Решение для сверхточной регулировки давления с точностью до 0,1% в диапазоне избыточного давления 0,1–0,6 МПа и результаты его испытаний.

Решение для сверхточной регулировки давления с точностью до 0,1% в диапазоне избыточного давления 0,1–0,6 МПа и результаты его испытаний.

1. Введение в электронный регулятор давления воздуха
Для удовлетворения потребностей в сверхточном контроле давления с точностью до 0,1% в промышленных приложениях мы предлагаем соответствующие решения. Мы подробно описываем предлагаемое решение, а также представляем созданное на его основе испытательное устройство и результаты испытаний, демонстрирующие эффективность его применения для сверхточного контроля давления с точностью до 0,1%.

2. Как решить проблему с электронным регулятором давления воздуха?
В основе решения лежит электронный регулятор давления воздуха, а точность регулирования давления электронными регуляторами обычно невысока, поэтому для достижения сверхвысокой точности регулирования давления используется высокоточный датчик давления и ПИД-регулятор. Для проверки работоспособности этого решения, в частности для оценки влияния сверхточного ПИД-регулятора на точность регулирования, мы провели соответствующие оценочные испытания. Структура оценочного испытательного устройства показана на рисунке 1.

Устройство для проведения оценочных испытаний в основном включает в себя следующие части:
(1) Датчик давления: точность 0,05%, диапазон абсолютного давления 0,1~1 МПа, соответствующее выходное напряжение 0~10 В.
(2) Электронный регулятор давления воздуха: точность 0,25%, диапазон абсолютного давления 0,1~1 МПа, управляющее напряжение 0~10 В.
(3) ПИД-регулятор: АЦП 24-битный, ЦАП 16-битный, диапазон АЦП 0~10 В, диапазон ЦАП 0~10 В.
(4) Многоканальный сборщик данных: Agilent 34972A, пяти с половиной/шести с половиной разрядов.
(5) Трехходовой фитинг для труб: Используется в качестве сосуда под давлением и подключается к датчику давления и электронному регулятору давления воздуха.
(6) Компьютер: Он используется для связи с ПИД-регулятором и сборщиком данных, установки и запуска соответствующих программных средств для управления, сбора, отображения и хранения данных ПИД-регулятора и сборщика данных.

Согласно результатам наших предыдущих оценочных испытаний и анализа данных процесса управления, мы считаем, что для достижения точности управления в 0,1% промышленный интегрированный ПИД-регулятор должен соответствовать следующим техническим показателям:
(1) Внешний датчик должен обладать сверхвысокой точностью более 0,1%.
(2) Внешний исполнительный механизм также должен обладать высокой точностью, но это не обязательно означает сверхвысокую точность в 0,1%.
(3) ПИД-регулятор должен быть не менее 16-битным, а оптимальным является 24-битный.
(4) Работа ПИД-регулятора с плавающей запятой должна обеспечивать возможность регулировки процентного значения выходного сигнала в диапазоне от 0,01% до 0,05%.
(5) Количество бит ЦАП ПИД-регулятора должно достигать как минимум 14 бит, а оптимальным является 16 бит. Из приведенных выше требований к техническим показателям и результатам испытаний видно, что для достижения сверхвысокоточного управления давлением необходимо, чтобы внешний датчик давления, воздушный электронный пропорциональный регулятор давления и ПИД-регулятор соответствовали требованиям к точности. Управляющий выход ПИД-регулятора и операции с плавающей запятой также должны обладать достаточной точностью. С этой целью мы использовали ПИД-регулятор с 16-битной точностью выходного сигнала и, соответственно, повысили точность операций с плавающей запятой. Соответствующее этому улучшение заключается в увеличении минимального процента управляющего выхода с 0,1% до 0,01%, а также процента управляющего выхода с одного десятичного знака до двух десятичных знаков.

