专利名称：一种科氏质量流量计数字闭环控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种科氏质量流量计数字闭环控制系统，采用乘法数字模拟转换器 MDAC与非线性幅值控制相结合的方法对科氏质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter,以下简称CMF)进行快速稳定的闭环控制。
背景技术：
流量计量在工业过程控制中占有重要地位，CMF作为一种直接敏感流体质量流量的测量仪表，具有很多其他流量传感器无法比拟的卓越的性能。因此，它广泛应用于食品、 石油、化工等领域中，并且有继续扩大的趋势。CMF主要由传感器部分和二次仪表部分组成，传感器部分主要包括激振器、测量管、拾振器，二次仪表部分主要包括闭环控制系统和流量解算系统。其中闭环控制系统的功能是使CM F的测量管以其谐振频率稳定振动，为解算系统提供解算信号，它是CMF正常工作的关键，其性能直接决定流量解算精度。闭环控制系统必须同时满足幅值条件和相位条件。传统的闭环控制系统使用模拟电路实现，电路复杂，且普遍使用模拟器件搭建而成，受温度、噪声影响较大，抗干扰能力差，容易产生零漂，导致测量精度较低，甚至使得测量管无法正常工作。因此，近年来，数字闭环控制技术正逐渐发展。数字闭环控制技术由国外率先提出，至今已发展二十多年。英国Oxford大学的 Manus P. Henry和Mayela Zamora提出了一种控制方法，该方法描述了四种模式随机序列模式、零输出模式、正反馈模式和数字合成模式。首先生成随机频率和幅值的正弦信号激励测量管，经过一段时间后，进入零输出模式；在固定时间里，激励信号一直为零，待测量管稳定在谐振频率后，进入正反馈模式；处理器计算出振动管振动的频率和相移大�。� 进入数字合成模式，产生激励信号。该方法利用ADC、DAC、FPGA和高速处理器搭建数字闭环控制系统，实时监控传感器的振动状态，具有较好的控制效果。但是该方法必须预先建模得到测量管的工作频率范围，且每次控制必须测量其振动频率，控制过程复杂，对处理器速度要求较高。另外，硬件使用分离的�？榇罱ǘ桑啥鹊停杀竟撸拗屏似渫乒阌τ谩�(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).
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种科氏质量流量计数字闭环控制系统，简化了电路，实时跟踪测量管的振动频率，提高了 CMF闭环控制性能，保证传感器正常稳定工作，一定程度上提高了 CMF的测量精度。本发明的技术解决方案一种科氏质量流量计数字闭环控制系统包括限幅电路、反相放大器、有效值转换器、模拟数字转换器(ADC)、处理器、乘法数字模拟转换器 (MDAC)和放大器；拾振器输出的振动信号经过限幅电路限幅、反相放大器放大，由有效值转换器将放大后的信号转换为有效值，ADC对所述有效值进行采样测量送至处理器中；处理器将所述有效值与预先设定的目标有效值进行比较得到误差值，并利用非线性幅值控制方法实时调整MDAC输出信号的幅值，其实现过程为测量管在振动过程中，当误差值高于某一阈值时，处理器控制MDAC输出最大幅值的激励信号；当误差值小于该阈值时，使用参数自整定PI控制方法调节激励信号的幅值；所述MDAC输出信号的幅值经放大器放大后作为激励信号传至激振器，使测量管以稳定的幅值振动；同时MDAC的基准电压由经过反相放大器放大后的振动信号直接提供，所述MDAC被设为反相输出，即输出电压与基准电压反相，两次反相后，硬件上实现固定相移360°，满足闭环控制的相位条件，同时使得MDAC输出的正弦信号频率与拾振器输出的信号频率保持一致，以跟踪测量管的振动频率，当测量管稳定振动时，此时的振动频率即为科氏质量流量传感器的测量管的谐振频率。