专利名称：一种压力精密调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种エ业控制领域，具体涉及ー种压カ精密调节装置。
背景技术：
压カ测量在エ业过程控制中占有重要地位，压カ校准装置的性能决定了压カ仪表的校准精度、效率及成本。全自动压力校验仪因其精度高，适用范围广，易于操作，功能集成化，体积小巧等众多优点，正逐步取代传统的活塞式压カ计，广泛应用于电力、石油、石化、冶金、制药等领域。全自动压力校验仪根据被检仪表的不同，主要分为气压校验仪和液压校验仪。气压校验仪以非腐蚀性气体为工作介质，往往用来校准量程相对较小的压カ仪表。常规的气压校验仪利用电磁阀的开/断来控制造压腔内的进气量和出气量，继而达到调节压力的目的，其结构如图1C所示。液压校验仪以变压器油、癸ニ酸脂、去离子水等非导电液体为工作介质，往往用来校准量程相对较大的压カ仪表。常规的液压校验仪利用电机或者气体推动活塞在油缸里运动，改变油缸内工作介质的体积，继而达到调节压カ的目的，见图1A和图1B0目前，全自动压力校验仪的造压精度主要受制于压カ传感器和执行机构的性能。执行机构的加工精度，元器件的一致性和加工采购成本，决定了执行机构性能的好坏。传统的气压系统中，电磁阀的响应时间大多在10 30ms,好一些的也要5 10ms，而且价格较为昂贵，一致性难以保证。电磁阀最小开关间隔的气体流量往往决定了气压调节的精度。通过降低电磁阀两端的压差以期减小最小开关间隔的气体流量，往往会增加系统的复杂性，造成成本的提高。减小电磁阀的通径，虽然可以减小最小开关间隔的气体流量，但同时也増大了调节时间。増大造压腔体的容积，则会因为容腔效应，加剧气体的振荡，也会増大调节时间。传统的液压系统中，对于靠电机推动活塞的造压系统而言，传动丝杠的加工精度会影响电机单位步长下活塞的位移，继而影响调压的分辨力。而高精度的丝杠往往价格昂贵，不易加工。与之配套的电机也需选择高分辨率、扭矩稳定、发热较小的步进电机或者伺服电机，进ー步提高系统的成本。对于气推液的造压系统，则存在与气压系统相似的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供了ー种利用弾性敏感元件的形变进行压カ精密调节的控制系统，以降低对常规调节机构的性能要求，简化系统结构，提高造压精度。为实现上述目的，本发明采用了如下的技术特征:一方面，本发明实施例提供了一种压カ精密调节装置，包括:执行机构(I)，其包括弾性敏感元件(3)、弾性形变转换装置(4)、步进电机及驱动器(5)、粗压调节机构(6)以及造压腔(11)，所述造压腔(11)和所述弹性敏感元件(3)的腔体相通，腔体内部压カ相等；
控制机构(2)，其包括处理器(7)、触摸屏(8)、模拟数字转换器(9)、压カ传感器，所述压カ传感器(10)感测所述造压腔(11)内的压力，输出电信号，所述电信号经所述模拟数字转换器(9)转换后，由所述处理器(7)解算，获取当前压カ值后，所述处理器(7)通过比较用户通过所述触摸屏(8)输入的压カ设定值与压カ当前值的误差值，将所述误差值与设定误差阈值比较后，对所述执行机构(I)进行双闭环控制，调节所述造压腔(11)内的压力。依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置，所述双闭环控制进ー步包括:当误差值处于所述设定误差阈值区间之外时，所述处理器(7)启动内环，控制所述粗压调节机构(6)快速进行粗压调节；当所述误差值处于所述设定误差阈值区间之内时，所述处理器(7)启动外环，控制所述步进电机及驱动器(5)的转向、角度，通过所述弾性形变转换装置(4)改变所述弹性敏感元件(3)的腔体体积，以调节所述造压腔(11)内的压力。