專利名稱：一種科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 MDAC與非線性幅值控制相結(jié)合的方法對科氏質(zhì)量流量計(Coriolis Mass Flowmeter,以下簡稱CMF)進行快速穩(wěn)定的閉環(huán)控制。
背景技術(shù)：
流量計量在工業(yè)過程控制中占有重要地位，CMF作為一種直接敏感流體質(zhì)量流量的測量儀表，具有很多其他流量傳感器無法比擬的卓越的性能。因此，它廣泛應(yīng)用于食品、 石油、化工等領(lǐng)域中，并且有繼續(xù)擴大的趨勢。CMF主要由傳感器部分和二次儀表部分組成，傳感器部分主要包括激振器、測量管、拾振器，二次儀表部分主要包括閉環(huán)控制系統(tǒng)和流量解算系統(tǒng)。其中閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能是使CM F的測量管以其諧振頻率穩(wěn)定振動，為解算系統(tǒng)提供解算信號，它是CMF正常工作的關(guān)鍵，其性能直接決定流量解算精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)必須同時滿足幅值條件和相位條件。傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)使用模擬電路實現(xiàn)，電路復雜，且普遍使用模擬器件搭建而成，受溫度、噪聲影響較大，抗干擾能力差，容易產(chǎn)生零漂，導致測量精度較低，甚至使得測量管無法正常工作。因此，近年來，數(shù)字閉環(huán)控制技術(shù)正逐漸發(fā)展。數(shù)字閉環(huán)控制技術(shù)由國外率先提出，至今已發(fā)展二十多年。英國Oxford大學的 Manus P. Henry和Mayela Zamora提出了一種控制方法，該方法描述了四種模式隨機序列模式、零輸出模式、正反饋模式和數(shù)字合成模式。首先生成隨機頻率和幅值的正弦信號激勵測量管，經(jīng)過一段時間后，進入零輸出模式；在固定時間里，激勵信號一直為零，待測量管穩(wěn)定在諧振頻率后，進入正反饋模式；處理器計算出振動管振動的頻率和相移大小， 進入數(shù)字合成模式，產(chǎn)生激勵信號。該方法利用ADC、DAC、FPGA和高速處理器搭建數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時監(jiān)控傳感器的振動狀態(tài)，具有較好的控制效果。但是該方法必須預先建模得到測量管的工作頻率范圍，且每次控制必須測量其振動頻率，控制過程復雜，對處理器速度要求較高。另外，硬件使用分離的模塊搭建而成，集成度低，成本過高，限制了其推廣應(yīng)用。(Manus P. Henry, Mayela Ε. Zamora. STARTUP AND OPERATIONAL TECHNIQUES FOR A DIGITAL FLOWMETER[P], 2006, US7146280B2 ；Mayela Zamora, Manus P. Henry. An FPGA Implementation of a Digital Coriolis Mass Floff Metering Drive System[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(7) :2820-2831).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，簡化了電路，實時跟蹤測量管的振動頻率，提高了 CMF閉環(huán)控制性能，保證傳感器正常穩(wěn)定工作，一定程度上提高了 CMF的測量精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)包括限幅電路、反相放大器、有效值轉(zhuǎn)換器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、處理器、乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 (MDAC)和放大器；拾振器輸出的振動信號經(jīng)過限幅電路限幅、反相放大器放大，由有效值轉(zhuǎn)換器將放大后的信號轉(zhuǎn)換為有效值，ADC對所述有效值進行采樣測量送至處理器中；處理器將所述有效值與預先設(shè)定的目標有效值進行比較得到誤差值，并利用非線性幅值控制方法實時調(diào)整MDAC輸出信號的幅值，其實現(xiàn)過程為測量管在振動過程中，當誤差值高于某一閾值時，處理器控制MDAC輸出最大幅值的激勵信號；當誤差值小于該閾值時，使用參數(shù)自整定PI控制方法調(diào)節(jié)激勵信號的幅值；所述MDAC輸出信號的幅值經(jīng)放大器放大后作為激勵信號傳至激振器，使測量管以穩(wěn)定的幅值振動；同時MDAC的基準電壓由經(jīng)過反相放大器放大后的振動信號直接提供，所述MDAC被設(shè)為反相輸出，即輸出電壓與基準電壓反相，兩次反相后，硬件上實現(xiàn)固定相移360°，滿足閉環(huán)控制的相位條件，同時使得MDAC輸出的正弦信號頻率與拾振器輸出的信號頻率保持一致，以跟蹤測量管的振動頻率，當測量管穩(wěn)定振動時，此時的振動頻率即為科氏質(zhì)量流量傳感器的測量管的諧振頻率。