本發(fā)明涉及流體測量領域，尤其是一種科里奧利質(zhì)量流量計的控制方法。。

背景技術：

科里奧利質(zhì)量流量計(coriolismassflowmeter，cmf)以其測量精度高、維護成本低和能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)測量的優(yōu)點，被廣泛用在石油石化、食品醫(yī)藥等液體介質(zhì)的質(zhì)量流量測量領域。在流體測量領域經(jīng)常遇見的小流量氣、液兩相流/批料流等情形下，目前國內(nèi)采用的模擬電路驅(qū)動cmf方式存在響應速度慢、動態(tài)跟蹤振動管幅度變化性能差和增益輸出范圍受限等諸多缺點，從而導致流量管振動控制失效和測量精度下降的問題，無法穩(wěn)定測量流體質(zhì)量流量。授予美國科羅拉多州微動公司的中國專利“振動管過程參數(shù)傳感器的通用模態(tài)空間驅(qū)動控制系統(tǒng)”(公開號cn1292083a)提出一種用于控制任何數(shù)量驅(qū)動信號的模態(tài)成分的驅(qū)動系統(tǒng)，該方法利用一個多信道模態(tài)濾波器對反饋傳感器輸出信號進行濾波，再把濾波后得到的n個單自由度模態(tài)響應信號輸入到驅(qū)動信道中激勵流量管以維持振動。上述方法的本質(zhì)還是模擬驅(qū)動方式，其所采用的驅(qū)動信號需要由一個專門設計的驅(qū)動器產(chǎn)生，然后作用于流量管以維持管子振動。由于在小流量測量條件下流量管的反饋信號十分微弱，傳統(tǒng)的模擬驅(qū)動器受制于器件限制，對反饋幅度的測量范圍小，導致無法跟蹤到小流量時振動管的振幅變化，時常使測量結(jié)果不準確。授予北京航空航天大學鄭德智等的中國專利“科里奧利質(zhì)量流量計全數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)”(公開號cn101881947a)在硬件電路上采用數(shù)字器件實現(xiàn)科里奧利質(zhì)量流量計的閉環(huán)控制，其使用可編輯邏輯門陣列(field-programmablegatearray，fpga)實現(xiàn)數(shù)字信號處理電路，并在邏輯電路中引入先進先出緩沖組件組件(firstinputfirstoutput，fifo)實現(xiàn)對幅度、相位的解算和控制。該方法的不足在于其所說的fpga驅(qū)動閉環(huán)系統(tǒng)在對應不同管型的cmf時需要重新修改設計以滿足預期設定的指標，fpga內(nèi)核數(shù)字信號處理電路要包括數(shù)字濾波器、信號檢測器、相位控制器、幅值控制器、正弦信號發(fā)生器、fifo組件以及時鐘模塊等七個部分，內(nèi)核結(jié)構復雜，使用成本十分高昂。

綜上所述，科里奧利質(zhì)量流量計所使用的傳統(tǒng)的模擬電路驅(qū)動方式幅度控制方法無法滿足小流量兩相流/批料流情形下液體質(zhì)量流量的計量精度，由于模擬驅(qū)動方式存在動態(tài)跟蹤流量管振動幅度變化性能較差的缺陷，還易導致cmf流量管停振或過激振蕩的現(xiàn)象，而使用fpga硬件電路實現(xiàn)的cmf數(shù)字化閉環(huán)控制系統(tǒng)則有系統(tǒng)復雜、設計難度大、使用成本高，無法適用于所有cmf管型。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的模擬驅(qū)動流量管振幅控制方法以及采用fpga的數(shù)字化閉環(huán)系統(tǒng)控制方法的不足，本發(fā)明提供一種基于全數(shù)字驅(qū)動式的科氏質(zhì)量流量計幅度控制方法，采用以dsp28335處理器為核心的處理單元，通過對流量管啟振信號進行采樣，并與預先設定值相減得到基本偏差值，然后再將該基本偏差、每次計算的差值總和以及基本偏差的相對偏差通過線性組合構成控制量對流量管進行幅度控制，采用基于幅值裕度的pid參數(shù)整定方法，根據(jù)流量管振幅響應靈敏度區(qū)間和離散化系統(tǒng)的采樣周期確定幅度調(diào)節(jié)的目標函數(shù)，最后計算出一組最優(yōu)的控制參數(shù)值對閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)整定，為達到對流量管振動系統(tǒng)進入飽和積分區(qū)域的有效控制，在控制量進入飽和區(qū)時，只累積基本偏差項的負偏差量，而不進行增大積分項的累加，以此消除振動管穩(wěn)態(tài)誤差、提高幅度控制精度。

