氣密檢測(cè)系統(tǒng)的自辨識(shí)與控制自整定方法研究

董超慧，雷華明，張建忠,吉小軍

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海賢日測(cè)控科技有限公司，上海 201611)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和制造業(yè)的高速發(fā)展，氣密性檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、航空航天、醫(yī)療、家用電器、化工等領(lǐng)域[1]。氣密性檢測(cè)也稱泄漏檢測(cè)，是密封器件的一項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，其在保證密封器件的質(zhì)量性能和使用安全方面起到重要作用。密封器件在出廠前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的氣密性檢測(cè)，并且在使用過(guò)程中也應(yīng)按照規(guī)定周期送檢以保證密封性能良好[2]。

在實(shí)際檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)、提高檢測(cè)效率的關(guān)鍵在于加快充氣速度，并保證充氣精度。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)充氣加壓控制方法展開研究，Wu Jian研究了自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法在氣壓控制的應(yīng)用[3]；南京航空航天大學(xué)唐君君基于高速開關(guān)閥，采用PID算法結(jié)合PWM控制，設(shè)計(jì)了容器氣壓控制方法，其PID參數(shù)通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定[4]；中國(guó)計(jì)量大學(xué)黃雪琴采用模糊PID算法控制充氣系統(tǒng)，其PID參數(shù)初值通過(guò)傳統(tǒng)整定方法獲得，且系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)軟件作為上位機(jī)進(jìn)行控制[5]。PID控制在工業(yè)控制方面應(yīng)用廣泛，然而大多數(shù)系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)初值通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)方法人工整定，極大降低了工作效率。

考慮到測(cè)漏儀的檢測(cè)對(duì)象種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大小不同，針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，測(cè)漏儀充氣過(guò)程的PID控制參數(shù)需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本文研究了針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的PID自整定控制系統(tǒng)，提出了一種快速充氣控制方法。該方法基于充氣系統(tǒng)辨識(shí)、PID參數(shù)自整定、作用于比例閥的PID控制，實(shí)現(xiàn)了充氣過(guò)程自動(dòng)化控制，極大地提升了充氣效率。該充氣控制方法可應(yīng)用于ARM嵌入式控制系統(tǒng)，控制實(shí)際泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的充氣過(guò)程，經(jīng)過(guò)一次充氣過(guò)程整定得到檢測(cè)對(duì)象的PID控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的快速充氣控制。該方法通用性良好，自動(dòng)化程度高，提高了用戶操作的便利性。

1 基于差壓法的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 差壓法檢測(cè)原理

差壓檢測(cè)法是工業(yè)上應(yīng)用普遍的干式氣壓檢漏方法，壓差傳感器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)有助于消除測(cè)試過(guò)程中部分環(huán)境因素的影響，測(cè)量精度較高[6-7]。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。差壓傳感器一端接被測(cè)件，另一端接密閉的標(biāo)準(zhǔn)件。通過(guò)氣源和充氣系統(tǒng)同時(shí)向被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件容腔充入一定壓力的氣體，穩(wěn)定一段時(shí)間，使得被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)件容腔內(nèi)氣體的溫度和壓力基本相同，傳感器兩端達(dá)到平衡。此時(shí)關(guān)閉電磁閥，如果被測(cè)件存在泄漏，其內(nèi)部氣壓會(huì)隨之下降，與標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)氣壓形成壓差。差壓傳感器獲得壓差信號(hào)，從而計(jì)算出被測(cè)件的泄漏率[8-9]。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.2 控制系統(tǒng)組成

本文所用的差壓法測(cè)漏系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，觸摸屏主控板作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)指令和參數(shù)下發(fā)、測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；采集板作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)控制電磁閥、采集壓力和壓差信號(hào)并傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)CAN總線通訊，實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的操作和控制。壓力傳感器用于檢測(cè)充氣過(guò)程和測(cè)試過(guò)程中器件容腔內(nèi)的氣壓大小，信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換后送到STM32F103微控制器，確保氣壓在設(shè)定范圍內(nèi)。泄漏測(cè)試過(guò)程中，PCAP02電容檢測(cè)模塊通過(guò)電容式差壓傳感器獲得當(dāng)前測(cè)量的差壓信號(hào)，存儲(chǔ)于PCAP02，微控制器通過(guò)SPI讀取存儲(chǔ)于PCAP02寄存器中的差壓信號(hào)值，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示被測(cè)器件泄漏情況。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 快速充氣控制方法