為了縮短該閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，根據(jù)誤差值大小，調(diào)整PID控制器的PI環(huán)節(jié)的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki，使得拾振信號有效值能快速達到設(shè)定值，從而使閉環(huán)系統(tǒng)能夠更快進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。本發(fā)明的原理本發(fā)明使用MDAC與非線性幅值控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)CMF閉環(huán)控制。硬件上使用MDAC與處理器產(chǎn)生激勵信號，由于MDAC的基準電壓由測量管的振動信號經(jīng)過反相放大后直接提供，而MDAC被設(shè)定為反相輸出，兩次反相使得輸出的激勵信號頻率和相位與測量管的振動信號保持一致，因此，硬件上即可滿足閉環(huán)系統(tǒng)的相位條件，軟件只需控制激勵信號幅值，滿足閉環(huán)系統(tǒng)的幅值條件即可。利用有效值轉(zhuǎn)換電路將正弦信號轉(zhuǎn)換為有效值，使用高精度A/D測量該正弦振動信號的有效值，與預先設(shè)定的有效值比較，求得誤差值，并根據(jù)其大小，采用非線性幅值控制方法調(diào)整MDAC的輸出激勵信號幅值，使其滿足幅值條件。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明采用MDAC輸出CMF激勵信號，該MDAC基準電壓由測量管振動信號即拾振器輸出信號經(jīng)過反相放大后提供，而MDAC被設(shè)定為反相輸出，兩次反相使得輸出的激勵信號頻率和相位與測量管的振動信號保持一致，硬件上即可滿足閉環(huán)控制的相位條件，簡化了軟件部分的設(shè)計；(2)本發(fā)明采用非線性幅值控制方法實時調(diào)整MDAC的數(shù)字量，使其輸出幅度適當?shù)募钚盘?。即當誤差值達到某一閾值時，MDAC輸出最大幅值的正弦信號，一旦誤差小于該閾值，則使用參數(shù)自整定PI控制方法調(diào)整MDAC輸出信號的幅值。為提高閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能，縮短響應(yīng)時間，使測量管快速調(diào)整到設(shè)定幅值以諧振頻率穩(wěn)定振動，根據(jù)誤差值大小，適當調(diào)整PI控制器各環(huán)節(jié)的系數(shù)，相比于普通的PI控制方法，極大地縮短了響應(yīng)時間， 提高了抗干擾能力；(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用器件較少，大部分為數(shù)字器件，避免了模擬器件引入過多噪聲的狀況，減少了噪聲源，具有較強的抗干擾能力，同時也降低了成本，具有一定的市場推廣潛力。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明處理器實現(xiàn)流程圖；圖3為本發(fā)明的參數(shù)自整定PI控制結(jié)構(gòu)圖；圖4為典型的U型管CMF結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明所述的科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)2包括限幅電路 3、反相放大器4、有效值轉(zhuǎn)換器5、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)6、處理器7、乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(MDAC)S和放大器9。其中限幅電路3、反相放大器4、有效值轉(zhuǎn)換器5、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)6組成有效值檢測器，檢測測量管11的振動信號有效值；乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 (MDAC)S和放大器9組成激勵信號發(fā)生器，產(chǎn)生幅值可變的激勵信號驅(qū)動測量管11振動。如圖2所示，本發(fā)明的處理器7通過串口設(shè)置測量管11振動信號的目標有效值， 有效值轉(zhuǎn)換器5和ADC6對拾振器12輸出的正弦信號進行有效值檢測，處理器7將檢測到的有效值信號與預先設(shè)定的目標有效值比較，如果誤差大于某一閾值，則控制MDAC 8輸出幅值最大的正弦信號，反之，則使用參數(shù)自整定PI控制方法調(diào)整MDAC 8的數(shù)字輸入量，處理器7控制MDAC8產(chǎn)生相應(yīng)幅值的正弦信號，經(jīng)過放大后作為激勵信號傳至激振器10，反復調(diào)整測量管11的振動狀態(tài)，直到測量管11在其諧振頻率處以恒定的振幅振動。如圖3所示，本發(fā)明采用參數(shù)自整定PI控制方法，根據(jù)誤差值大小，調(diào)整PID控制器的PI環(huán)節(jié)的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki，即當誤差絕對值較大(本發(fā)明范圍取大于等于 50)時，Kp取較大值(本發(fā)明取25)，Ki取零；當誤差絕對值為中等大小(本發(fā)明范圍取大于等于10，小于50)時，Kp取中等值(本發(fā)明取20)，Ki取較小值(本發(fā)明取0.0005)；當誤差絕對值繼續(xù)減小(本發(fā)明范圍取大于等于1，小于10)時，Kp應(yīng)取較小值(本發(fā)明取 5)，Ki取中等值(本發(fā)明取0.01)；當誤差絕對值達到最小(本發(fā)明范圍取小于1)時，Kp 應(yīng)取中等值(本發(fā)明取10)，Ki取最大值(本發(fā)明取0. 