本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案，包含以下步驟：

步驟一、對cmf流量管啟振信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital，ad)采樣，使用ad轉(zhuǎn)換器對cmf流量管振動信號進行采樣并輸出其數(shù)字序列值，即得到受迫振幅數(shù)據(jù)，根據(jù)cmf流量管1hz/1mv驅(qū)動原則設置流量管振動幅度設定值vs，第k個ad采樣輸出的流量管幅度值與流量管振動幅度設定值vs的差值用e(k)表示，e(k-1)表示第(k-1)個ad采樣輸出的流量管幅度值與流量管振動幅度設定值vs的差值，采用差分方程

u(k)＝kp[e(k)+ki∑e(k)+kd(e(k)-e(k-1))](1)

求解cmf閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)控制器輸出的控制量u(k)，其中kp、ki和kd分別表示比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)；

步驟二、示波器采集cmf流量管激勵信號幅度，然后與步驟一中ad轉(zhuǎn)換器采集的流量管受迫振幅數(shù)據(jù)進行對數(shù)擬合，得到驅(qū)動電壓的控制量和受迫振幅之間的關系曲線方程，將得到的對數(shù)擬合曲線方程

y＝0.5177ln(x)-0.4813(2)

作為振幅調(diào)節(jié)控制方程，其中x為驅(qū)動信號的控制量，y為受迫振幅；

步驟三、定義幅度調(diào)節(jié)的目標函數(shù)為f(kp，ki，kd)，目標函數(shù)f(kp，ki，kd)滿足f(kp，ki，kd)＝ε1σ+ε2ts+ε3n，且參數(shù)的加權系數(shù)ε1、ε2、ε3滿足關系ε1+ε2+ε3＝1，其中σ為超調(diào)量，ts為系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，n為流量管幅度響應閾值范圍，目標函數(shù)、比例常數(shù)和積分常數(shù)滿足以下約束條件：

保證加權系數(shù)ε1+ε2+ε3＝1的條件下，先從比例常數(shù)kp開始調(diào)節(jié)，再調(diào)節(jié)積分常數(shù)ki，最后調(diào)節(jié)微分常數(shù)kd，依次找到滿足公式(3)的比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，通過示波器觀察窗監(jiān)視流量管振動幅度的變化，參數(shù)具體調(diào)節(jié)原則為：

當示波器上的幅度振蕩數(shù)據(jù)顯示幅度振蕩頻率大于20次/秒，將比例常數(shù)kp加0.03，否則不做調(diào)整；當從示波器的刻度值上讀取的振幅偏離設定幅值vs的回落速度值大于0.5秒，則將積分常數(shù)ki減0.03，否則不做調(diào)整；當流量管振蕩幅度最大值與最小值之差超出幅度響應閾值范圍n，則將微分常數(shù)kd減0.03，否則不做調(diào)整；

根據(jù)以上原則和順序調(diào)整比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，使得流量管的幅值波動范圍低于0.2mv；

步驟四、將差值e(k)、e(k-1)、e(k-2)代入pid輸出控制量的誤差增量方程δu(k)＝u(k)-u(k-1)，得到δu(k)為：

δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))(4)

其中，e(k-2)表示第(k-2)個ad采樣輸出的流量管幅度值與流量管振動幅度設定值vs的差值，以δu(k)作為對流量管的驅(qū)動控制量，帶入公式(2)輸入?yún)?shù)x，得到受迫振幅；

