??? 為提高對(duì)壓力的測(cè)量精度,，首先必須確保測(cè)控系統(tǒng)具有很好的抗干擾能力，因此,，系統(tǒng)采用抗干擾性能超強(qiáng)的單片機(jī)STC89C51作為控制芯片,。該芯片具有高抗靜電性即ESD保護(hù)，輕松通過(guò)2kV/4kV快速脈沖干擾,，寬電壓,、不怕電源抖動(dòng)，內(nèi)帶看門(mén)狗電路和E²PROM,，支持程序串口下載,，能很好地滿足系統(tǒng)的可靠性及控制要求,。
??? 實(shí)驗(yàn)室中的控制對(duì)象為液壓壓力試驗(yàn)系統(tǒng),，硅壓阻將壓力信號(hào)變?yōu)殡娮栊盘?hào)，再通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐忿D(zhuǎn)化為電壓信號(hào),，并經(jīng)放大濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器,；然后輸出BCD碼進(jìn)入CPU，通過(guò)軟件對(duì)所測(cè)電壓進(jìn)行數(shù)字非線性校正,，同時(shí)將所測(cè)壓力在LED上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,。通過(guò)系統(tǒng)程序，對(duì)PID運(yùn)算以及輸出進(jìn)行控制,，最終由CPU給出控制壓力回路的有效電壓,，通過(guò)移相調(diào)壓達(dá)到調(diào)壓目的。
1.1 檢測(cè)部分
??? 大多數(shù)壓力檢測(cè)電路都采用恒流源或恒壓源,，也有采用比例法的,。其實(shí)質(zhì)是無(wú)論采用恒流源或恒壓源對(duì)壓力傳感器供電，都是希望在最后消除電壓或電流的影響,。經(jīng)綜合比較,，恒流源受環(huán)境影響小,、抗噪聲能力強(qiáng)，所以采用恒流源,。為保證壓敏元件不受流過(guò)本身電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響,，恒流源的電流信號(hào)應(yīng)不大于1mA，這里選用1mA,。前端信號(hào)的檢測(cè)及處理電路如圖2所示,。選用HKM-375型硅壓阻式壓力傳感器來(lái)采集壓力變化的信號(hào)，采用三線制接線,。

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??? 從圖2可以得出檢測(cè)電路的輸出電壓為：
??? UP=KIΔR_{P????????????????????????????????????????????????} (1)
式中：K為放大器的增益,，I為恒流源的電流，ΔR_P為壓力傳感器的電阻隨壓力變化產(chǎn)生的改變值,。
?? ?為保證精度,，電阻R₀、R₁,、R₂,、R₃、R₄和R₅均用精密電阻,，一旦阻值確定,，K即為一個(gè)固定值，幾乎不受環(huán)境影響,。但是恒流源并非真正意義上的“恒流”,，LM332的溫度系數(shù)為0.33%/℃。當(dāng)系統(tǒng)工作于不同環(huán)境,、不同季節(jié)時(shí),，恒流源的電流有一定的波動(dòng)^[5]。
??? 由于放大器每級(jí)輸出存在誤差,，給測(cè)量精度帶來(lái)了較大影響,，故系統(tǒng)通過(guò)軟件對(duì)實(shí)測(cè)壓力與采樣值的關(guān)系數(shù)據(jù)作曲線擬合，從而對(duì)放大器進(jìn)行誤差校正與補(bǔ)償,。
1.2 控制部分
??? 控制部分采用移相調(diào)壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,，硬件電路如圖3所示。

