（精密仪器及机械专业论文）多元气体配气仪设计.pdf

中文摘要 多元气体配气仪在空气质量监测中起着至关重要的作用，它的精确度是所得 各种空气质量监测数据监测准确的重要保证。本文在研究气体配比技术、质量流 量配气原理、模糊控制算法的基础上研发了基于质量流量的高精度气体自动配气 装置。主要工作包括： 分析比较了各种配气方案的特点，选择适于配制低浓度的动态流量配比法。 构建基于质量流量控制器的多元气体配气仪。 采用性能优异的a r m 7 处理器实现气体流量快速、准确的控制，其内置的硬 件乘法器能实现流量数据的快速运算，提高系统的响应速度与精度。质量流量控 制器测量的流量值随温度、压力变化很小，保证配比的高精度。完成气体流量控 制系统硬件电路设计，并调试通过，包括模数和数模转换电路、键盘输入、液晶 显示、电磁阀驱动、存储系统等外围电路 结合控制对象的特点，设计了二维模糊控制器，以流量检测值与流量设定值 的偏差及偏差变化率作为输入量，提高了系统的反应速度。并在m a t l a b 环境中， 对控制系统进行了仿真验证，结果表明，二维模糊控制器鲁棒性、稳定性好、响 应快，控制效果理想。 结合系统各功能模块的硬件设计，采用u c o s - - i i 作为操作系统，完成了系 统的多任务程序设计，实现友好的人机界面及信号的采集、处理；具有较好的可 扩展性和通用性。分析系统不确定度分析，明确了影响系统精度的主要因素，保 证了仪器控制、运转的精确性和可靠性。 关键词：多元气体质量流量控制器模糊控制a r m 7u c o s i i a b s t r a c t m u l t i - g a sb l e n d i n gd e v i c ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei na i rq u a l i t ym o n i t o r i n gi t s d e g r e eo fa c c u r a c yh a sad i r e c ti m p a c to na i rq u a l i t ym o n i t o r i n gd a t a b a s e do nt h e r e s e a r c ho fg a sb l e n d i n gt e c h n i q u e ，t h ep r i n c i p l eo f1 t d s sf l o wb l e n d i n ga n df u z z y c o n t r o la l g o r i t h m s ，t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sa na u t o m a t i cm u l t i - g a sb l e n d i n g d e v i c eb a s e do nm a s sf l o wi m t h o d m a j o ri s s u e so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t l 】ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a m a g e so fv a r i o u sg a sb l e n d i n gp r o g r a m sw e r e a n a l y s e da n dc o m p a r e d a n ds e l e c to fs u i t a b l es c h e m ef o rl o w c o n c e n t r a t i o nb l e n d i n g u s i n gt h ed y n a m i cf l o wm a t c h i n gm e t h o d b u i l d i n gan o s sf l o wc o m r o l l e rb a s e d o n m u l t i - g a sb l e n d i n gd e v i c e a r m 7p r o c e s s o ri se m p l o y e dt oa c h i e v ef a s ta n da c c u r a t ec o n t r o lo f g a sf l o w , a n d i t sb u i l t - i nh a r d w a r em u l t i p l i e r sc a na c h i e v ear a p i dd a t ao p e r a t i o na n di m p r o v et h e o p e r a t i o n a ls p e e da n dp r e c i s i o no ft h es y s t e m m e a s u r e m e n to f m a s sf l o wc o n 行o l i e r b e a r sl i t t l er e l a t i o nt ot e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dp