計算當前時刻的控制量u(k)，判斷控制量u(k)是否超出幅度響應閾值范圍n，n＝[umax，umin]，幅度響應上界umax＝vs+0.2mv，幅度響應下界umin＝vs-0.2mv，當u(k)超出幅度響應閾值范圍n時，將公式(4)中ki置0實施抗飽和積分分離，使得流量管幅值波動范圍低于0.2mv。

本發(fā)明的有益效果是由于采用了基于幅值裕度的pid參數(shù)整定方法進行調(diào)參，通過優(yōu)化流量管振幅響應靈敏度區(qū)間和提高離散化系統(tǒng)的采樣周期確定幅度調(diào)節(jié)目標函數(shù)。求解目標函數(shù)、比例常數(shù)和積分常數(shù)滿足的約束條件，再驗證最佳的比例常數(shù)kp、積分常數(shù)ki、微分常數(shù)kd，完成最優(yōu)參數(shù)整定。設置驅(qū)動控制量輸出的極限范圍，克服了由于啟振幅度輸出短時增大引起的過飽和振幅失控現(xiàn)象。相比于傳統(tǒng)模擬電路驅(qū)動方法無法滿足小流量兩相流/批料流情形下液體質(zhì)量流量幅度的控制精度，對流量管幅度變化不敏感的缺點，本發(fā)明的方法提高了幅度響應的速度，使用數(shù)字信號處理的方式優(yōu)化了幅度跟蹤性能，使得流量管能以1hz/1mv的驅(qū)動技術指標維持穩(wěn)定的振幅，保證了高精度頻率、相位差輸出。相比fpga硬件電路實現(xiàn)的cmf數(shù)字化閉環(huán)控制系統(tǒng)，本方法使用的硬件資源較少，不需要進行復雜的內(nèi)核電路的設計，降低了企業(yè)使用成本。

附圖說明

圖1為工業(yè)應用的cmf流量管系統(tǒng)結(jié)構示意圖，其中1-平行的u型測量管，2-傳感器a，3-傳感器b，4-驅(qū)動電路組件。

圖2為本發(fā)明的全數(shù)字式科里奧利質(zhì)量流量計驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構示意圖，其中vout為模數(shù)乘法器對dds初始激勵量或傳感器a、b路信號幅度進行幅度調(diào)整的輸出結(jié)果，d+為vout經(jīng)過功率放大電路得到的驅(qū)動控制量，ch1、ch2為示波器監(jiān)視輸入端口，ina、inb路分別為傳感器a、傳感器b輸出的振動管振動信號。

圖3為本發(fā)明的pid控制器結(jié)構框圖。

圖4為本發(fā)明的流量管驅(qū)動-受迫幅度對數(shù)擬合曲線圖。

圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

步驟一、對cmf流量管啟振信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital，ad)采樣，使用ad轉(zhuǎn)換器對cmf流量管振動信號進行采樣并輸出其數(shù)字序列值，即得到受迫振幅數(shù)據(jù)，根據(jù)cmf流量管1hz/1mv驅(qū)動原則設置流量管振動幅度設定值vs，第k個ad采樣輸出的流量管幅度值與流量管振動幅度設定值vs的差值用e(k)表示，e(k-1)表示第(k-1)個ad采樣輸出的流量管幅度值與流量管振動幅度設定值vs的差值，采用差分方程

u(k)＝kp[e(k)+ki∑e(k)+kd(e(k)-e(k-1))](1)

求解cmf閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)控制器輸出的控制量u(k)，其中kp、ki和kd分別表示比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)；

步驟二、示波器采集cmf流量管激勵信號幅度，然后與步驟一中ad轉(zhuǎn)換器采集的流量管受迫振幅數(shù)據(jù)進行對數(shù)擬合，得到驅(qū)動電壓的控制量和受迫振幅之間的關系曲線方程，將得到的對數(shù)擬合曲線方程

y＝0.5177in(x)-o.4813(2)

作為振幅調(diào)節(jié)控制方程，其中x為驅(qū)動信號的控制量，y為受迫振幅；

步驟三、定義幅度調(diào)節(jié)的目標函數(shù)為f(kp，ki，kd)，目標函數(shù)f(kp，ki，kd)滿足f(kp，ki，kd)＝ε1σ+ε2ts+ε3n，且參數(shù)的加權系數(shù)ε1、ε2、ε3滿足關系ε1+ε2+ε3＝1，其中σ為超調(diào)量，ts為系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，n為流量管幅度響應閾值范圍，目標函數(shù)、比例常數(shù)和積分常數(shù)滿足以下約束條件：

