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1、(10)申请公布号 CN 103092222 A (43)申请公布日 2013.05.08 CN 103092222 A *CN103092222A* (21)申请号 201210586305.6 (22)申请日 2012.12.31 G05D 16/20(2006.01) (71)申请人 孙晓君 地址 100191 北京市海淀区北四环中路 238 号百彦大厦 13 层 1301 室 (72)发明人 孙晓君 (54) 发明名称 一种压力精密调节装置 (57) 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。
2、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。 (51)Int.Cl。
3、. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103092222 A CN 103092222 A *CN103092222A* 1/1 页 2 1. 一种压力精密调节装置， 其特征性在于， 包括 ： 执行机构 (1)， 其包括弹性敏感元件 (3)、 弹性形变转换装置 (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， 腔体内部压力相等 ； 控制机构 (2)， 其包括处理器 (7)。
4、、 触摸屏 (8)、 模拟数字转换器 (9)、 压力传感器 (10)， 所述压力传感器(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， 获取当前压力值后， 所述处理器 (7) 通过 比较用户通过所述触摸屏 (8) 输入的压力设定值与压力当前值的误差值， 将所述误差值与 设定误差阈值比较后， 对所述执行机构 (1) 进行双闭环控制， 调节所述造压腔 (11) 内的压 力。 2. 如权利要求 1 所述的压力精密调节装置， 其特征在于， 所述双闭环控制进一步包括 ： 当误差值处于所述设定阈值区间之外时， 所述处理。
5、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， 通过所述弹性形变转换装置(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. 如权利要求 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 (7) 启动外环， 控制所述步进电机及驱动器 (5) 的转向、 角度， 通过所述弹性形变转换装置(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 。
6、(11) 内的压力， 进一步包括 ： 在需要升高所述造压腔 (11) 内的压力时， 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) 内的压力时， 增大所述弹性敏感 元件 (3) 的腔体体积。 4.如权利要求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、 波纹管或弹性膜片。 5. 如权利要求 1-4 任一项所述的压力精密调节装置， 其特征在于， 所述压力传感器 (10) 为硅压阻式压力传感器、 谐振式压力传感器、 电容式压力传感器。 6. 如权利要求 1-5 任一项所述的压力精密调节装置， 其特征在于， 所述模拟数字转换 器 (9) 。
7、为 - 型模拟数字转换器 (9)。 权 利 要 求 书 CN 103092222 A 2 1/4 页 3 一种压力精密调节装置 技术领域 0001 本发明涉及一种工业控制领域， 具体涉及一种压力精密调节装置。 背景技术 0002 压力测量在工业过程控制中占有重要地位， 压力校准装置的性能决定了压力仪表 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力计， 广泛应用于电力、 石油、 石化、 冶金、 制药等领域。 0003 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。
8、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力仪表。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、 癸二酸脂、 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力仪表。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， 继而达到调节压力的目的， 见图 1A 和图 1B。 0004 目前， 全自动压力校验仪的造压精度主要受制于压力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。
9、好坏。 0005 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， 但同时也增大了调节时间。增大造压腔体的容积， 则会因为容腔效应， 加剧气体的振 荡， 也会增大调节时间。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。
10、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， 进一步提高系统的成本。 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 0006 有鉴于此， 本发明的目的是提供了一种利用弹性敏感元件的形变进行压力精密调 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。 0007 为实现上述目的， 本发明采用了如下的技术特征 ： 0008 一方面， 本发明实施例提供了一种压力精密调节装置， 包括 ： 0009 执行机构 (1)， 其包括弹性敏感元件 (3)、 弹性形变转换装置 (4)。
11、、 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， 腔体内部压力相等 ； 说 明 书 CN 103092222 A 3 2/4 页 4 0010 控制机构 (2)， 其包括处理器 (7)、 触摸屏 (8)、 模拟数字转换器 (9)、 压力传感器 (10)， 所述压力传感器 (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， 获取当前压力值后， 所述处理器(7) 通过比较用户通过所述触摸屏 (8) 输入的压力设定值与压力。
12、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 (1) 进行双闭环控制， 调节所述造压腔 (11) 内 的压力。 0011 依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置， 所述双闭环控制进一步包括 ： 0012 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 ； 0013 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， 通过所述弹性形变转换装置(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。
13、) 内的压力。 0014 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 (7) 启动外环， 控制所述步进电机及驱动器 (5) 的转向、 角 度， 通过所述弹性形变转换装置(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， 进一步包括 ： 0015 在需要升高所述造压腔 (11) 内的压力时， 减小所述弹性敏感元件 (3) 的腔体体 积 ； 0016 在需要降低所述造压腔 (11) 内的压力时， 增大所述弹性敏感元件 (3) 的腔体体 积。 0017 依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置， 所述。