r e s s t n ec h a n g e s c o m pl e t es y s t e m s h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dd e b u gt h ec i r c u i t s a n da c h i e v eag o o dr e s u l t t l l ec i r c u i t s i n c l u d ea d 、d ac o n v e r s i o nc i r c u i t s ，k e y b o r dc i r c u i _ t ，l c dc i t e u i t , s o l e n o i dv a l v e e k e u i t , a n ds oo n i nt h ec o n t r o la l g o r i t h m , a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o lo b j e c t , a t w o d i m e n s i o n a lf u z z yc o m r o l l e ri sd e s i g n e dt oi m p r o v et h er e a c t i o ns p e e do ft h e s y s t e mb yi n p u t t i n gt h ed e v m t i o na n di t sv a r i a t i o nr a t eb e t w e e n t h ed e t e c t e dv a l u eo f f l o wa n ds e tv a l u eo ft h er a t et ot h em a s sf l o wc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ev o l u m eo f o u t p u t n f u z z yc o n t r o l l e rc a ni m p r o v et h es y s t e m sr e a c t i o ns p e e d i nt h em a t l a b e n v i r o n m e n t , f u z z yt o o b o xa n ds i m u l i n kt o o l b o xa r ea p p l i e df o rc o n t r o ls y s t e m s i m u l a t i o n , w i t ht h er e s u l t ss h o w i n gt h a tt h es y s t e m sr o b u s t n e s s ，s t a b i l i t y , a n dc o n t r o l e f f e c ta r es a t i s f a c t o r y i nl i g h to ft h ed e s i g n so fa l lf u n c t i o n a lm o d u l e si nt h es y s t e m , t h es y s t e mi s o p t i m i z e dw i t hm u l t i t a s kp r o g r a mb ye m p l o y i n gu c o s 一a st h eo p e r a t i n gs y s t e m , a n dt h i sh e l p st h es y s t e mr e a l i z ef r i e n d l yi n t e r f a c ea n de x c e l l e n ts i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ms y s t e mb o a s t so u t s t a n d i n ge x p a n s i b i l i t ya n du n i v e r s a l i t y a f t e r a n a l y z i n gt h eu n c e r t a i n t yo ft h es y s t e m , f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ea c c u r a c yo ft h e s y s t e ma r ed e t e c t e d i nt h ep r o c e s so fo p e r a t i n 舀a l lt h ed e t a i l sw e r et a k e ni n t o e o m i d e r a t i o nt og u a r a r 吐e et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mc o n 缸d la n d o p e r a t i o n k e yw o r d s ：m u l t i - g a s ，m a s sf