保證加權系數(shù)ε1+ε2+ε3＝1的條件下，先從比例常數(shù)kp開始調(diào)節(jié)，再調(diào)節(jié)積分常數(shù)ki，最后調(diào)節(jié)微分常數(shù)kd，依次找到滿足公式(3)的比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，通過示波器觀察窗監(jiān)視流量管振動幅度的變化，參數(shù)具體調(diào)節(jié)原則為：

當示波器上的幅度振蕩數(shù)據(jù)顯示幅度振蕩頻率大于20次/秒，將比例常數(shù)kp加0.03，否則不做調(diào)整；當從示波器的刻度值上讀取的振幅偏離設定幅值vs的回落速度值大于0.5秒，則將積分常數(shù)ki減0.03，否則不做調(diào)整；當流量管振蕩幅度最大值與最小值之差超出幅度響應閾值范圍n，則將微分常數(shù)kd減0.03，否則不做調(diào)整；

根據(jù)以上原則和順序調(diào)整pid比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，使得流量管的幅值波動范圍低于0.2mv；

步驟四、將差值e(k)、e(k-1)、e(k-2)代入pid輸出控制量的誤差增量方程δu(k)＝u(k)-u(k-1)，得到δu(k)：

δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))(4)

其中，e(k-2)表示第(k-2)個ad采樣輸出的流量管幅度值與流量管振動幅度設定值vs的差值，以δu(k)作為對流量管的驅(qū)動控制量，帶入公式(2)輸入?yún)?shù)x，得到受迫振幅；

計算當前時刻的控制量u(k)判斷控制量u(k)是否超出幅度響應閾值范圍n，n＝[umax，umin]，幅度響應上界umax＝vs+0.2mv，幅度響應下界umin＝vs-0.2mv，若u(k)＞umax,累積負偏差量，將δu(k)＜0的對應控制量u(k)全部相加，若u(k)＜umin，累積正偏差量，將δu(k)＞0的對應控制量u(k)全部相加，即當u(k)超出幅度響應閾值范圍n時，將公式(4)中ki置0實施抗飽和積分分離，幅度控制的最終結(jié)果是使得維持流量管幅值波動范圍低于0.2mv。

如圖1所示，工業(yè)上應用的cmf流量管系統(tǒng)關鍵部件包括：兩根平行的u型流量管、振動信號拾取傳感器a、b以及驅(qū)動組件等。本發(fā)明采用以dsp28335處理器為核心的處理單元，涉及的其他外圍輔助功能電路模塊如圖2所示，可以看到其中包括直接數(shù)字頻率合成器(directdigitalsynthesizer，dds)、電子開關、模數(shù)乘法器(multiplyingdigitaltoanalogconverter，mdac)、功率放大電路、信號調(diào)理放大電路等，其中傳感器a輸出ina路信號，傳感器b輸出inb路信號。

本發(fā)明提供一種基于全數(shù)字驅(qū)動方式的科氏質(zhì)量流量計幅度控制方法，該方法計算得到的控制量輸出到圖1所示驅(qū)動電路組件，以使兩根平行的u型流量管保持穩(wěn)定振動幅度。圖2中key為本方法設定的一個電子開關控制關鍵字，通過改變key值進行驅(qū)動方式切換：若key＝0，由dds驅(qū)動模塊啟動流量管工作；若key＝1，則由右側(cè)反饋信號ina/inb驅(qū)動系統(tǒng)構成一個閉環(huán)自激系統(tǒng)并產(chǎn)生自激振蕩，并通過本發(fā)明提供的幅度控制方法進行控制。圖2中vout為模數(shù)乘法器對dds初始激勵量或傳感器a、b路信號幅度進行幅度調(diào)整的輸出結(jié)果；d+是vout經(jīng)過功率放大電路得到的驅(qū)動控制量，該信號輸出到圖1所示的驅(qū)動組件，維持流量管穩(wěn)定振動。圖2中ch1、ch2為示波器監(jiān)視輸入端口，用于監(jiān)視振動系統(tǒng)的工作狀態(tài)；ina、inb路為圖1所示的傳感器a、傳感器b輸出的振動管振動信號。