依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置，当所述误差值处于所述设定误差阈值区间之内时，所述处理器⑵启动外环，控制所述步进电机及驱动器(5)的转向、角度，通过所述弾性形变转换装置(4)改变所述弹性敏感元件(3)的腔体体积，以调节所述造压腔(11)内的压力，进ー步包括:在需要升高所述造压腔(11)内的压カ时，减小所述弹性敏感元件(3)的腔体体积；在需要降低所述造压腔(11)内的压カ时，增大所述弹性敏感元件(3)的腔体体积。依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置，所述弹性敏感元件(3)为弹簧管、波纹管或弾性膜片。依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置，所述压カ传感器(10)为硅压阻式压カ传感器、谐振式压カ传感器、电容式压カ传感器。依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置，所述模拟数字转换器(9)为E-A型模拟数字转换器。由于采用了以上的技术特征，使得本发明相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果:本发明与现有技术相比的优点在于:(I)本发明采用内环常规的调压机构和外环弹性敏感元件机构协同工作，通过改变弹性敏感元件腔体的体积，实现了高精度的压カ稳定调节，同时适用于气压和液压两种系统；(2)本发明采用双闭环PI控制方法，使粗压调节机构和弹性敏感元件机构协同エ作，快速达到稳定的设定压力。即当误差值处于设定误差阈值区间之外时，启动粗压调节机构快速调压；当误差值处于设定误差阈值区间之内吋，启动弹性敏感元件机构进行精密调压。在内、外两个PI环节，当误差值处于各自的设定误差阈值区间之外时，调节机构以最高调节速度调压，一旦误差值进入设定误差阈值区间之内，则使用參数自整定PI控制方法调压。为提高闭环控制系统的性能，缩短响应时间，使造压系统尽快达到稳定的设定压力，在内、外两环，根据误差值大小，适当调整PI控制器各环节的系数，相比于普通的PI控制方法，极大地缩短了响应时间，提高了抗干扰能力；(3)本发明结构简单，弾性敏感元件机构设计灵活，对与之配合的常规调压机构制造精度、一致性要求较低，同时也降低了成本，具有一定的市场推广潜力。
图1A为利用电机推动活塞的液压调节机构图；图1B为利用气体推动活塞的液压调节机构图；图1C为利用电磁阀控制进气量、出气量的气压调节机构图；图2为本发明实施例提供的压カ精密调节装置的结构框图；图3A为本发明一种实施例中的弾性敏感元件及其弾性形变转换装置的示意图；图3B为本发明另ー种实施例中的弾性敏感元件及其弾性形变转换装置的示意图；图4为本发明实施例中处理器实现流程图；图5为本发明的实施例中处理器采用參数自整定PI控制的原理示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进ー步的详细描述。以下结合附图，对本发明实施例做进ー步详细叙述。如图2所示，本发明实施例提供了一种压カ精密调节装置，由图可见。所述装置包括:执行机构(I)，其包括弾性敏感元件(3)、弾性形变转换装置(4)、步进电机及驱动器(5)、粗压调节机构(6)以及造压腔(11)，所述造压腔(11)和所述弹性敏感元件(3)的腔体相通，腔体内部压カ相等；控制机构(2)，其包括处理器(7)、触摸屏(8)、模拟数字转换器(9)、压カ传感器
