可以使凸轮的圆周转动转化为柱塞杆的吸液、推液动作。进而使双柱塞泵配合，形成系统压力相对稳定的连续的吸液和送液过程。然而，这种方式下，存在压力脉动，而且凸轮等硬件存在个体差异，往往不能保证压力的稳定性，无法实现稳定送液。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，能够克服压力脉动、自适应凸轮等硬件的个体差异，动态调节流量和压力稳定性，以实现稳定送液。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，所述方法包括：

设计凸轮曲线，控制带动凸轮轴的电机匀速转动，第一柱塞泵和第二柱塞泵交替吸液推液；第一柱塞泵推液时，设计调速区间T₁～T₄，提高电机的转速，以控制第二柱塞泵的供液速度等于系统供液速度；其中，T₁为第一柱塞泵开始吐液的时间，T₂为凸轮速度曲线变化停止的时间，T₃为第二单向阀开启的时间，T₄为调速区间最晚截至点；T₁～T₃区间，电机速度是增益速度；

所述凸轮速度曲线的设计包括：

T₁之前，第二柱塞泵的活塞杆速度保持第一速度，第一柱塞泵的活塞杆速度保持第二速度，第二速度为0，第一柱塞泵的活塞杆与第二柱塞泵的活塞杆的和速度为第一速度；T₁～T₂区间，第一速度逐渐减小到第三速度，第二速度逐渐增大到第四速度，并始终保持和速度不变；T₂～T₄区间，第二柱塞泵和第一柱塞泵的速度分别保持第三速度和第四速度不变，和速度也保持不变；

所述调速区间的设计包括：

T₁之前保持电机的基础转速；当压力与调速区间前的基础压力的差值达到设计阈值ΔP，定位为T₃时刻；

若T₃在T₂之后时，T₁～T₂区间，基础转速均匀增大到目标转速，并始终保持转速乘以第二柱塞泵的柱塞杆速度等于基础转速乘以第一速度不变；T₂～T₃区间，保持目标转速；T₃～T₄区间，目标转速减小到第一转速，并保持第一转速；

若T₃在T₂之前时，T₁～T₃区间，基础转速均匀增大，并始终保持转速乘以第二柱塞泵的柱塞杆速度等于基础转速乘以第一速度不变；T₃～T₄区间，目标转速减小到基础转速，并保持基础转速。

进一步地，还包括：根据压力变化情况动态修正调速区间的变速控制时机，所述变速控制时机为电机转速由目标转速变为基础转速的时机。

进一步地，根据压力变化情况动态修正调速区间的变速控制时机，包括：

当最大压力大于基准压力+P0，下一周期提前变速时机；

当最小压力小于基准压力-P0，下一周期延迟变速时机；

当压力处于基准压力±P0之间，下一周期保持当前变速时机。

进一步地，变速时机调整的幅度，与最大压力、最小压力与基准压力的差值呈现相关性，差值越大，变速时机调整幅度越大。

进一步地，还包括：凸轮个体偏差的补偿。

进一步地，凸轮个体偏差的补偿，包括：

对于整个凸轮曲线动作周期，监测压力的变化情况，将相邻的n个周期的压力数据做累加平均，得到一个动作周期的压力时域曲线；

将压力离散数据做1阶微分得到压力变动和动作周期中位置的关系趋势，并根据偏差值在动作中动态补偿，调整电机转速，使压力趋于稳定。

进一步地，根据偏差值在动作中动态补偿，包括：

每个位置的速度补正值C(x)＝f(x)*k；

每个位置的马达转速＝基础速度E₁-C(x)＝E₁-f(x)*k；

其中，x为动作周期中的位置，f(x)为1阶微分量，k为选取的固定系数。

进一步地，还包括：将各个位置的偏差值保存在非易失存储中，以后的动作直接利用偏差值进行速度补正。

进一步地，以后的动作直接利用偏差值进行速度补正，包括：

对压力大于基准压力的位置，调大相应位置的f(x)记录值；

对压力小于基准压力的位置，调小相应位置的f(x)记录值；并记录更新后的f(x)。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明中通过设计调速区间，在调速区间内提高电机转速，使第二柱塞泵的供液速度等于系统供液速度，从而规避单向阀开启延迟引起的压力脉动，实现稳定送液。

2、本发明中，在上述压力反馈的基础上，每个动作周期后对下个周期的单向阀2开启时间进行预测，并根据压力变化情况反复修正，即动态修正调速区间的变速控制时机，使压力脉动最小化，保证了整个控制过程中压力的稳定性，从而实现稳定送液。