l o wc o n t r o l l e r , f u z z yc o m r o l , a r m 7 ，u c o s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢蕉_ 群签字吼叩年6 月岁同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞墨鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢盔矸 签字嗍叩年月j r 导师签名： 签字同期：芬月阔“ 沥辨 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着人们生活对质量水平要求的不断提高，治理环境污染的问题追在眉睫。 各个国家都制定了环境保护法、环境标准和居住区大气中有害物质中的最高容许 标准等。因此，环境的监测和治理、大气污染的评价至关重要 1 3 】【洲。 为了监测空气污染的程度，分析空气的主要污染物，控制城市空气的品质与 等级，专家学者研究了对各种污染气体进行监控的监测仪，并应用于实践当中。 下图1 1 为环境空气监测站仪器设备配置示意副1 1 。 图1 1 监测子站仪器设备配置示意图 监测站中安装的仪器类型由计划监测的污染物种类决定，我国目前主要监测 3 项指标：s 0 2 、氮氧化物( n o 、n 0 2 ) 、p m l o 。空气污染监测仪器一般不能直 接测定绝对浓度，而是采用相对法，通过与标准气体相比较得出结果。因此标准 气体的准确程度决定了测定的空气污染物的精确度。 多元气体配气仪在整个空气质量监测系统中占有重要的位置。它的精确度是 天津大学硕士学位论文第一章绪论 保证整个城市空气质量监测数据准确性的关键，高精度的配气仪是气体检测仪进 行高精度工作的重要保证【5 】。 本文提出一种多元气体动态配气仪设计方案，为大气环境监测装置的校准提 供低浓度标准气体，其可用来测定空气污染和校准测量仪器。 1 2 标准气体配置现状 标准气体作为气体成分量值的计量标准，在气体生产、贸易、石化等行业的 应用中发挥着独特的规范和保证质量的作用，能够产生巨大的经济效益和社会效 益【4 】。 标准混合气体是用一种高纯气体作稀释气( 又称平衡气或背景气) ，再添加 一种或几种其它的高纯气体( 又称组分气或掺杂气) 配制而成的气体。标准混合 气体中组分的含量可以从1 p p m ( 百万分之- - ) n5 0 范围内任意选择，标准气体 的配制方法主要有称量法、分压法、体积法、渗透法、饱和法、电解法、指数稀 释法、流量比混合法等，大体可分为分为静态配气法和动态配气法【2 1 。 静态配气法是把一定量的原料气体加入已知容积的容器中，再充入稀释气 体，混匀制得。这种配气法的优点是设备简单、操作容易，但因有些气体化学性 质较活泼，长时间与容器壁接触可能发生化学反应，所以这种方法适用于活泼性 较差且用量不大的标准气体的配制。 动态配气法通过将已知浓度的原料气体与稀释气体按恒定比例连续不断地 输入混合器混合，连续不断地配制并供给一定浓度的标准气体。这种方法所用仪 器设备较静态配气法复杂，不适合配制高浓度的标准气体【2 1 。 标准气体属于标准物质，是量值测定的标准，具有复现、溯源、仲裁、保存 和传递量值的作用，因此发达国家对标准气体的管理十分严格，为便于产品的质 量检查和仲裁，他们都建有十分完善的标准传递体系f ”。 日本政府规定由东京工业试验所和计量研究院负责提供一级标准气，化学产 品协会参照一级标准气配n - - 级标准气，标准气制备鉴定所再根据二级标准气配 制实用标准气向各厂家和用户传递。美国政府则规定，由美国国家计量院( n i s d 配制一级标准气，国家授权的各大著名气体公司中心实验室负责据此配制二级标 准气，各生产厂家再根据二级标准气生产各种实用标准气向用户出售。同样，荷 兰由国家计量研究院( n m i ) 负责基准标准气体的生产，其他的标准气体依据 i s 0 6 1 4 2 、i s 0 6 1 4 3 等标准与n m i 的基准进行比对，比对的结果( 组分浓度及其 不确定度) 由荷兰实验室认可委员会认可。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 世界上规模大且实力雄厚的标准气体生产厂家有法国液化空气公司和 c h e m g a s 公司、美国的a p c i 和p r a x 触r 公司、德国l i n d e 公司，以及英 国的b o c 公司、日本的酸素公司等【3 | 。 上海计量测试研究院和大连光明化工研究院在2 0 世纪的6 0 年代，就先后开 始从事标准气体与混合气体的制备与分析测试方法研究，现可以生产国家一、二 级标准物质3 0 多项，研究开发的标准气体和混合气体已在国内各部门得到了广 泛的应用咧。 目前，国内的气体校准仪分别采用了压力流量控制法【1 9 】( 北京分析仪器厂、 南京分析仪器厂) 、喷嘴流量控制法【2 0 】( 上海第二分析仪器厂) 、电解配气法【2 l 】 ( 太原化肥厂) 等各种方法来产生校准气体。这都是基于动态配气法的原理配置 校准气体，但是，这些方法得到的校准气体的浓度不够精确或不能实现连续的自 动化配气 5 1 。 