(10)，所述压カ传感器(10)感测所述造压腔(11)内的压力，输出电信号，所述电信号经所述模拟数字转换器(9)转换后，由所述处理器(7)解算，获取当前压カ值后，所述处理器(7)通过比较用户通过所述触摸屏(8)输入的压カ设定值与压カ当前值的误差值，将所述误差值与设定误差阈值比较后，对所述执行机构(I)进行双闭环控制，调节所述造压腔(11)内的压力。更具体地说，本发明实施例提供的是ー种利用弾性敏感元件的形变进行压カ精密调节的装置，其中，弾性敏感元件3、弾性形变转换装置4、步进电机及驱动器5组成了核心的精密调压执行机构:如图3A，驱动器控制步进电机5的转向和カ矩，通过形变转换装置改变弹簧管的形变，继而改变了弹簧管腔体和工作介质的体积。电机轴顺时针转动，腔体减小，则压カ变大。电机轴逆时针转动，腔体増大，则压カ变小。如图3B，驱动器控制步进电机5通过丝杠推或拉活动杆件，继而改变了波纹管腔体和工作介质的体积。当推动活动杆件向左运动时，波纹管被压缩，腔体减小，则压カ变大。当拉动活动杆件向右运动时，波纹管被拉イ申，腔体増大，则压カ减小。压カ传感器10、模拟数字转换器9、处理器7组成的控制机构，或称控制电路，可以通过双闭环PI控制方法，控制粗压调节机构6，同时控制驱动器带动步进电机5，改变的弾性敏感元件3的形变，使二者协调工作，实现稳定、快速地调压。
本发明的弾性敏感元件可选用如图3A所示的弹簧管、如图3B所示的波纹管或者弾性膜片等，辅以简单的弹性形变转换装置。处理器7可以通过步进电机及驱动器控制弹性敏感元件的形变。弾性敏感元件的腔体体积应该与整个造压回路的总体积相协调，太小则调压范围偏小，太大则起不到精密调压的作用。同时也要考虑到粗压调节机构的调压分辨力。如图4所示，本发明的处理器7通过触摸屏8接收用户设置的压カ设定值，压カ传感器10敏感造压腔11内的压カ值，经过模拟数字转换器9采集，由处理器7解算得到压カ当前值。处理器7将压カ设定值与压カ当前值比较，得到误差值。当误差值处于设定误差阈值区间之外吋，处理器7通过參数自整定的PI控制方法启动内环的粗压调节机构6快速调压，外环的弹性敏感元件3机构不工作；当误差值处于设定误差阈值区间之内时，处理器7则通过參数自整定的PI控制方法启动外环的压力敏感元件3机构实现精密调压，内环的粗压调节机构6不工作。将上述的闭环控制方法循环执行，直到达到稳定的设定压力。如图5所示，本发明实施例中处理器7采用双闭环參数自整定PI控制方法对压カ进行控制。处理器通过PI控制算法，根据误差值大小，调整PI环节的比例系数Kp和积分系数Ki。Kp控制的输出与输入误差值成正比关系，用来快速响应；Ki控制的输出与误差值的积分成正比关系，用来消除稳态误差。即当误差绝对值较大(本发明中取大于内、外环输入值的20% )时，Kp取较大值(本发明取25)，Ki取零，此时粗压调节机构6或弹性敏感元件3机构快速调压或快速形变，尽快使误差绝对值减小；当误差绝对值为中等大小(本发明中取大于内、外环输入值的10%小于内、外环输入值的20% )吋，Kp取中等值(本发明取20)，Ki取较小值(本发明取0.0005)，此时粗压调节机构6或弹性敏感元件3机构降低调压或形变的速度，防止超调；当误差绝对值继续减小(本发明取大于内、外环输入值的5%小于内、外环输入值的10% )吋，Kp应取较小值(本发明取5)，Ki取中等值(本发明取0.01)，此时缓慢调节粗压执行机构6或者弾性敏感元件3的形变；当误差绝对值达到最小(本发明取小于外环输入值的5%)吋，Kp应取中等值(本发明取10)，Ki取最大值(本发明取0.02)，此时主要是细微地调节弹性敏感元件3的形变，达到精密调压的作用。以上过程使得内、外两环迅速响应，从而使双闭环系统能够更快达到稳定的设定压力，该方法比传统的PI控制方法响应速度更快。本发明实施例中的压カ传感器10可根据精度、性能需要，选择常见的硅压阻式压力传感器或者硅谐振式压カ传感器。处理器7可以选用常见的数字信号处理器或者ARM等实现，如:TMS320F28335 等。在ー种可能的实施方式中，考虑到压カ传感器10输出的电信号一般为uA、mV级的微小信号，且造压腔11内的压カ信号不会短时间突变，故推荐采用高分辨率、高信噪比、高集成度的E -A型模拟数字转换器9，例如AD7714。用户输入的设定压力可以通过触摸屏或者简单的按键、数码管实现。以上所述的具体实施方式