3. Результаты испытаний электронного регулятора давления воздуха.
Испытание на поддержание постоянного давления проводилось в диапазоне избыточного давления 0,1–0,6 МПа с помощью вышеупомянутого испытательного устройства. Заданные значения давления составляли 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 и 0,6 МПа соответственно, чтобы наблюдать влияние процентного выхода ПИД-регулятора и управляющего напряжения на поддержание постоянного давления и соответствующую зависимость. Из этого можно сделать следующие выводы:
(1) Во всем диапазоне давлений 0,1–0,6 МПа скорость колебаний можно контролировать в пределах 0,1%.
(2) Особенно в диапазоне более высоких давлений 0,3–0,6 МПа скорость колебаний может быть стабильно контролирована в пределах 0,05%.
(3) Наблюдая за процессом управления во всем диапазоне давления, можно обнаружить, что после стабилизации управления давлением диапазон изменения процентного выходного сигнала контроллера составляет в основном ±0,01%. Это показывает, что использование 16-битного ЦАП и повышение точности арифметики с плавающей запятой оказывают очень заметное влияние на повышение точности управления.
(4) В диапазоне низкого давления 0,1–0,2 МПа параметры самонастраивающегося ПИД-регулятора могут использоваться для управления скоростью колебаний 0,1%, но если параметры управления будут дополнительно оптимизированы, точность управления может быть дополнительно улучшена. На основе вышеизложенных выводов мы просто оптимизировали параметры ПИД-регулятора и выполнили управление постоянным давлением в диапазоне низкого давления 0,1–0,2 МПа.

Колебания при заданном значении 0,2 МПа эффективно снижаются до 0,05%, в то время как колебания при заданном значении 0,1 МПа остаются практически неизменными на уровне 0,1%. Иногда они даже превышают 0,1%. Однако, наблюдая за кривой управляющего напряжения, можно обнаружить, что в процессе управления постоянным напряжением с заданным значением 0,1 МПа колебания управляющего напряжения в основном находятся в пределах 0,05%, а колебания давления изменяются до 0,1%, что может быть обусловлено влиянием других внешних факторов, таких как влияние температуры окружающей среды, точности датчика давления и электрического пропорционального клапана. В конце концов, при давлении 0,1 МПа внутреннее давление трехходовых фитингов более подвержено влиянию температуры окружающей среды, и это давление также превышает точность датчика давления и имеет ограниченный диапазон действия электронного регулятора давления воздуха.

4. Заключение
На основании вышеописанного решения и результатов оценочных испытаний доказано, что данное решение позволяет достичь сверхвысокой точности регулирования давления в пределах 0,1%. Конкретные выводы следующие:
(1) Внешний сверхточный датчик давления и ПИД-регулятор позволяют эффективно повысить точность регулирования давления электронного регулятора давления воздуха и достичь сверхвысокой точности регулирования давления в 0,1%.
(2) Он полностью соответствует техническому показателю 0,1% электронного регулятора давления воздуха Kao Lu, особенно в диапазоне давления выше 0,2 МПа, и может даже достичь более высокой точности управления 0,05%.
(3) В процессе регулирования давления со сверхвысокой точностью 0,1% точность измерения, точность управления и операции с плавающей запятой ПИД-регулятора являются ключевыми техническими показателями, определяющими общую точность управления. В описанном в данной статье решении используется 24-битный АЦП. Процент выходного сигнала ЦАП 0,01% и высокоточная операция с плавающей запятой доказывают, что он может полностью удовлетворить потребности в сверхвысокоточном управлении.
(4) Благодаря решению и экспериментальной проверке, представленным в данной статье, доказано, что промышленный ПИД-регулятор сверхвысокой точности с допуском 0,1% может полностью обеспечить сверхвысокую точность управления при меньших затратах, а также может использоваться для управления другими параметрами в промышленных областях.

Пожалуйста, посетите веб-сайт Kao Lu, чтобы получить более подробную информацию о пропорциональном регуляторе давления!