近年来，随着世界先进配气技术的引进，加之我国几代科研工作者的努力， 我国在配制标准气体方面取得了飞速的发展，在常量和半微量浓度范围内气体的 配制已形成计量溯源系统并能与国际上的标准物质比对。但我国标准气体配置存 在标准气体生产资质审批较松、高纯原料气体难得到和分析检测仪器不足等问题 【l o 】。在低含量如1 0 - 8 1 0 弓t o o l 1 范围内的标准气体的配制方法，特别是活泼气体 的配制及其包装技术方面还很欠缺，这还有待于科技工作者继续努力，早日形成 我国此类气体的计量溯源系统，并与国际接轨。 1 3 本文研究工作 多元气体配气仪为环境监测设备提供低浓度校准气体，课题的研究工作是选 择恰当的标准气体配置方案，设计控制算法、控制气体质量流量控制器进行气体 比例的调节，准确控制气体的稀释比例，从而得到所需浓度的混合气体。本文完 成的主要工作包括以下几点： 1 分析比较各种配气方案的特点，选择适于配制低浓度的动态流量配比法。 构建基于质量流量控制器的动态配气方案。采用性能优异的3 2 位a r m 7 处理器 实现对质量流量控制器快速准确的控制，其内置的硬件乘法器能实现流量数据的 快速运算，提高系统的快速响应性。高精度的d 和d a 转换芯片及抗干扰能 力强的质量流量控制器在硬件上保证了配气的高精度。 2 针对气体流量控制的时变非线性、难以建立数学模型的特点，选择模糊控 制算法精确控制气体流量。设计两输入单输出的模糊控制器实现气体流量的实时 天津大学硕士学位论文第一章绪论 控制，显著提高了系统的快速响应性，通过合理选择量化因子，提高系统配气精 度。 3 采用u c o s - - i i 作为嵌入操作系统，使系统的软件具有更好的通用性，编 写了液晶驱动、键盘驱动、串行口驱动、模数转换等驱动程序。在驱动程序的基 础上编写具有多任务的应用程序，完成系统软件设计，实现了友好的人机界面及 信号的采集、处理。 4 天津大学硕士学位论文第二章配气仪系统设计 第二章配气仪系统设计 2 1 配气仪设计方案选择 2 1 1 配气方案比较选择 现行的标准气体配制方法可分为静态配气法和动态配气法【2 1 。 静态配气法是把一定量的原料气加入已知容积的高压或加压容器中，再充入 稀释气体混匀而制得标准气，标准气的浓度根据加入原料气和稀释气量及容器容 积计算得到。 动态配气法使己知浓度的原料气与稀释气按恒定比例进入混合器混合，从而 连续不断地配制并供给一定浓度的标准气体，可根据稀释比计算得出标准气的浓 度。 静态法特点：静态法设备简单、操作容易。但是由于容器与包装气体之间会 发生物理吸附和化学反应等器壁反应，对某些活泼性气体难以稳定地保存量值。 在配制低浓度标准气时，常引起较大的误差，且配制的含量范围受到一定限制。 动态法特点：动态配气法可以连续不断地得到浓度一定的标准气体；从各组 分气体进入配气装置到标准气体制备和使用的整个过程中，标准气都处在连续流 动状态；产生的标准气体无须充入容器中保存，避免了气体的吸附、解吸、化学 反应等现象的发生，制备的标准气浓度较稳定。利用同一套设备，能够很快地变 更配制不同标准气，还可随时改变被测组分的浓度，产生不同浓度的标准气，特 别适合于配制低浓度标准气体。 根据配气仪设计要求：能连续不断地配制并供给一定浓度的标准气体，配置 的标准气体( 稀释比小于l ：2 0 0 时) 不确定度小于2 ，并根据静态配气法和动 态配气法的特点，本系统选用动态法进行标准气体的配制。 动态配气主要有以下配制技术【2 】： 喷嘴控制法：采用喷嘴来控制各种原料气的流量。对于不同的原料气或不同 的配气比例，该流程通过更换喷嘴来实现。为保证流过喷嘴的流量，同时为保证 配气比例，须保证各路原料气在喷嘴前后的压力绝对相等，且原料气的性质必须 非常稳定，配气成本高。 压差( 或压力) 控制法：将几种原料气经过某一管段后进入混合器，通过控 制这一组管段的压差来控制其流量。因为这一组管段末端的混合器处于同一压力 天津大学硕士学位论文第二章配气仪系统设计 下，而管段的阻力损失系数是不变的，所以只要能准确地控制管段前端的压力( 相 对于混合器的压力) ，就能控制每种原料气的相对流量。几种原料气的混合比例 是靠各自管段的压差比来控制的，显然它所控制的是体积流量比，温度、压力变 化的影响必须对各种原料气是同等的，才能保证体积流量比保持不变，并且压力 控制的精度必须足够高。 质量流量控制法：以质量流量的形式对每一路原料气进行单独控制，每一路 气体的流量根据配气比例计算而来，适宜配置低浓度、小流量标准气体。由于是 单独的流量控制，因而压力及温度等环境参数的变化对气体流量和配气比例产生 影响很小，适合配制较高精度的低浓度标准气体。质量流量控制器由标准电压或 电流信号控制，适合与微处理器组成自动控制系统。通过对流量信号采集，实现 对气体流量的自动修正；通过对气体流量信号采集，实现对配气比例的自动修正。 微机管理使整个配气装置的数据处理与管理的功能更强大，提高配气的精度【6 】。 由以上对比可以得出，质量流量控制法适宜配置低浓度标准气体，配气精度 高，合适系统设计要求。本文设计的配气仪选用动态法中的质量流量控制法实现 气体配比。 