3、本发明中，对于整个凸轮曲线动作周期，监测压力的变化情况，控制系统自动绘制凸轮压力-位置偏差关系表，并根据偏差值在动作中动态补偿，调整电机转速，使压力趋于稳定。即对凸轮个体偏差进行了补偿，保证了压力不受凸轮个体偏差的影响，实现了稳定送液。

4、本发明中，将每台装置将压力-位置偏差关系表保存在非易失存储中，并在长期使用中持续学习更新，以保持其始终与当前的硬件状态吻合。通过硬件偏差的长期自适应学习，在实现长期稳定送液的基础上，简化了控制难度。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中高压泵在液相色谱仪中的位置示意图；

图2为本发明实施例中串联式双柱塞泵示意图；

图3为本发明实施例中高压泵控制结构图；

图4为本发明实施例中凸轮速度曲线图；

图5为本发明实施例中T₃在T₂之后情况下的凸轮调速区间曲线图；

图6为本发明实施例中T₃在T₂之前情况下的凸轮调速区间曲线图；

图7为本发明实施例中T₃在T₂之后情况下的调速区间电机转速、压力曲线图；

图8为本发明实施例中T₃在T₂之前情况下的调速区间电机转速、压力曲线图；

图9为本发明实施例中调速区间电机变速时机调整判定(变速时机可向前调整)示意图；

图10为本发明实施例中调速区间电机变速时机调整判定(变速时机可向后调整)示意图；

图11为本发明实施例中调速区间电机变速时机调整判定(变速时机无需调整)示意图；

图12为本发明实施例中动作周期间的压力波动示意图；

图13为本发明实施例中动作周期间的压力变化率示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，高效液相色谱仪包括：高压泵、进样器、柱温箱和检测器；其中：高压泵采用串联式双柱塞泵，电机通过皮带带动凸轮轴转动，凸轮轴上有2个凸轮，分别带动2个柱塞泵的柱塞杆推、拉动作。如图2所示，驱动电机1旋转，通过传动皮带2带动凸轮轴3旋转；凸轮轴上的两个凸轮(第一凸轮4和第二凸轮5)同步转动，分别带动两个柱塞杆(第一柱塞杆6和第二柱塞杆7)往复运动；柱塞杆在柱塞泵内抽出、推入，液体从液体吸入口13吸入，从液体排出口14排出，形成吸液和推液效果。在第一柱塞泵8的吸液侧和第二柱塞泵9的吸液侧分别设置单向阀。第一单向阀10只允许从吸液口进入第一柱塞泵8方向的液流；第二单向阀11只允许从第一柱塞泵8进入第二柱塞泵9方向的液流。第二柱塞泵9出液口接有压力传感器12，能监测后端管路内压力。

为了实现上述高效液相色谱仪的稳定送液，本发明实施例中提供了一种高效液相色谱仪的控制方法，如图3所示，控制系统驱动电机转动，带动高压泵机构中的凸轮轴等传动机构将溶离液从储液瓶抽出，经过压力传感器流入后端，压力传感器采集到系统压力反馈给控制系统，再控制电机在合适的时机调节转速。具体控制方式如下：

(1)、设计调速区间，规避单向阀开启延迟引起的压力脉动。

在第一柱塞泵吸液完成，开始推液时，第一柱塞泵的压力为大气压(约0.1兆帕)，第二柱塞泵的压力为系统压力(几十至上百兆帕)。由于压力差的存在，第二单向阀无法立刻开启。第一柱塞泵先压缩液体，使其压力增大到系统压力之后，再从单向阀间隙推出一定量的液体，单向阀才能开启。在此期间第一柱塞泵的吐液动作无法向后端系统提供液流。故而需要在此区间提高电机转速，使第二柱塞泵的供液速度等于系统供液速度。当压力传感器监测到压力升高超出阈值ΔP，即可判定第二单向阀已开启。此时恢复电机速度为基础转速。具体地：

根据凸轮曲线的设计，理论上带动凸轮轴的电机匀速转动，第一柱塞泵和第二柱塞泵交替吸液推液，可以保证连续得向后端匀速推动液。

凸轮速度曲线的设计，如图4所示：

调速区间前(T₁前)，第二柱塞泵的活塞杆速度保持V₁，第一柱塞泵的活塞杆速度保持V₂(V₂＝0)，和速度为V₁。

T₁～T₂区间，V₁逐渐减小到V₁’，V₂逐渐增大到V₂’，并始终保持和速度不变(V₁)。此区间第二柱塞泵的推液速度逐渐减小，第一柱塞泵的推液速度逐渐增加，此区间速度的逐渐变化可以避免凸轮速度突变引起的压力波动。V₁’、V₂’属于设计的具体参数，不特定，在具体实施中，根据具体使用情况进行设计，但是需要保证任何时刻的V₁’+V₂’是恒定的值(等于V1)。