02)，使得拾振信號有效值能快速達到設(shè)定值，從而使閉環(huán)系統(tǒng)能夠更快進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，該方法比傳統(tǒng)的PI控制方法響應(yīng)速度更快。有效值檢測功能主要由反相放大器4、有效值轉(zhuǎn)換器5和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器6實現(xiàn)， 有效值轉(zhuǎn)換器5可以采用AD637等，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器6可以采用ADS7816等，反相放大器4 實現(xiàn)放大倍數(shù)為7. 4倍。處理器7可以選用常見的單片機或數(shù)字信號處理器等實現(xiàn)，如C8051F310等。激勵信號發(fā)生功能由乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(MDAC) 8和放大器9實現(xiàn)，其中MDAC的特點是基準電壓可調(diào)整，如AD公司的ADM^等，放大器9實現(xiàn)放大倍數(shù)為11倍。本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于包括限幅電路(3)、反相放大器G)、有效值轉(zhuǎn)換器(5)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) (6)、處理器(7)、乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 (MDAC)⑶和放大器(9)；拾振器(12)輸出的振動信號經(jīng)過限幅電路(3)限幅、反相放大器 (4)放大，由有效值轉(zhuǎn)換器( 將放大后的信號轉(zhuǎn)換為有效值，ADC(6)對所述有效值進行采樣測量送至處理器(7)中；處理器(7)將所述有效值與預先設(shè)定的目標有效值進行比較得到誤差值，并利用非線性幅值控制方法實時調(diào)整MDAC(S)輸出信號的幅值，所述非線性幅值控制方法實現(xiàn)過程為測量管(11)在振動過程中，當誤差值高于某一閾值時，處理器(7) 控制MDAC (8)輸出最大幅值的激勵信號；當誤差值小于該閾值時，使用參數(shù)自整定PI控制方法調(diào)節(jié)激勵信號的幅值；所述MDAC(S)輸出信號的幅值經(jīng)放大器(9)放大后作為激勵信號傳至激振器(10)，使測量管(11)以穩(wěn)定的幅值振動；同時MDAC(S)的基準電壓由經(jīng)過反相放大器⑷放大后的振動信號直接提供，所述MDAC(8)被設(shè)為反相輸出，即輸出電壓與基準電壓反相，兩次反相后，硬件上實現(xiàn)固定相移360°，滿足閉環(huán)控制的相位條件，同時使得 MDAC(S)輸出的正弦信號頻率與拾振器(1 輸出的信號頻率保持一致，以跟蹤測量管(11) 的振動頻率，當測量管(11)穩(wěn)定振動時，此時的振動頻率即為科氏質(zhì)量流量傳感器(1)的測量管(11)的諧振頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的PI 控制方法為參數(shù)自整定的PI控制方法，即根據(jù)誤差絕對值所處的范圍，調(diào)整PI環(huán)節(jié)的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki，具體實現(xiàn)過程為當誤差絕對值較大時，Kp取較大值，Ki取零；當誤差絕對值為中等大小時，Kp取中等值，Ki取較小值；當誤差絕對值繼續(xù)減小時，Kp取較小值，Ki取中等值；當誤差絕對值達到最小時，Kp取中等值，Ki取最大值。
全文摘要
一種科氏質(zhì)量流量計數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)包括限幅電路、反相放大器、有效值轉(zhuǎn)換器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、處理器、乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器和放大器。拾振器輸出的振動信號經(jīng)過反相放大器放大，有效值轉(zhuǎn)換器將放大后的信號轉(zhuǎn)換為有效值，處理器通過ADC對該有效值進行采樣測量，并與預先設(shè)定的目標有效值進行比較，得到誤差值。利用非線性幅值控制方法實時調(diào)整MDAC輸出信號的幅值，該信號經(jīng)放大器放大后作為激勵信號傳至激振器，使測量管以穩(wěn)定的幅值振動。當測量管穩(wěn)定振動時，此時的振動頻率即為科氏質(zhì)量流量傳感器的測量管的諧振頻率。本發(fā)明的數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)響應(yīng)時間短，抗干擾能力強，適應(yīng)性廣，可擴展應(yīng)用于諧振式傳感器閉環(huán)控制。
文檔編號G01F1/84GK102393661SQ20111028130
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者樊尚春, 王帥, 胡純, 鄭德智 申請人:北京航空航天大學