2 1 2 基于质量流量控制的配气原理 将已知浓度的原料气体以恒定的流量送入混合室中，以此同时，零气( 稀释 气) 以恒定的流量送入混合器，与原料气体混合、稀释，稀释后的标准气体连续 不断地从混合器流出，供被校准的仪器( 例如s 0 2 分析仪) 使用。两个流量控制 器同时动作，是动态配气过程。配气系统将根据设定好的配气时间和配气时序， 进行标准气体的配制。 气体流量的调节由质量流量控制器( m f c ) 控制，准确测量这两个气体流量之 比就得到稀释倍数，混合气体的浓度可从稀释倍数计算出来，调节气体流量之比 可以得到所需浓度的标准气体。 气体在进入质量流量控制器之前由减压阀调整其气压，使得气压与选用的质 量流量控制器的耐压范围相对应。通过电磁阀选择气体通道和气路的通、断。 标准气体浓度计算公式( 2 1 ) ： n ：且生+ 业乙 q 1 + q 2 q l + q z 公式( 2 1 ) 其中n 一标准气体浓度：r l l 一原料气浓度；q 1 一原料气流量：q 2 一零气流量。 遵稀释气体中该组分气体的含量。 6 天津大学硕士学位论文 第二章配气仪系统设计 系统简图如图2 。1 所示： 气体输出1 撑 擎气输池 目j 习一一 一喇 斟卜如 s v 7 1 ，一r 、| 胪中1 厶毋 r 混气体输出2 ；v o ( 电磁阀0) 减压阀m f c l s v 4 减压阀 鼎 1 竺氏 合 s v l ；0 2 d 习。 器 s v 6 h + _ 7 y 一7 弋飞厶a 州一 s 涕废詹排空 ：o ，s v 减压阀 m f c 2 i 、i 。， p n s v 3 图2 1 系统简图 如果稀释气已净化到可忽略1 1 2 的程度。则公式( 2 1 ) 简化为： 1 3 ：且孚 口1 十q 2 公式( 2 2 ) 还可以得到两种气体在混气室中的流量比例如下公式( 2 3 ) 所示： q 1 ：q 2 = n ：( n l n 1 公式( 2 3 ) 由以上计算可知控制两种气体的流量就能达到控制混合气体的浓度的目的。 配气仪工作过程：通过键盘设定要输出的气体浓度值，经过舢洲处理器计 算，通过d a 转换输出标准电压信号到质量流量控制器，质量流量控制器根据 从处理器输出的控制电压控制输出阀门的开度，达到控制流量的目的，进而实现 相应标准气体浓度的配制。同时，处理器经采样得到由流量控制器输出的反馈流 量信号，并利用模糊控制算法实现对系统闭环控制，使两路气体流量稳定输出。 2 2 质量流量控制器选型 质量流量计方法发展至今，已产生多种类型的直接测量的质量流量计，常见 的有热式质量流量计、冲量式质量流量计、差压式质量流量计、双涡轮式质量流 量计和科里奥里质量流量计等。 天津大学硕士学位论文第二章配气仪系统设计 与其他形式的质量流量计相比较，热式质量流量计能够测量极低流速的微小 流量。它的结构中不存在可动部件，可靠性高。如无分流管的热分布流量计没有 阻流元件测量不会引起压力损失；带分流管的热分布式或侵入式流量计虽有阻 流件，但压力损失很小。 配气仪测量的气体流速低，量程比很宽；而质量流量控制器正是在测量低流 速和宽量程方面优点十分突出，因此选用质量流量控制器作为系统的流量传感 器。 质量流量控制器优势在于： ( i ) 压损低，流量范围度太，高精度、高重复性和高可靠性，以及可用于 极低气体流量监测和控锖0 等特点。 ( 2 ) 无可动部件，不易损坏并可避免囡旋转、移动或震动等原因造成的 部件磨损、断裂和疲劳裂缝，因此使用时间长，维护量极低。 ( 3 ) 工艺系统增加有效压降很小，系统压力损失可以忽略不计。 ( 4 ) 低流量测量最为敏感，这是其他流量计难以相比的。量程范围宽，可 达到l o o o t1 。 系统选用图2 - 2 所示的七星华创公司生产的0 7 系列h e 质量流量控制器， 零气质量流量计满量程为5 s l m ( 5 升分钟) 原料气质量流量计，o5 s l m ( o5 升分钟) ，精度i f s 。在质量流量控制器中气体质量流量是用标准状态下的体 积流量来表示。 圈2 2 质量流量控制器 天津大学硕士学位论文第二章配气仪系统设计 质量流量控制器原理图如下图2 3 所示：采用的是毛细管传热温差量热法， 是利用传热原理，即流动中的流体与热源( 流体中加热的物体或测量管外加热体) 之间热量交换关系来测量流量，具有温度压力补偿特性。将传感器加热电桥测得 的流量信号送入放大器进行放大，放大后的流量监测的电压与设定电压比较，再 将差值信号放大后控制调节阀门，闭环控制通过通道的流量，使之与设定的流量 相等。 1 0 0 0 设定一 j h “。 一 流量显示 一内，外 一- l - 4 - 一一 电源 鲤= 塑：塑旦设定 鲤= 蔓塑堕流量检测 l 一 一型o 电平 o u t ：s e t 质量流量 控制器 p - 、 一 图2 3 质量流量计工作原理图 图2 4 质量流量计电桥原理图 9 天津大学硕士学位论文第二章配气仪系统设计 流量计测量电路如图2 4 所示，在气体管道一边开一个倒u 型的毛细管通道， 并在毛细管通道上缠绕两组相同温度下阻值相同的热敏线圈，两个热敏线圈与固 定阻值电阻构成测量电桥，当线圈1 和线圈2 阻值发生变化的时，测量电桥的输 出电压也发生变化。当热敏线圈通过恒定的电流，如果管道内没有气体流过的时 候，两线圈的温度相同，其阻值也相同，测量电桥输出电压为零。