为了缩短该闭环控制系统的响应时间，根据误差值大�。髡鸓ID控制器的PI环节的比例系数Kp和积分系数Ki，使得拾振信号有效值能快速达到设定值，从而使闭环系统能够更快进入稳定工作状态。本发明的原理本发明使用MDAC与非线性幅值控制相结合的方法实现CMF闭环控制。硬件上使用MDAC与处理器产生激励信号，由于MDAC的基准电压由测量管的振动信号经过反相放大后直接提供，而MDAC被设定为反相输出，两次反相使得输出的激励信号频率和相位与测量管的振动信号保持一致，因此，硬件上即可满足闭环系统的相位条件，软件只需控制激励信号幅值，满足闭环系统的幅值条件即可。利用有效值转换电路将正弦信号转换为有效值，使用高精度A/D测量该正弦振动信号的有效值，与预先设定的有效值比较，求得误差值，并根据其大�。捎梅窍咝苑悼刂品椒ǖ髡鸐DAC的输出激励信号幅值，使其满足幅值条件。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明采用MDAC输出CMF激励信号，该MDAC基准电压由测量管振动信号即拾振器输出信号经过反相放大后提供，而MDAC被设定为反相输出，两次反相使得输出的激励信号频率和相位与测量管的振动信号保持一致，硬件上即可满足闭环控制的相位条件，简化了软件部分的设计；(2)本发明采用非线性幅值控制方法实时调整MDAC的数字量，使其输出幅度适当的激励信号。即当误差值达到某一阈值时，MDAC输出最大幅值的正弦信号，一旦误差小于该阈值，则使用参数自整定PI控制方法调整MDAC输出信号的幅值。为提高闭环控制系统的性能，缩短响应时间，使测量管快速调整到设定幅值以谐振频率稳定振动，根据误差值大�。实钡髡鸓I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，使用器件较少，大部分为数字器件，避免了模拟器件引入过多噪声的状况，减少了噪声源，具有较强的抗干扰能力，同时也降低了成本，具有一定的市场推广潜力。
图1为本发明的结构框图；图2为本发明处理器实现流程图；图3为本发明的参数自整定PI控制结构图；图4为典型的U型管CMF结构图。
具体实施例方式如图1所示，本发明所述的科氏质量流量计数字闭环控制系统2包括限幅电路 3、反相放大器4、有效值转换器5、模拟数字转换器(ADC)6、处理器7、乘法数字模拟转换器(MDAC)S和放大器9。其中限幅电路3、反相放大器4、有效值转换器5、模拟数字转换器(ADC)6组成有效值检测器，检测测量管11的振动信号有效值；乘法数字模拟转换器 (MDAC)S和放大器9组成激励信号发生器，产生幅值可变的激励信号驱动测量管11振动。如图2所示，本发明的处理器7通过串口设置测量管11振动信号的目标有效值， 有效值转换器5和ADC6对拾振器12输出的正弦信号进行有效值检测，处理器7将检测到的有效值信号与预先设定的目标有效值比较，如果误差大于某一阈值，则控制MDAC 8输出幅值最大的正弦信号，反之，则使用参数自整定PI控制方法调整MDAC 8的数字输入量，处理器7控制MDAC8产生相应幅值的正弦信号，经过放大后作为激励信号传至激振器10，反复调整测量管11的振动状态，直到测量管11在其谐振频率处以恒定的振幅振动。如图3所示，本发明采用参数自整定PI控制方法，根据误差值大�。髡鸓ID控制器的PI环节的比例系数Kp和积分系数Ki，即当误差绝对值较大(本发明范围取大于等于 50)时，Kp取较大值(本发明取25)，Ki取零；当误差绝对值为中等大小(本发明范围取大于等于10，小于50)时，Kp取中等值(本发明取20)，Ki取较小值(本发明取0.0005)；当误差绝对值继续减小(本发明范围取大于等于1，小于10)时，Kp应取较小值(本发明取 5)，Ki取中等值(本发明取0.01)；当误差绝对值达到最小(本发明范围取小于1)时，Kp 应取中等值(本发明取10)，Ki取最大值(本发明取0. 