气体压力闭环控制系统设计

1．2．1 主程序模块
主要是声明成员变量，调用硬件驱动模块和数据处理模块的已经定义好的类函数。主程序根据气压表模块输出的压力值，然后用数据处理模块进行数据分析，根据压力值的变化来闭环控制步进电机转动的方向，压力变化过快，则需要减小精密阀门开度，电机反转，压力变化过慢则电机正转，使压力上升速度在一个安全高效的范围内。
1．2．2 硬件驱动模块
硬件驱动模块用于对硬件设计部分主要仪表的控制和驱动，主要包括气压表模块、步进电机模块和串口模块，各分模块也是均以类的形式进行封装。
气压表模块，表1和表2在气压表内部可以进行初始设定编号01，02，表1负责放气时的气压读数，表2负责充气。气压表实时监测高压管路的压力值，实际上一秒最多可采集数据20次，PC机通过串口模块实时向气压表发送命令“@01!”、“@02!”，通过MFC对话框的形式实时接收气压表返回的压力值，经过数据处理，得出压力值变化的速度来闭环控制步进电机，使充放气速度在一个安全高效的范围。
步进电机模块，直接发送程序指令来控制电机实现各个动作。电机步距角为1．8°／步，细分50时，转动一圈需要10 000个脉冲，在导轨上从原点至终点共需6．5圈65 000个脉冲。这里将平面直角坐标系引入模块中，将步进电机的行程65 000个脉冲均分为100份，坐标原点设为阀门完全关闭点，坐标100处阀门完全打开。在步进电机控制中引入坐标系，可以通过对坐标点的标定来定位电机，有以下几大好处：
(1)利于闭环控制程序的编写。闭环控制可用一个循环程序来实现，有了坐标系，就可以方便定义一个位置变量，以压力变化快慢作为循环条件，位置变量作相应的增减，即可控制电机的正反转，改变精密阀门的行程，调节阀门开度实现气压控制；
(2)限制步进电机的行程。步进电机的活动范围限制为坐标0～100之间，在不可见系统中解决步进电机失步碰撞问题，可以替代接近开关的作用；
(3)实时查询步进电机的位置。查询锥形活塞所处点的坐标，根据坐标和阀门旋转螺旋间距，就可以得出电机的位移，相当于一个位移传感器。
串口模块，在VC++2005对话框编辑框中添加ActiveX控件Microsoft Communication Control，给该控件命名并在对话框属性框里设置相应的参数，即可以直接调用串口。
1．2．3 数据处理模块
数据处理部分采用的是VC++和Matlab混合编程的方法，VC作为客户端，利用其能够简单地同底层硬件资源进行通信的优点，将数据读入到内存中，再将数据送到Matlab中进行数据处理，通过调用Matlab下数字信号处理工具箱中的函数以及自己所写的函数进行分析。选用Matl-ab的C／C++编译器mcc，这种混合编程方式将．m源文件转化为C／C++等各种不同类型的源代码，并在此基础上根据应用需要生成MEX文件、独立可执行应用程序等文件类型，大大提高程序的运行速度，以及代码的执行效率。由于气压表每秒采集数据20次，为了精确地实现闭环控制，把20组数据进行多项式最小二乘法曲线拟合，建立第1s内气压随时间变化的函数模型：

在Matlab中调用回归命令：A=polyfit(T，P，n)，其中：T=O：O．05：1；P=[p0，p1，…，pn。]可以通过气压表的读数得到；A=[an，…，a1，a0]，是多项式(1)的系数；n为多项式的次数。
预测气压的变化速度：

多项式拟合数据的模型随着阶次n的选择不同而不同。虽然n+1个数据点可以确定惟一的n阶多项式，但实践证明并不是阶次越高拟合越好，有时会发生阶次越高越不精确的情况。曲线拟合时应该根据实际情况凭借经验及观察选择拟合次数，注意检验结果，比如观察曲线是否平滑、拟合误差是否足够小等，力求准确全面地描述输入数据之间的关系。由每秒的模型得出连续的气压模型函数和气压变化速度函数，根据气压变化速度函数在各个时间点上的值来判断步进电机正转还是反转。数据处理模块也是以类的形式封装起来，供主函数调用。

2 实验与分析
气体压力闭环控制装置已经应用于某型装备故障检测中，对高压充气速度进行控制，在试验时，装置连接在管路中，通过对电机的控制实现对充气速度的调节，从而完成所需试验数据的采集。通过多次试验，验证了系统的稳定可靠性和高精度的控制充气速度。

3 结论
气体压力闭环控制系统的设计在某型装备故障检测中已得到较好的实现。设计中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法，这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。坐标系引进步进电机行程的方法，可以成功解决步进电机失步碰撞问题，能够确保系统正常运行。