T₂～T₄区间，第二柱塞泵和第一柱塞泵的速度分别保持V₁’和V₂’不变，相应地，和速度也保持不变，始终等于V₁。凸轮调速区间曲线如图5和图6所示。

第一柱塞泵推液开始时，设计调速区间(T₁～T₄)，为第二单向阀开启延迟预留足够余量，其中，T₁为第一柱塞泵开始吐液的时间，T₂为凸轮速度曲线变化停止的时间，T₃为第二单向阀开启的时间，T₄为调速区间最晚截至点。T₁～T₃区间，电机速度是增益速度。

电机转速的设计：调速区间前(T₁前)，保持基础转速E₁；当压力与调速区间前的基础压力的差值达到设计阈值ΔP，定位为T₃时刻。

Case1：T₃在T₂之后；调速区间电机转速、压力曲线如图7所示。

T₁～T₂区间，电机速度由E₁均匀增加到E₂，并始终保持转速E乘以第二柱塞泵的柱塞杆速度V等于E₁*V₁不变。

T₂～T₃区间，保持E₂。

T₃～T₄区间，E₂快速减小到E₁，并保持E₁。

Case2：T₃在T₂之前；调速区间电机转速、压力曲线如图8所示。

T₁～T₃区间，电机速度由E₁均匀增加，未达到E₂(只有到达T₂的时候，才会刚好加速到E₂。如果T₃没到T₂，不会加速到E₂)，并始终保持转速E乘以第二柱塞泵的柱塞杆速度V等于E₁*V₁不变。

T₃～T₄区间，E₂快速减小到E₁，并保持E₁。

注：T₃～T₂区间以及T₂～T₄区间，第一凸轮和第二凸轮的和速度始终等于V₁，所以保持E₁的马达转速，即可保持E₁*V₁不变。

由于始终保持E乘以V等于E₁*V₁不变，当V等于V₁时，E＝E₂，即存在关系：E₂*V₁’＝E₁*V₁。

(2)、动态修正调速区间的变速控制时机。

对于恒定流速的动作，第二单向阀开启的延迟时间具有一定的稳定性。凸轮带动柱塞泵动作属于周期性重复动作。在上述压力反馈的基础上，每个动作周期后对下个周期的第二单向阀开启时间进行预测，并根据压力变化情况反复修正，使压力脉动最小化。

在(1)的基础上，根据压力变动情况，判定下一周期是否需要调整变速时机(E₂变为E₁的时机)，调速区间电机变速时机调整判定如图9-11所示，设计基准压力±P0的范围为期待压力变动范围，利用基准压力±P0可以识别出变速提前了还是延迟了，P0的值取决于压力基础噪声的幅度，要比基底噪声大，否则会误检出，但是过大会影响性能，使压力波动变大。在设计时应在不误检出的情况下，越小越好。

当最大压力大于基准压力+P0，下一周期提前变速时机。

当最小压力小于基准压力-P0，下一周期延迟变速时机。

当压力处于基准压力±P0之间，下一周期保持当前变速时机。

变速时机调整的幅度，与最大/最小压力与基准压力的差值呈现相关性，差值越大，变速时机调整幅度越大。

(3)、凸轮个体偏差的补偿。

对于整个凸轮曲线动作周期，监测压力的变化情况，控制系统自动绘制凸轮压力-位置偏差关系表，并根据偏差值在动作中动态补偿，调整电机转速，使压力趋于稳定。

基础速度动作期间(非增益速度区间)，理论上通过凸轮曲线的设计，恒定的电机转速就会输出恒定的流速。因凸轮加工精度等因素，凸轮个体存在位置和程度不确定的偏差。由于凸轮的形状的偏差，会引起柱塞杆速度与设计速度的偏差，最终导致输出流速的偏差。因后端色谱柱阻力环境一定，流速的偏差会反映到压力的波动。可以根据压力的波动情况推测凸轮偏差的情况。

以完整的动作周期计，将相邻的n个周期的压力数据做累加平均，以消除偶然因素干扰，得到一个动作周期的压力时域曲线，动作周期间的压力波动如图12所示，将压力离散数据做1阶微分得到压力变动和位置(因为机构是周期性旋转，比如以第一凸轮吸液作为起点，到下一次第一凸轮吸液的期间，称为“动作周期”；从动作周期开始，以脉冲数计，可以衡量某一时刻在动作周期中的位置，即这里的位置指的是动作周期开始后的脉冲数。)的关系趋势，动作周期间的压力变化率(压力的一阶导数)如图13所示。