02)，使得拾振信号有效值能快速达到设定值，从而使闭环系统能够更快进入稳定工作状态，该方法比传统的PI控制方法响应速度更快。有效值检测功能主要由反相放大器4、有效值转换器5和模拟数字转换器6实现， 有效值转换器5可以采用AD637等，模拟数字转换器6可以采用ADS7816等，反相放大器4 实现放大倍数为7. 4倍。处理器7可以选用常见的单片机或数字信号处理器等实现，如C8051F310等。激励信号发生功能由乘法数字模拟转换器(MDAC) 8和放大器9实现，其中MDAC的特点是基准电压可调整，如AD公司的ADM^等，放大器9实现放大倍数为11倍。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种科氏质量流量计数字闭环控制系统，其特征在于包括限幅电路(3)、反相放大器G)、有效值转换器(5)、模拟数字转换器(ADC) (6)、处理器(7)、乘法数字模拟转换器 (MDAC)⑶和放大器(9)；拾振器(12)输出的振动信号经过限幅电路(3)限幅、反相放大器 (4)放大，由有效值转换器( 将放大后的信号转换为有效值，ADC(6)对所述有效值进行采样测量送至处理器(7)中；处理器(7)将所述有效值与预先设定的目标有效值进行比较得到误差值，并利用非线性幅值控制方法实时调整MDAC(S)输出信号的幅值，所述非线性幅值控制方法实现过程为测量管(11)在振动过程中，当误差值高于某一阈值时，处理器(7) 控制MDAC (8)输出最大幅值的激励信号；当误差值小于该阈值时，使用参数自整定PI控制方法调节激励信号的幅值；所述MDAC(S)输出信号的幅值经放大器(9)放大后作为激励信号传至激振器(10)，使测量管(11)以稳定的幅值振动；同时MDAC(S)的基准电压由经过反相放大器⑷放大后的振动信号直接提供，所述MDAC(8)被设为反相输出，即输出电压与基准电压反相，两次反相后，硬件上实现固定相移360°，满足闭环控制的相位条件，同时使得 MDAC(S)输出的正弦信号频率与拾振器(1 输出的信号频率保持一致，以跟踪测量管(11) 的振动频率，当测量管(11)稳定振动时，此时的振动频率即为科氏质量流量传感器(1)的测量管(11)的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的科氏质量流量计数字闭环控制系统，其特征在于所述的PI 控制方法为参数自整定的PI控制方法，即根据误差绝对值所处的范围，调整PI环节的比例系数Kp和积分系数Ki，具体实现过程为当误差绝对值较大时，Kp取较大值，Ki取零；当误差绝对值为中等大小时，Kp取中等值，Ki取较小值；当误差绝对值继续减小时，Kp取较小值，Ki取中等值；当误差绝对值达到最小时，Kp取中等值，Ki取最大值。
全文摘要
一种科氏质量流量计数字闭环控制系统包括限幅电路、反相放大器、有效值转换器、模拟数字转换器、处理器、乘法数字模拟转换器和放大器。拾振器输出的振动信号经过反相放大器放大，有效值转换器将放大后的信号转换为有效值，处理器通过ADC对该有效值进行采样测量，并与预先设定的目标有效值进行比较，得到误差值。利用非线性幅值控制方法实时调整MDAC输出信号的幅值，该信号经放大器放大后作为激励信号传至激振器，使测量管以稳定的幅值振动。当测量管稳定振动时，此时的振动频率即为科氏质量流量传感器的测量管的谐振频率。本发明的数字闭环控制系统响应时间短，抗干扰能力强，适应性广，可扩展应用于谐振式传感器闭环控制。
文档编号G01F1/84GK102393661SQ20111028130
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者樊尚春, 王帅, 胡纯, 郑德智 申请人:北京航空航天大学
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