上述差壓法泄漏檢測(cè)中，如何合理控制充氣過(guò)程是提高檢測(cè)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的PID控制方法擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便等優(yōu)勢(shì)，是控制過(guò)程中普遍采用的控制方法[10]。然而，由于檢測(cè)對(duì)象種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際檢測(cè)中需要針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象調(diào)整PID控制參數(shù)。為了方便用戶操作，需要研究針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的快速自整定控制系統(tǒng)。

本文研究了一種基于ARM嵌入式控制系統(tǒng)的PID參數(shù)的自整定方法。充氣系統(tǒng)啟動(dòng)工作，向被測(cè)件充氣至給定氣壓值，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)方法獲得充氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)該系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行自整定及優(yōu)化。對(duì)于不同檢測(cè)對(duì)象，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一次充氣過(guò)程即可完成參數(shù)整定。

2.1 充氣系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)

PID控制器主要根據(jù)被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了獲得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，需要進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)。常見(jiàn)的用于獲得系統(tǒng)模型的方法包括機(jī)理建模法和實(shí)驗(yàn)建模法。在工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)際工業(yè)過(guò)程原理十分復(fù)雜，難以把握其動(dòng)態(tài)特性和原理，不便于使用機(jī)理建模法建立系統(tǒng)模型[11]。實(shí)驗(yàn)建模法通過(guò)分析對(duì)系統(tǒng)輸入的激勵(lì)信號(hào)以及系統(tǒng)響應(yīng)輸出信號(hào)，獲得系統(tǒng)模型，該方法在工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用很廣泛。本文采用實(shí)驗(yàn)建模法，輸入階躍信號(hào)，根據(jù)階躍響應(yīng)輸出辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)。該辨識(shí)方法計(jì)算量較小，適用于ARM嵌入式控制系統(tǒng)。

2.1.1 系統(tǒng)辨識(shí)原理

工業(yè)控制過(guò)程中，通常用低階時(shí)滯模型近似高階系統(tǒng)，充氣系統(tǒng)可近似為二階時(shí)滯系統(tǒng)[12]，數(shù)學(xué)模型表示為

(1)

式中：K為系統(tǒng)增益；T1和T2為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)；τ為滯后時(shí)間，均為需辨識(shí)的參數(shù)。

給二階系統(tǒng)G(s)輸入幅值為U的階躍信號(hào)，則系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為

(2)

滯后時(shí)間τ為信號(hào)曲線在上升階段中斜率最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。采樣時(shí)間為Ts，通過(guò)尋找信號(hào)曲線前τ/Ts個(gè)點(diǎn)的斜率最大點(diǎn)來(lái)確定τ的值。逐點(diǎn)求取每點(diǎn)的斜率：

(3)

考慮到毛刺等噪聲對(duì)曲線斜率的影響，若ki滿足式(4)則確定該點(diǎn)為斜率最大點(diǎn)，此時(shí)ki所對(duì)應(yīng)的ti即為τ。

(4)

二階系統(tǒng)G(s)在幅值為U的階躍輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值為

(5)

由式(5)得到K=y(∞)/U。當(dāng)輸入為單位階躍響應(yīng)時(shí)，K=y(∞)。

求得τ和K之后，還有T1和T22個(gè)參數(shù)需辨識(shí)。在階躍響應(yīng)曲線y(t)的上升階段取點(diǎn)[ti,y(ti)]，構(gòu)造方程組求解T1和T2。取點(diǎn)建立的方程組為超越方程，無(wú)法通過(guò)代數(shù)方法求解?？紤]到嵌入式控制系統(tǒng)資源有限，本文通過(guò)“階躍響應(yīng)三點(diǎn)法”構(gòu)造方程組并求解[11]，實(shí)現(xiàn)充氣系統(tǒng)T1、T2參數(shù)的辨識(shí)。

在辨識(shí)過(guò)程中，在y(t)上取3個(gè)點(diǎn)，這3個(gè)點(diǎn)的采取時(shí)間具有倍數(shù)關(guān)系，即[t1,y(t1)]，[2t1,y(2t1)]，[3t1,y(3t1)]。將采到的3點(diǎn)代入y(t)表達(dá)式，經(jīng)過(guò)代數(shù)變量替換求解可得到：