根据实际测试选取合适的固定系数k，每个位置的速度补正值C(x)＝f(x)*k；C(x)与f(x)呈线性关系；

每个位置的马达转速＝基础速度E₁-C(x)＝E₁-f(x)*k；

其中，x为动作周期开始后的脉冲数，f(x)为动作周期开始后的脉冲数(动作周期的位置)的1阶微分量。

(4)、硬件偏差的长期自适应学习。

每台装置将压力-位置偏差关系表保存在非易失存储中，并在长期使用中持续学习更新，以保持其始终与当前的硬件状态吻合。

(3)中得到的1阶微分量f(x)代表了凸轮各位置的偏差值。将各位置的偏差值保存在控制系统的非易失存储中，以后的动作直接利用偏差值进行速度补正。

在长期使用中，用(3)的方法持续监测经过速度补正后的压力波动情况，对压力大于基准压力的位置，调大相应位置的f(x)记录值。对压力小于基准压力的位置，调小相应位置的f(x)记录值。重复上述过程，并记录更新后的f(x)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

设计凸轮曲线，控制带动凸轮轴的电机匀速转动，第一柱塞泵和第二柱塞泵交替吸液推液；第一柱塞泵推液时，设计调速区间T₁～T₄，提高电机的转速，以控制第二柱塞泵的供液速度等于系统供液速度；其中，T₁为第一柱塞泵开始吐液的时间，T₂为凸轮速度曲线变化停止的时间，T₃为第二单向阀开启的时间，T₄为调速区间最晚截至点；T₁～T₃区间，电机速度是增益速度；

所述凸轮速度曲线的设计包括：

T₁之前，第二柱塞泵的活塞杆速度保持第一速度，第一柱塞泵的活塞杆速度保持第二速度，第二速度为0，第一柱塞泵的活塞杆与第二柱塞泵的活塞杆的和速度为第一速度；T₁～T₂区间，第一速度逐渐减小到第三速度，第二速度逐渐增大到第四速度，并始终保持和速度不变；T₂～T₄区间，第二柱塞泵和第一柱塞泵的速度分别保持第三速度和第四速度不变，和速度也保持不变；

所述调速区间的设计包括：

T₁之前保持电机的基础转速；当压力与调速区间前的基础压力的差值达到设计阈值ΔP，定位为T₃时刻；

若T₃在T₂之后时，T₁～T₂区间，基础转速均匀增大到目标转速，并始终保持转速乘以第二柱塞泵的柱塞杆速度等于基础转速乘以第一速度不变；T₂～T₃区间，保持目标转速；T₃～T₄区间，目标转速减小到第一转速，并保持第一转速；

若T₃在T₂之前时，T₁～T₃区间，基础转速均匀增大，并始终保持转速乘以第二柱塞泵的柱塞杆速度等于基础转速乘以第一速度不变；T₃～T₄区间，目标转速减小到基础转速，并保持基础转速。

2.根据权利要求1所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，还包括：根据压力变化情况动态修正调速区间的变速控制时机，所述变速控制时机为电机转速由目标转速变为基础转速的时机。

3.根据权利要求2所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，根据压力变化情况动态修正调速区间的变速控制时机，包括：

当最大压力大于基准压力+P0，下一周期提前变速时机；

当最小压力小于基准压力-P0，下一周期延迟变速时机；

当压力处于基准压力±P0之间，下一周期保持当前变速时机。

4.根据权利要求3所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，变速时机调整的幅度，与最大压力、最小压力与基准压力的差值呈现相关性，差值越大，变速时机调整幅度越大。

5.根据权利要求1所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，还包括：凸轮个体偏差的补偿。

6.根据权利要求5所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，凸轮个体偏差的补偿，包括：

对于整个凸轮曲线动作周期，监测压力的变化情况，将相邻的n个周期的压力数据做累加平均，得到一个动作周期的压力时域曲线；

将压力离散数据做1阶微分得到压力变动和动作周期中位置的关系趋势，并根据偏差值在动作中动态补偿，调整电机转速，使压力趋于稳定。

7.根据权利要求6所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，根据偏差值在动作中动态补偿，包括：

每个位置的速度补正值C(x)＝f(x)*k；

每个位置的马达转速＝基础速度E₁-C(x)＝E₁-f(x)*k；

其中，x为动作周期中的位置，f(x)为1阶微分量，k为选取的固定系数。

8.根据权利要求7所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，还包括：将各个位置的偏差值保存在非易失存储中，以后的动作直接利用偏差值进行速度补正。

9.根据权利要求8所述的一种实现高效液相色谱仪稳定送液的控制方法，其特征在于，以后的动作直接利用偏差值进行速度补正，包括：

对压力大于基准压力的位置，调大相应位置的f(x)记录值；

对压力小于基准压力的位置，调小相应位置的f(x)记录值；并记录更新后的f(x)。

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