有气体流过的 时候，由于气体对热量起携带作用，使得毛细管下游处聚集热量，下游处的热敏 线圈2 的温度高于下游处热敏线圈l 的温度，从而导致两个热敏线圈的电阻的变 化，测量电桥的输出电压发生相应变化。根据电桥的输出电压u 可以求得两个 热敏电阻的温度差值( t ) ： 舻坟 公式( 2 4 ) 由于供给热敏线圈的加热电流是恒定不变的，两个热敏线圈单位时间内的总 发热量q 是恒定的，设单位气体温度每变化一度的热容量为c ，我们可以认为 热敏线圈单位时间所发的热量由流体从上游携带到下游导致上下游温度差，则流 过毛细管道的气体的质量m l 可由下式( 2 5 ) 求出： m i = q ( c x z x ( t ) ) 公式( 2 5 ) 因此，只要获得测量电桥的输出电压，就可以确定流经毛细管道的气体的质 量流量，根据克努曾公式可以求出两端压力差为p 、直径为d 、长度为l 、气体 密度为p 的管道每秒流过的气体的质量为： m = 岳d 32 x 丽 公式( 2 6 ) 因为流经管道质量流量m 2 与毛细管的质量流量m 1 的管道两端压力差p 、长度 l 、气体密度p 相同，所以流经管道质量流量m 2 与毛细管的质量流量m i 的为： 等= d ；l 1 d 3 l 2 公式( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可知，流经毛细管与主管道的流量比只与毛细管和主管道的尺 寸有关，求出流经毛细管的质量流量就可以求出主管道的质量流量【18 1 。由公式 ( 2 6 ) 可以直接测量流体的质量流量，这样就不需要知道流体的密度和容积， 即流体的质量流量也就和流体的温度、压力等参数无关。值得指出的是，气体质 量流量用标准状态下的体积流量来表示，质量流量单位规定为：s c c m _ 标准 1 0 天津大学硕士学位论文第二章配气仪系统设计 状态毫升份；s l m 标准状态升分。 2 3 流量控制方案 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可 靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性 控制系统。p i d 控制算法也有它的局限性和不足，由于p i d 算法只有在系统模型 参数为非时变的情况下，才能获得理想的效果。当一个调好参数p i d 控制器被 应用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。 自动化在向人工智能的方向发展，现代工业的高速发展使原始，单一的控制 技术已经很难适应现代控制的要求。智能控制在近几十年来，得到快速的发展， 智能控制技术的方法实现即智能控制类型，归纳有专家控制，自学习控制，模糊 控制，神经网络控制，分层递阶控制，拟人智能控制等方式。 自从1 9 6 5 年l a , z a d e h 提出模糊集合论以来，模糊数学得到了迅猛发展， 出现了一种把逻辑规则的语言表达转化为相关控制量的思想，从而为经典模糊控 制的形成奠定了理论基础，模糊逻辑控制成为非线性系统建模和控制的一种有效 的方法，在实际工程中得到了许多成功的应用。模糊控制具有以下特点： ( 1 ) 不需要知道被控对象( 或过程) 的数学模型。 ( 2 ) 易于实现对具有不确定性的对象和具有强非线性的对象进行控制。 ( 3 ) 对被控对象的参数变化具有较强的鲁棒性。 ( 4 ) 对于控制系统的干扰具有较强的抑制能力。 模糊控制是一种非线性控制，鲁棒性强，适于解决常规控制难以解决的非线 性、时变及滞后系统，具有人的智能化。气体流速系统，难以确定其数学模型， 参数多，数学运算较复杂，模糊控制正适合对流速系统进行控制。控制系统将选 用模糊控制法设计模糊控制器，实现对气体流速的精确控制。 2 4 本章小结 本章介绍了几种主要的配气方案，并分析它们的优缺点，最终选择质量流量 比法作为构建系统的方案，最后介绍系统主要组成部分的方案选择，从各方面考 虑选择最适合的，流量控制器和流量控制算法。 天津大学硕士学位论文第三章气体流量模糊控制器设计 第三章气体流量模糊控制器设计 本章将结合气体流量控制特点，详细介绍气体流量模糊控制设计过程，并对 设计的二维模糊控制进行了验证，模糊控制取得良好的控制效果。 3 1 模糊控制流程 模糊逻辑控制的基础是模糊集合理论和模糊逻辑【2 8 1 ，模糊逻辑控制器( f l c f u z z yl o g i cc o r m f l l e r ) 就是用模糊逻辑模仿人的逻辑思维来对无法建立数学模 型的系统实现控制的设备【3 8 1 。模糊逻辑控制器一般简称为模糊控制器。图3 1 给 出了模糊逻辑控制器的基本结构图，它包括三大部分：模糊化接口、模糊推理机 和解模糊接口。 图3 一l 模糊逻辑控制器的基本结构图 推理机是由知识库( 数据库和规则库) 和推理决策逻辑来提供模糊推理算法 1 2 天津大学硕士学位论文 第三章气体流量模糊控制器设计 要实现语言控制的模糊逻辑控制器，就必须解决三个基本问题【4 3 1 。 第一是先通过传感器把要监测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它转 换成精确的数字量，精确输入量输入至模糊逻辑控制器后，首先要把这精确的输 入量转换成模糊集合的隶属函数，这一步就称为精确量的模糊化或者模糊量化； 其目的是把传感器的输入转换成知识库可以理解和操作的变量格式。 