本發(fā)明的具體實施為：

圖3所示的pid控制器結(jié)構框圖，將振動系統(tǒng)時域表達式寫為其中t為系統(tǒng)采樣周期，td為反應延遲時間，在第kt時刻，偏差e(k)＝rin(k)-rout(k)，其中rin(k)為ad采樣輸出的流量管幅度值，rout(k)為流量管振動幅度設定值，誤差累積∑e(k)、誤差微分將上述cmf振動模型時域表達式離散化處理為

u(k)＝kp[e(k)+ki∑e(k)+kd(e(k)-e(k-1))]，以此差分方程來代替cmf閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)連續(xù)微分方程便于做后續(xù)處理，在第kt前一時刻(k-1)t，

u(k-1)＝kpe(k-1)+ki∑e(j)+kd(e(k-1)-e(k-2))]，kt與(k-1)t兩個時刻的增量則為δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))。

定義幅度調(diào)節(jié)的目標函數(shù)為f(kp，ki，kd)＝ε1σ+ε2ts+ε3n，其中σ為超調(diào)量，ts為系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，n為流量管幅度響應閾值范圍，kp、ki、kd分別為系統(tǒng)的比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)，使目標函數(shù)參數(shù)加權系數(shù)ε1、ε2、ε3滿足ε1+ε2+ε3＝1，且目標函數(shù)、kp和ki滿足以下約束條件：

改變各加權系數(shù)ε1、ε2、ε3的大小，參照圖4所示實驗得到的流量管驅(qū)動-受迫振幅對數(shù)擬合然結(jié)果調(diào)整驅(qū)動信號幅度，先從比例常數(shù)kp開始調(diào)節(jié)，再調(diào)節(jié)積分常數(shù)ki，最后調(diào)節(jié)微分常數(shù)kd，依次找到滿足上述約束條件的最佳控制常數(shù)，通過示波監(jiān)視流量管振動幅度的變化，當示波器上的幅度振蕩數(shù)據(jù)顯示幅度振蕩頻率大于20次/秒，將比例常數(shù)kp加0.03，否則不做調(diào)整；當從示波器的刻度值上讀取的振幅偏離設定幅值vs的回落速度值大于0.5秒，則將積分常數(shù)ki減0.03，否則不做調(diào)整；當流量管振蕩幅度最大值與最小值之差超出幅度響應閾值范圍n，則將微分常數(shù)kd減0.03，否則不做調(diào)整。

本發(fā)明以控制誤差增量δu(k)作為對流量管的驅(qū)動激勵控制量使流量管維持穩(wěn)定共振狀態(tài)，計算當前時刻的控制量u(k)，判斷控制量u(k)是否超出幅度響應閾值范圍n，n＝[umax，umin]，幅度響應上界umax＝vs+0.2mv，幅度響應下界umin＝vs-0.2mv。當u(k)超出幅度響應閾值范圍n時，將公式⑷中ki置0實施抗飽和積分分離，防止流量管在短時間內(nèi)出現(xiàn)振動系統(tǒng)輸出較大偏差的情況而導致系統(tǒng)振幅將持續(xù)增大產(chǎn)生過激振蕩。

本發(fā)明的流程圖如圖5所示，首先根據(jù)cmf流量管1hz/1mv驅(qū)動原則設定流量管需要達到的振動幅度值，然后對pid的比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù)進行參數(shù)整定，用設定值減去實際振動幅度值，當該值的絕對值大于0.2mv時，積分分離，計算控制量的誤差增量并以此來控制流量管維持振動；當該值的絕對值小于0.2mv時，直接計算控制量的誤差增量并以此來控制流量管維持穩(wěn)定振動，流量管振動幅度在設定振動幅度閾值范圍內(nèi)時，調(diào)節(jié)結(jié)束，否則將返回開始重新調(diào)節(jié)。