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??? 由于對(duì)電容C的充放電,，使得在A點(diǎn)的電壓波形為與正弦波同步的鋸齒波,，為了得到質(zhì)量更好的波形，在前端還加了有源運(yùn)放,，通過(guò)示波器觀察,，波形下降段的角度非常接近90°。調(diào)整R,、C的參數(shù),，可以改變鋸齒波的幅值,。B點(diǎn)為控制電壓，它是PID運(yùn)算后得到的數(shù)字控制量再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出所得到的直流電壓,。A,、B兩點(diǎn)的電壓信號(hào)作為比較器輸入，當(dāng)B點(diǎn)電壓高于A點(diǎn)電壓時(shí),，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)輸出低電平,，即在可控硅的開(kāi)通時(shí)刻得到脈沖電壓。顯然,，B點(diǎn)的信號(hào)幅值決定移相角的大小,，調(diào)節(jié)該信號(hào)即可控制可控硅輸出電壓的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)液壓閥開(kāi)度的目的,。
1.3 人機(jī)接口
??? 系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤(pán)與240×180點(diǎn)陣液晶模塊作為信息輸入輸出設(shè)備,。鍵盤(pán)通過(guò)優(yōu)先編碼器74LS148與單片機(jī)相連，定義了菜單,、菜單項(xiàng)上翻/數(shù)據(jù)增,、菜單項(xiàng)下翻/數(shù)據(jù)減、確認(rèn)等4個(gè)功能按鍵,。液晶模塊顯示控制參數(shù)信息或在溫控過(guò)程中顯示實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù),。兩者構(gòu)成了友善的人機(jī)交互界面。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 主程序主要處理系統(tǒng)初始化,、掃描鍵盤(pán),、采樣壓力值，并對(duì)采樣數(shù)值進(jìn)行數(shù)字濾波,、顯示壓力及控制輸出等工作,。主程序流程圖如圖4所示。定時(shí)器T0用于定時(shí)控制采樣的時(shí)間,。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期為3s,，而控制周期為1s,。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定初始比例系數(shù),、積分系數(shù)及設(shè)定壓力，輸入后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份,，即將參數(shù)存入單片機(jī)內(nèi)E²PROM中,。

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??? 除了硬件濾波外，設(shè)計(jì)中還采用了數(shù)字濾波方案,，以減少干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響,，提高信號(hào)的真實(shí)性?？刂扑惴ú捎梅e分分離的數(shù)字PID算法,，以防止超調(diào)量過(guò)大,，對(duì)于電阻爐這樣純滯后的環(huán)節(jié)有一定的補(bǔ)償作用。
2.1 控制算法
??? 數(shù)字PID算法用增量式表示為：

??? 由于壓力響應(yīng)具有遲滯性,，屬于一階延時(shí)系統(tǒng),，若采用常規(guī)PID算法，控制效果不好,，并且會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量,。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采用了積分分離PID算法,。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,，其性能指標(biāo)均有所提高。當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí),，取消積分作用,；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差很小時(shí)，加入積分作用,。也就是說(shuō)系統(tǒng)啟動(dòng),、停止或大幅度改變?cè)O(shè)定值時(shí)，只用比例控制和微分控制,，然后才加入積分控制,，這樣更有利于改善動(dòng)態(tài)特性和消除靜差。具體做法是：針對(duì)被控對(duì)象參量,，設(shè)定一個(gè)偏差的門(mén)限e₀,，當(dāng)過(guò)程控制中偏差 e(k)的絕對(duì)值大于e₀時(shí)，系統(tǒng)不引入積分控制,，只用PD控制,；當(dāng)偏差 e(k)的絕對(duì)值小于e(k)時(shí)，才引入積分控制,，即采用PID控制,。對(duì)計(jì)算公式的積分項(xiàng)，乘一個(gè)權(quán)系數(shù)β,。當(dāng) e(k)的絕對(duì)值小于等于e₀時(shí),，β值取1；當(dāng) e(k)的絕對(duì)值大于e₀時(shí),，β值取0,。
??? 因此，式（2）可改寫(xiě)為：

2.2 參數(shù)整定
??? 設(shè)計(jì)采用擴(kuò)充臨界比例度法整定,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量,，被控對(duì)象的純滯后時(shí)間為30s左右，因此選擇采樣周期為3s。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行一系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較,，選擇控制度為1.2,，采用PI控制。整定的各參數(shù)值如下：K_P=3.14,，T_K=180s,，T_i=0.91，T_K=163.8s,，K_i=K_PT/T_i=0.058,。經(jīng)過(guò)對(duì)參數(shù)微調(diào)，最后得出最佳PID參數(shù),，即K_P=3.14,，K_i=0.058。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的多次實(shí)測(cè),，得出控制器控制精度在±0.5℃之內(nèi),。表1為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一次數(shù)據(jù)記錄。從結(jié)果看,，當(dāng)設(shè)定壓力為25MPa時(shí),，最后穩(wěn)定壓力為25.03MPa，控制效果比較理想,。

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