第二是根据有经验的操作者或者专家经验制定出模糊控制规则，并进行模糊 逻辑推理，以得到一个模糊输出集合即一个新的模糊隶属函数，这一步称为模糊 控制规则形成和推理；其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则 确定其适配的程度，并且通过加权计算合并那些规则的输出。 第三是根据模糊逻辑推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找一个具 有代表性的精确值作为控制量，这一步称为模糊输出量的解模糊判决；其目的是 把分布范围概括合并成单点的输出值，加到执行器上实现控制。 3 2 气体流量模糊控制器结构 流量控制是通过调整调节阀的开度大小来达到控制管道中的流量。控制器根 据流量计输入的信号与流量设定值作比较处理后得出一个偏差信号来输出控制 量。对这一类流量控制器，只要偏差相同，不管偏差快速增加还是在快速减小， 采取的控制行为却是相同的。这必将导致控制性能变差四】。 采用二维控制结构，加入流量偏差变化率的影响。如当流量偏差较大，而流 量偏差变化率使得偏差快速减小时，控制量也应当适当减小，不至于超调过大。 将流量偏差e 和流量偏差的变化c c 作为输入语言变量，这时的模糊控制器 就类似于一个p d 控制器，从而有利保证系统的稳定性，减少响应过程的超调量 以及削弱振荡现象。 图3 2 模糊控制器结构图 天津大学硕士学位论文第三章气体流量模糊控制器设计 上图3 2 为模糊控制器结构图： 图中e 为流量偏差，c c 为流量偏差变化率，i i 为模糊控制器输出的控制量。 模糊控制器的输入定义为： e ( k ) = n 1 n o公式( 3 1 ) e c ( k ) = e ( k ) e ( k 1 ) 公式( 3 2 ) 1 1 0 为设定流量值，n l 为反馈得到的流量值；e ( k ) 为某时刻的偏差量，e ( k - 1 ) 为前一时刻的偏差量。气体质量流量用标准状态下的体积流量来表示。 由键盘输入的配气参数经a r m 处理器计算处理后，得到对应的流量设定信 号( 设为a ) ，处理器通过模拟串口时序的方式将a 输入到d a 转换器中。d a 转换后得到流量电压信号，并将其输出到质量流量控制器中实现流量的设定。由 质量流量控制器反馈回的流量信号经a d 转换后，以数字量的形式输入到处理 器中。处理器根据反馈回的流量信号与设定的流量信号相比较得到流量偏差e ， 并通过进一步计算得到偏差变化率e c ，这时的e 和e c 为物理论域里的值，处理 器将偏差c 、偏差变化率e c 进行模糊化后，得到转化为模糊论域里的e 和e c ， 根据e 和e c 的值查询模糊判决表，将查询到的值u 乘以比例因子，进行反模 糊后得到补偿控制量u ；处理器再将控制量( 前一次采样得到的反馈流量信号值 + u ) 经d a 输出以控制质量流量控制器，实现流量趋于设定值。 3 3 变量语言值分档和模糊论域分级 本系统的语言变量为“流量偏差( e ) 、“流量偏差变化率( e c ) ”和“质量流 量控制器的补偿电压控制量( t o 。 偏差的语言值取为： 负大( n b ) ，负中( n m ) ，负小( n s ) ，零( z ) ，i e d , ( p s ) ，正 中( p m ) ，正大( p b ) ) 。 偏差变化率的语言值取为： 负大( n b ) ，负中( n m ) ，负小( n s ) ，零( z ) ，正小 ( p s ) ，正q h ( p m ) ，正大( p b ) 。 控制量的语言值取为： 负大( n b ) ，负中( n m ) ，负小( n s ) ，零( z ) ，正小( p s ) ， 正中( p m ) ，正大( p b ) ) 。 为在实时控制中避免模糊关系矩阵合成运算中占用处理器大量计算时间，采 取在脱机状态下将全部输入输出之间关系计算出来，形成一张控制表( 响应表) 存 入微处理器的数据寄存器中，在某一采样时刻根据输入变量直接去查控制表就可 以得到输出响应。 1 4 天津大学硕士学位论文 第三章气体流量模糊控制器设计 控制表是以整数表示输入量和控制量的。为了能生成控制表，在合成推理规 则中，要求将就是具有清晰性的基本论域转换成有限个数的模糊论域，也就是把 连续变化论域离散化成为离散论域。 由于语言变量值的档数不能过多也不能过少( 一般r n = 2 1 0 档) ，一般地模糊 论域的元素个数为2 n + 1 个。 将其转化为整数论域，即：e = n ，n + l ，1 ，0 ，l ，n - 1 ，n = ( - 6 ， 5 ，4 ，3 ，2 ，一1 ，0 ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ) ； e c - - ( - 6 ，一5 ，4 ，一3 ，2 ，1 ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，“，+ 5 ，+ 6 ) ； 输出量u 的论域分为1 3 挡，为： u = ( 6 ，5 ，4 ，3 ，2 ，1 。