，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式
而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种压カ精密调节装置，其特征性在于，包括: 执行机构(I)，其包括弾性敏感元件(3)、弾性形变转换装置(4)、步进电机及驱动器(5)、粗压调节机构(6)以及造压腔(11)，所述造压腔(11)和所述弹性敏感元件(3)的腔体相通，腔体内部压カ相等； 控制机构(2)，其包括处理器(7)、触摸屏(8)、模拟数字转换器(9)、压カ传感器(10)，所述压カ传感器(10)感测所述造压腔(11)内的压力，输出电信号，所述电信号经所述模拟数字转换器(9)转换后，由所述处理器(7)解算，获取当前压カ值后，所述处理器(7)通过比较用户通过所述触摸屏(8)输入的压カ设定值与压カ当前值的误差值，将所述误差值与设定误差阈值比较后，对所述执行机构(I)进行双闭环控制，调节所述造压腔(11)内的压力。
2.按权利要求1所述的压力精密调节装置，其特征在于，所述双闭环控制进ー步包括: 当误差值处于所述设定阈值区间之外时，所述处理器(7)启动内环，控制所述粗压调节机构(6)快速进行粗压调节； 当所述误差值处于所述误差阈值区间之内时，所述处理器(7)启动外环，控制所述步进电机及驱动器(5)的转向、角度，通过所述弾性形变转换装置(4)改变所述弹性敏感元件(3)的腔体体积，以调节所述造压腔(11)内的压力。
3.按权利要求2所述的压力精密调节装置，其特征在于，所述当所述误差值处于所述误差阈值区间之内时，所述处理器⑵启动外环，控制所述步进电机及驱动器(5)的转向、角度，通过所述弾性形变转换装置(4)改变所述弹性敏感元件(3)的腔体体积，以调节所述造压腔(11)内的压力，进ー步包括:在需要升高所述造压腔(11)内的压カ时，减小所述弹性敏感元件(3)的腔体体积；在需要降低所述造压腔(11)内的压カ时，增大所述弹性敏感元件(3)的腔体体积。
4.按权利要求1所述的压力精密调节装置，其特征在于，所述弹性敏感元件(3)为弹簧管、波纹管或弾性膜片。
5.按权利要求1-4任一项所述的压カ精密调节装置，其特征在于，所述压カ传感器(10)为硅压阻式压カ传感器、谐振式压カ传感器、电容式压カ传感器。
6.按权利要求1-5任一项所述的压カ精密调节装置，其特征在于，所述模拟数字转换器(9)为E -A型模拟数字转换器(9)。
全文摘要
本发明涉及一种压力精密调节装置，所述装置包括弹性敏感元件、弹性形变转换装置、步进电机及驱动器、粗压调节机构、处理器、触摸屏、模拟数字转换器、压力传感器、造压腔。造压腔和弹性敏感元件的腔体相通，腔体内部压力相等。压力传感器敏感造压腔内的压力，输出的电信号经模拟数字转换器采集，再由处理器解算，得到实时的压力值。处理器通过比较由触摸屏输入的压力设定值与实时检测的压力当前值的误差值，采用双闭环PI控制算法，先控制内环的粗压调节机构快速进行粗压调节，之后控制外环的步进电机的转向、角度，通过弹性形变转换装置改变弹性敏感元件的腔体体积，继而达到精密调节压力的作用。本发明的压力调节控制系统精度高，调节时间短，成本低廉，适用性较广。
文档编号G05D16/20GK103092222SQ20121058630
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者孙晓君 申请人:孙晓君