(6)

(7)

式中：

為提高辨識(shí)的魯棒性，在y(t)曲線的上升階段且y(t)值小于穩(wěn)定值y(∞)的70%時(shí)，取多組“三點(diǎn)數(shù)據(jù)”進(jìn)行求解，得到一系列T1和T2的值，計(jì)算其平均值作為系統(tǒng)模型的參數(shù)。

2.1.2 仿真驗(yàn)證

上節(jié)闡述了系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的三點(diǎn)法，實(shí)際工作系統(tǒng)中，系統(tǒng)還不可避免地受一定噪聲干擾影響。為了減小噪聲對(duì)取點(diǎn)辨識(shí)的影響，需要對(duì)帶噪聲的信號(hào)進(jìn)行擬合處理，從而獲得較平滑的信號(hào)曲線y(t)，然后再進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)。輸入階躍信號(hào)，信噪比為90 dB。針對(duì)模型為式(1)的超調(diào)系統(tǒng)和非超調(diào)系統(tǒng)的辨識(shí)仿真結(jié)果分別如圖3、表1和圖4、表2所示。

圖3 非超調(diào)系統(tǒng)的辨識(shí)

表1 非超調(diào)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

圖4 超調(diào)系統(tǒng)的辨識(shí)

仿真結(jié)果表明，本文采用的系統(tǒng)辨識(shí)方法對(duì)超調(diào)系統(tǒng)和非超調(diào)系統(tǒng)均有較好的辨識(shí)效果。在90 dB信噪比的條件下，對(duì)非超調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的辨識(shí)誤差優(yōu)于1%，對(duì)超調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的辨識(shí)誤差不超過(guò)±6.5%。因此，該辨識(shí)方法對(duì)于離散控制系統(tǒng)的辨識(shí)具有較強(qiáng)的抗噪聲能力和較高的精度。

表2 超調(diào)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

2.2 離散系統(tǒng)PID參數(shù)自整定

2.2.1 參數(shù)自整定原理

PID參數(shù)的整定是PID控制器設(shè)計(jì)的核心，常用整定方法有Z-N頻域整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、ISTE最優(yōu)設(shè)定法等[13]。其中臨界比例度法適用于已知被控系統(tǒng)傳遞函數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣泛。本文2.1節(jié)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)傳遞函數(shù)參數(shù)的辨識(shí)，能夠從系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出獲得較準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)，因此本文采用臨界比例度法進(jìn)行PID參數(shù)整定。

整定的基本方法為：首先將PID控制器設(shè)置為純比例控制，比例控制參數(shù)從較大的比例度δ開始逐步減小，觀察系統(tǒng)輸出，使得系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記錄此時(shí)的比例度δr和振蕩周期Tr，再通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式表計(jì)算PID參數(shù)[14]。經(jīng)典的臨界比例度法為了使系統(tǒng)輸出等幅周期振蕩，通常需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整比例度，人為判斷系統(tǒng)輸出是否為等幅周期振蕩。從經(jīng)驗(yàn)公式表中得到的參數(shù)還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化，得到合適的PID控制參數(shù)。本文通過(guò)離散勞斯判據(jù)尋找臨界條件，使用一系列計(jì)算方法判斷系統(tǒng)輸出是否為等幅周期振蕩并找到臨界參數(shù)δr和Tr，基于測(cè)漏儀的充氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的自動(dòng)整定和優(yōu)化調(diào)整，從而完成對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的快速充氣控制。

2.2.1.1 勞斯判據(jù)求解臨界穩(wěn)定值

PID控制器將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為

(8)

傳遞函數(shù)形式為

(9)

式中：e(t)為給定值與實(shí)際輸出值的差；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

那么充氣系統(tǒng)在純比例控制下的傳遞函數(shù)為

(10)