14、弹性敏感元件 (3) 为弹簧 管、 波纹管或弹性膜片。 0018 依照本发明较佳实施例所述的压力精密调节装置， 所述压力传感器 (10) 为硅压 阻式压力传感器、 谐振式压力传感器、 电容式压力传感器。 0019 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 - 型模拟数字转换器。 0020 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 ： 0021 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0022 (1) 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， 实现了高精度的压力稳定调。
15、节， 同时适用于气压和液压两种 系统 ； 0023 (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工 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时， 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， 则使用参数自整定 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。
16、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 说 明 书 CN 103092222 A 4 3/4 页 5 法， 极大地缩短了响应时间， 提高了抗干扰能力 ； 0024 (3) 本发明结构简单， 弹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。 附图说明 0025 图 1A 为利用电机推动活塞的液压调节机构图 ； 0026 图 1B 为利用气体推动活塞的液压调节机构图 ； 0027 图 1C 为利用电磁阀控制进气量、 出气量的气压调节机构图 ； 0028 图 2 为本发明实施例提。
17、供的压力精密调节装置的结构框图 ； 0029 图 3A 为本发明一种实施例中的弹性敏感元件及其弹性形变转换装置的示意图 ； 0030 图 3B 为本发明另一种实施例中的弹性敏感元件及其弹性形变转换装置的示意 图 ； 0031 图 4 为本发明实施例中处理器实现流程图 ； 0032 图 5 为本发明的实施例中处理器采用参数自整定 PI 控制的原理示意图。 具体实施方式 0033 下面通过附图和实施例， 对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 0034 以下结合附图， 对本发明实施例做进一步详细叙述。 0035 如图 2 所示， 本发明实施例提供了一种压力精密调节装置， 由图可见。所述装置包 括 。
18、： 0036 执行机构 (1)， 其包括弹性敏感元件 (3)、 弹性形变转换装置 (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， 腔体内部压力相等 ； 0037 控制机构 (2)， 其包括处理器 (7)、 触摸屏 (8)、 模拟数字转换器 (9)、 压力传感器 (10)， 所述压力传感器 (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， 获取当前压力值后， 所述处理器(7) 通过比较用户通过所述触摸屏 (8。
19、) 输入的压力设定值与压力当前值的误差值， 将所述误差 值与设定误差阈值比较后， 对所述执行机构 (1) 进行双闭环控制， 调节所述造压腔 (11) 内 的压力。 0038 更具体地说， 本发明实施例提供的是一种利用弹性敏感元件的形变进行压力精密 调节的装置， 其中， 弹性敏感元件 3、 弹性形变转换装置 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 的转向和力矩， 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， 则压力变大。 电机轴逆时针转动， 腔体增大， 则压力变小。 如图。
20、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， 则压力变大。 当拉动活动杆件向右运动时， 波纹管被拉 伸， 腔体增大， 则压力减小。压力传感器 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， 改变的弹性敏感元件 3 的形变， 使二者协调工作， 实现稳定、 快速地调压。 说 明 书 CN 103092222 A 5 4/4 页 6 0039 本发明的弹性敏感元件可选用如图。
21、 3A 所示的弹簧管、 如图 3B 所示的波纹管或者 弹性膜片等， 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。弹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。 0040 如图 4 所示， 本发明的处理器 7 通过触摸屏 8 接收用户设置的压力设定值， 压力传 感器 10 敏感造压腔 11 内的压力值， 经过模拟数字转换器 9 采集， 由处理器 7 解算得到压力 当前值。 0041 处理器 7 将压力设定值与压力当前值比较， 得到误差值。当误差值。
22、处于设定误差 阈值区间之外时， 处理器 7 通过参数自整定的 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 则通过参数自整定的 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。 0042 如图 5 所示， 本发明实施例中处理器 7 采用双闭环参数自整定 PI 控制方法对压力 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。
23、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 ) 时， 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。
24、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 ) 时， 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 或者弹性敏感元件 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 ) 时， 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 P。
25、I 控制方法响应速度更快。 0043 本发明实施例中的压力传感器 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力传感器。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。 0044 在一种可能的实施方式中， 考虑到压力传感器10输出的电信号一般为uA、 mV级的 微小信号， 且造压腔 11 内的压力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 - 型模拟数字转换器 9， 例如 AD7714。 0045 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。 0046 以上所述的。
26、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一步 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。 说 明 书 CN 103092222 A 6 1/4 页 7 图 1A 图 1B 图 1C 说 明 书 附 图 CN 103092222 A 7 2/4 页 8 图 2 图 3A 说 明 书 附 图 CN 103092222 A 8 3/4 页 9 图 3B 图 4 说 明 书 附 图 CN 103092222 A 9 4/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103092222 A 10 。