摘要：為滿足工業應用中對0.1%超高精度壓力控制的需要，以及替代艾默生公司電子壓力控制器TESCOM ER5000系列産品，本文介紹了相應的解決方案，同時還介紹了基于此解決方案搭建的考核試驗裝置以及測試結果，展示了此解決方案可實現0.1%超高精度的壓力控制，特别是在較高壓力區間（0.2~0.6MPa）甚至可以達到0.05%的控制精度。

為滿足工業應用中對0.1%超高精度壓力控制的需要，以及替代艾默生公司電子壓力控制器TESCOM Er5000系列産品，我們提出了相應的解決方案。本文對解決方案進行了詳細介紹，同時還介紹了基于解決方案搭建的考核試驗裝置以及測試結果，以展示此解決方案對0.1%超高精度壓力控制的實現效果。

解決方案的核心是基于電氣比例閥，而電氣比例閥的壓力控制精度普遍不高，因此通過外接更高精度的壓力傳感器和PID控制器，從而實現超高精度的壓力控制。

為了驗證此解決方案的可行性，特别是驗證超高精度PID控制器對精密控制的影響，我們進行了相應的考核試驗，考核試驗裝置結構如圖1所示。

圖1 超高精度壓力控制考核試驗裝置結構示意圖

考核試驗裝置主要包括以下幾部分内容：

（1）壓力傳感器：精度0.05%，量程為絕壓0.1~1MPa，對應電壓輸出為0~10V。

（2）電氣比例閥：精度0.25%，量程為絕壓0.1~1MPa，控制電壓為0~10V。

（3）PID控制器：ADC為24位，DAC為16位，ADC量程為0~10V，DAC量程為0~10V。

（4）多通道數據采集器：安捷倫34972A，五位半/六位半采集。

（5）三通管件：用作壓力容器，并連接壓力傳感器和電器比例閥。

（6）計算機：用于與PID控制器和數據采集器進行通訊，并安裝和運行相應的軟件程序對PID控制器和數據采集器進行控制、數據采集、曲線顯示和數據存儲。

按照上述解決方案搭建的考核試驗裝置如圖2所示。

圖2 超高精度壓力控制考核試驗裝置

根據我們前期進行的考核試驗以及控制過程數據分析，我們認為工業用集成式PID控制器儀表要實現0.1%的控制精度，需要滿足以下幾方面的技術指标：

（1）外置傳感器要有0.1%以上的超高精度。

（2）外置執行器也需要具有較高的精度，但不一定要求達到0.1%的超高精度。

（3）PID控制器的ADC位數至少需要達到16位，最佳是24位。

（4）PID控制器的浮點運算要保證輸出百分比具有0.01%~0.05%的調節能力。

（5）PID控制器的DAC位數至少需要達到14位，最佳是16位。

從上述對技術指标的要求以及試驗結果可以看出，為了實現超高精度壓力控制，在外置壓力傳感器、電氣比例閥和PID控制器ADC滿足精度要求的前提下，PID控制器的DAC控制輸出和浮點運算必須也要具有足夠的精度。為此，我們采用了16位輸出精度的PID控制器，并相應提高了浮點運算精度。與此改進對應的就是将控制輸出的最小百分比從0.1%提高到0.01%，如圖3中的紅色圓圈所示，将控制輸出百分比從小數點後一位提高到兩位。

圖3 超高精度PID控制器屏幕顯示

通過上述搭建完成的試驗裝置，在表壓0.1~0.6MPa範圍内進行了壓力恒定控制試驗。壓力設定點分别為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6MPa，整個試驗過程的測試曲線如圖4所示。

圖4 超高精度壓力控制考核試驗曲線

為便于觀察PID控制器的輸出百分比和控制電壓對壓力恒定控制的影響以及對應關系，圖4中還顯示了所采集到的PID控制器的控制電壓信号。

為直觀和準确評價上述多個壓力設定點的控制精度，将圖4所示的試驗結果在各個壓力控制點上進行單獨的顯示描述，所對應的六個壓力控制點下的控制曲線如圖5所示。

圖5 不同壓力設定點恒定控制時的壓力和控制電壓試驗曲線

圖5所示的考核試驗曲線是僅通過控制器PID參數自整定後進行控制得到結果，從這些考核結果可以得出以下結論：

（1）在0.1~0.6MPa整個壓力範圍内，波動率都可以控制在0.1%範圍内。

（2）特别是在0.3~0.6MPa的較高壓力範圍内，波動率甚至可以穩定控制在0.05%以内。

（3）觀察整個壓力範圍的控制過程，可以發現在壓力控制穩定後，控制器輸出百分比的變化幅度基本都是±0.01%。由此說明采用16位DAC和增加浮點運算精度對提高控制精度的效果非常明顯。

（4）在低量程0.1~0.2MPa壓力範圍内，采用自整定PID參數進行控制可以達到0.1%的波動率，但如果進行控制參數的進一步優化，還可以進一步提高控制精度。

基于上述結論，我們對PID控制器參數進行了簡單優化，在低量程0.1~0.2MPa壓力範圍内重新進行了恒壓控制，得到的波動曲線如圖6所示。

圖6 控制參數調整後0.1和0.2MPa恒定控制時的壓力和控制電壓試驗曲線

從圖6試驗曲線可以看出，優化控制參數後，0.2MPa設定點進行控制的波動率有效降低到了0.05%，而0.1MPa設定點進行控制的波動率還基本維持在0.1%不變，甚至偶爾還會大于0.1%。但我們通過觀察控制電壓曲線可以發現，在0.1MPa設定點恒壓控制過程中，控制電壓的波動率基本都在0.05%以内，壓力波動反而變化到0.1%可能是其他外部因素的影響，如環境溫度、壓力傳感器和電氣比例閥精度的影響，畢竟在0.1MPa壓力時，三通管件的内部壓力更容易受環境溫度的影響，而且此0.1MPa的壓力也處于壓力傳感器和電氣比例閥精度較差的區間。

通過上述解決方案和考核試驗結果，證明了此解決方案完全能夠實現0.1%超高精度的壓力控制，具體結論如下：

（1）外置超高精度的壓力傳感器和PID控制器，完全可以有效提高電氣比例閥的壓力控制精度，可實現0.1%超高精度的壓力控制。

（2）完全達到了艾默生公司TESCOM ER5000壓力調節器0.1%的技術指标，特别是在0.2MPa以上的壓力範圍内，甚至可以達到0.05%的更高控制精度。

（3）超高精度0.1%的壓力控制過程中，PID控制器的測量精度、控制精度和浮點運算是決定整體控制精度的關鍵技術指标，本文所述解決方案中采用了24位ADC、16位DAC和高精度浮點運算0.01%的輸出百分比，證明完全可以滿足超高精度的控制需要。

（4）通過本文的解決方案和試驗驗證，證明了工業用0.1%超高精度PID控制器完全可以在較低造價的同時，同樣能實現超高精度控制，并同時可以用來控制工業領域中的其他參數。

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