式中：δ為比例度，δ=1/KP；G(s)為原充氣系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

連續(xù)系統(tǒng)的勞斯判據(jù)通過(guò)系統(tǒng)特征方程的系數(shù)及其符號(hào)來(lái)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，其本質(zhì)是判斷系統(tǒng)特征方程的根是否都在s平面的左半平面。單片機(jī)采集和控制的信號(hào)為離散信號(hào)，在離散系統(tǒng)中，需要判斷系統(tǒng)特征方程的根是否都在z平面上的單位圓內(nèi)。在s域中系統(tǒng)含有時(shí)滯環(huán)節(jié)e-τs，無(wú)法直接應(yīng)用勞斯判據(jù)，而時(shí)滯環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)z變換后為z的有理式，系統(tǒng)的特征方程為有理方程。引入z域到ω域的雙線性變換，令z=(ω+1)/(ω-1)，使z平面的單位圓內(nèi)區(qū)域映射成ω平面的左半平面，此時(shí)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性與s平面上情況相同，可以使用s平面上的連續(xù)勞斯判據(jù)。根據(jù)ω域的系統(tǒng)特征方程系數(shù)分析離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性和臨界穩(wěn)定條件，從而得到系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時(shí)的δ值，記為δs。

2.2.1.2 純比例控制系統(tǒng)輸出

在PID控制器的純比例控制下，將比例度設(shè)置為由離散勞斯判據(jù)得出的臨界值δs，可以得到系統(tǒng)G0(s)的輸出yp(t)。通過(guò)一定的策略對(duì)比例度進(jìn)行微調(diào)，使純比例控制系統(tǒng)的輸出yp(t)為等幅周期振蕩信號(hào)，記錄此時(shí)的比例度δr和周期Tr。

在這個(gè)過(guò)程中，需要不斷判斷yp(t)是否為等幅周期振蕩信號(hào)。在ARM嵌入式控制系統(tǒng)中，判斷分2步完成。通過(guò)自相關(guān)運(yùn)算的性質(zhì)能夠判斷yp(t)的周期性并提取出其周期Tr。然后，基于該周期對(duì)yp(t)進(jìn)行等幅性的判斷。由于實(shí)際情況下很難得到真正意義上的等幅周期振蕩輸出，在等幅性判斷中，允許間隔為Tr的一組數(shù)據(jù)(如一組波峰值)存在一個(gè)較小的方差σ2，當(dāng)σ2小于規(guī)定的閾值時(shí)，即可判定其為等幅。

2.2.1.3 參數(shù)整定及優(yōu)化調(diào)整

通過(guò)上述方法得到純比例作用下系統(tǒng)輸出為等幅周期振蕩的比例度δr以及振蕩周期Tr，按照表3臨界比例度法整定表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到PID參數(shù)[14]。

表3 臨界比例度法整定表

在實(shí)際控制過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)公式整定得到的PID參數(shù)還需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，以獲得更好的控制效果。通常情況下，增大比例系數(shù)Kp，可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但Kp過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加大積分時(shí)間常數(shù)Ti有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，減小超調(diào)量，但對(duì)消除靜差效果不利。增加微分時(shí)間常數(shù)Td能加快系統(tǒng)響應(yīng)?；跍y(cè)漏儀的充氣系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各類二階系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，引入調(diào)節(jié)因子j與l，歸納出以下參數(shù)調(diào)整方法，經(jīng)過(guò)測(cè)試該方法對(duì)于不同充氣系統(tǒng)具有較好的通用性，控制效果良好。

充氣系統(tǒng)G(s)的階躍響應(yīng)無(wú)超調(diào)情況下(1≤ξ≤1.3，ξ為阻尼比)，PID控制下參數(shù)調(diào)整為：

階躍響應(yīng)有超調(diào)情況下(0<ξ<1)，PID控制下參數(shù)調(diào)整為：

當(dāng)0<ξ<0.8時(shí)，

l=-1 602+1 602cos(0.018δr)+162sin(0.018δr)

當(dāng)0.8<ξ<1時(shí)，

l=0.138-0.042cos(48.93δr)-0.036sin(48.93δr)

2.2.2 仿真驗(yàn)證

針對(duì)模型為式(1)的超調(diào)系統(tǒng)和非超調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，用整定參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制，并比較PID控制的輸出[即Gc(s)·G(s)的單位階躍響應(yīng)]和未經(jīng)PID控制的輸出[即G(s)的單位階躍響應(yīng)]。