0 ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ，+ 6 ) 。 3 4 确定模糊子集隶属函数及表示 隶属函数的形状在达到控制要求方面并无大的差别，但隶属函数的幅宽大小 对性能影响较大。输入输出的隶属度函数通常有三角型、梯型和正态型等几种形 式【17 1 。 根据人的思维特点，对事物的判断往往沿用正态分布，正态分布也比较符合 实际事实，而且相比其它曲线，正态分布曲线能更好地模拟人的智能活动。事物 的发展也具有很多模糊性，模糊数学中正态型隶属度曲线能很好的反映事物的发 展趋势【7 1 ，虽然它的计算比较复杂些，但控制精度较高。因此选用正态型隶属度 函数作为模糊子集的隶属函数。 模糊变量e 隶属函数图如下图3 3 所示： 图3 - 3 模糊变量e 隶属函数 1 5 天津大学硕士学位论文第三章气体流量模糊控制器设计 流量偏差隶属函数的形状越陡，分辨率就越高，控制灵敏度也较好；相反若 隶属度函数的变化缓慢，则控制特性也较平缓，系统的稳定性会较好。因此，在 选择语言值的隶属函数时，在流量偏差为零的区域，如图3 3 中的o 、p s 和n s 隶属函数，采用分辨率较高的隶属函数，而在流量偏差较大的区域，如图中的 p b 和n b 隶属函数，为使系统具有良好的鲁棒性，可采用分辨率较低的隶属函 数。由于e c 和u 的隶属函数和e 隶属函数的相似，在此不一一列举。 为精确表示各模糊变量的量值关系，下面以列表的形式给出了流量偏差信号 和偏差变化率和输出补偿控制量的隶属度赋值表。 1 模糊变量e 隶属度赋值表3 1 ： 表3 1 模糊变量e 隶属度赋值表 e654- 3210+ 1+ 2+ 3“+ 5+ 6 p boo00o00ooo 10 4o 81 0 p mo o0 o00 0o 0 2 0 7 1 o o 7o 2 p so00ooo 。0 2o 71 00 7o 2oo z00o00 1o 61 o0 60 100o0 n s 0 0o 20 71 oo 7o 2oo 0 0 00 n m0 20 71 0o 70 20oo0o000 n b1 0o 80 40 1o0oo0o00o 2 模糊变量e c 隶属度赋值表3 2 ： 表3 2 模糊变量e c 的隶属度赋值表 e c65432 1 o+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5 + 6 p b000000000o 10 40 81 0 p mo00000000 20 71 o0 70 2 p s 00 00o 0 o 2 0 7 1 0 o 70 2 0 0 oo00000 51 00 5oo0oo n s 0 o 0 2 0 71 0 0 70 2000 o0 0 n m0 2o 71 0o 70 200oo00o0 n b 1 0 o 80 40 1o o 0 000 0o 0 1 6 天津大学硕士学位论文 第三章气体流量模糊控制器设计 3 控制输出量u 的隶属度赋值表3 3 ： 表3 3 控制输出量u 的隶属度赋值表 u654321o+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 p b0oo0oooo00 10 4o 81 0 p m0000oo0o0 20 71 00 70 2 p so0ooo00 20 71 00 70 20o oo000oo 51 o0 5oo000 n so0o 2o 71 00 70 2000000 n mo 2o 71 oo 70 200o0000 0 n b1 0o 80 4o 1o00o00000 3 5 建立模糊规则 首先考虑气体流量偏差为负的情况，当流量偏差为负大时，若当流量偏差变 化为负，这时流量偏差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大偏差并抑制变大， 所以控制量变化取正大。 当流量偏差为负而流量偏差变化为正时，系统本身已有减少偏差的趋势，所 以，为尽快消除偏差且又不超调，应取较小的控制量。当偏差为负大且变化量为 正小时，控制量的变化取为正中，若偏差变化为正大或正中时，控制量不宜增加， 否则造成超调会产生偏差，因此控制量变化取为0 等级。 当气体流量偏差为负中时，控制量的变化应该使偏差尽快消除，基于这种原 则，控制量的变化选取同偏差负大时相同。 当气体流量偏差为负小时，系统接近稳态，但偏差变化为负，选取控制量变 化为正中，以抑制偏差往负方向变化；若偏差变化为正时，系统本身有消除负小 的偏差的趋势，选取控制量变化为正小。 确定模糊控制规则的原则是必须使系统输出响应的动态以及静态特性达到 最佳。当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时， 选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。 根据以上基本思想，模糊规则可以写成一系列的i f - t h e n 语句，由于e ，e c 各 有7 个语言输入值，故共有7 x 7 = 4 9 条i f - t h e n 语句，即： r 1 ： i fe _ n ba n de c = n bt