非超調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)為K=1，T1=0.3，T2=0.8，τ=0.03。超調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)為K=1，T1=0.062 5-0.25i，T2=0.062 5+0.25i，τ=0.04。輸入為單位階躍信號(hào)。使用2.2.1節(jié)的參數(shù)整定及優(yōu)化方法，得到PID控制參數(shù)如表4所示。輸出對(duì)比如圖5、表5和圖6、表6所示。

表4 PID參數(shù)

圖5 非超調(diào)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出對(duì)比

表5 非超調(diào)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出對(duì)比

表6 超調(diào)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出對(duì)比

圖6 超調(diào)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出對(duì)比

仿真結(jié)果表明，本文采用的參數(shù)自整定及參數(shù)優(yōu)化方法對(duì)超調(diào)系統(tǒng)和非超調(diào)系統(tǒng)均可行，在整定參數(shù)的PID控制下系統(tǒng)輸出有較好的優(yōu)化效果。通常情況下，對(duì)小體積器件充氣易產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象，對(duì)大體積器件充氣的系統(tǒng)較少有明顯超調(diào)，因此該方法適用于被測(cè)件體積不同的充氣系統(tǒng)，對(duì)于不同檢測(cè)對(duì)象具有較好的通用性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用差壓法測(cè)漏儀的充氣系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別向容積為12 mL和2 L的密閉器件充氣，目標(biāo)氣壓200 kPa，比較直接充氣過(guò)程與比例閥在PID控制下的充氣過(guò)程。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

先將密封器件抽氣至真空狀態(tài)，由于設(shè)備限制，器件內(nèi)初始?xì)鈮簽? kPa。對(duì)密封器件直接進(jìn)行充氣，記錄充氣過(guò)程器件內(nèi)部氣壓。對(duì)該實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，辨識(shí)數(shù)學(xué)模型為二階時(shí)滯系統(tǒng)，見(jiàn)式(1)。

辨識(shí)得到12 mL器件的充氣系統(tǒng)參數(shù)為K=1，T1=0.025，T2=0.062，τ=0.03；2 L器件的充氣系統(tǒng)參數(shù)為K=1，T1=0.569，T2=0.080，τ=0.03。輸入幅值為200的階躍信號(hào)，對(duì)辨識(shí)系統(tǒng)做PID參數(shù)自整定及參數(shù)優(yōu)化。然后用整定參數(shù)對(duì)充氣系統(tǒng)的比例閥進(jìn)行PID控制。圖8、圖9和表7展示了直接充氣和PID快速充氣控制的比較。PID控制充氣時(shí)間少于直接充氣時(shí)間，2 L器件的充氣時(shí)間優(yōu)化效果顯著。

圖8 12 mL器件直接充氣和PID控制充氣比較

圖9 2 L器件直接充氣和PID控制充氣比較

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，本文提出的系統(tǒng)辨識(shí)、PID參數(shù)自整定效果良好，對(duì)器件容積不同的充氣系統(tǒng)均有較好的優(yōu)化效果，該快速充氣控制方法有效地提升了充氣速度，驗(yàn)證了理論方法的正確性。

表7 直接充氣和PID控制充氣的比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)測(cè)漏儀的充氣系統(tǒng)，提出了基于系統(tǒng)辨識(shí)和PID參數(shù)自整定的快速充氣控制方法。該方法可應(yīng)用于ARM嵌入式控制系統(tǒng)，解決了工業(yè)生產(chǎn)中一些無(wú)法使用計(jì)算機(jī)處理分析數(shù)據(jù)場(chǎng)合的控制需求。本文將充氣系統(tǒng)近似為二階時(shí)滯系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出，辨識(shí)得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)。進(jìn)行PID參數(shù)整定過(guò)程中，通過(guò)算法判斷系統(tǒng)是否達(dá)到臨界狀態(tài)，從而計(jì)算PID參數(shù)，并總結(jié)出參數(shù)優(yōu)化調(diào)整方法。仿真數(shù)據(jù)表明該方法對(duì)超調(diào)系統(tǒng)和非超調(diào)系統(tǒng)均有良好的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法在嵌入式控制系統(tǒng)下的良好性能，實(shí)現(xiàn)了測(cè)漏儀的自動(dòng)化充氣控制，有效提升了充氣速度。