科氏质量流量计全数字驱动中两类参数的确定方法技术

本发明专利技术涉及流量检测领域，是确定科氏质量流量计全数字驱动方法幅值控制中对数误差底数和不同一次仪表的PI控制器参数的方法。包括利用有限长度的正弦波激励流量管，建立流量管振动系统的二阶数学模型；根据期望值的不同，选取不同底的对数误差作为控制器的输入；根据PI控制器稳态输出值的比例关系调节PI参数，以控制不同一次仪表。本发明专利技术的优点在于提升了驱动控制效果，便于对不同一次仪表执行驱动控制。

【技术实现步骤摘要】
科氏质量流量计全数字驱动中两类参数的确定方法
本专利技术涉及流量检测领域，是确定科氏质量流量计全数字驱动方法幅值控制中两类参数的方法。这两类参数分别是对数误差底数和不同口径一次仪表与不同种类一次仪表(以下简称不同一次仪表)的PI控制器参数。该确定方法由流量管振动系统数学模型的建立方法、对数误差底数的确定方法和不同一次仪表的PI控制器参数的确定方法组成。利用有限长度的正弦波激励流量管，建立流量管振动系统的二阶数学模型，为PI参数的整定提供了基准。根据期望值的不同，选取不同底的对数误差作为控制器的输入，以满足动态特性和稳态特性的要求。采用PI控制器控制幅值，以幅值闭环系统的增益预设PI参数，再根据实际的动态效果和稳态效果确定最终参数。当控制不同一次仪表时，根据PI控制器稳态输出值的比例关系调节PI参数。
技术介绍
科氏质量流量计可以直接测量质量流量，是当前发展最为迅速的流量计之一，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计由一次仪表和变送器(又称二次仪表)组成。一次仪表包括流量管、电磁激振器、速度传感器、温度传感器和外壳等，其中，将流量管、电磁激振器和速度传感器定义为流量管振动系统。变送器包括信号调理部分、处理部分和驱动部分。在驱动部分，就驱动方式可以分为模拟驱动、半数字驱动和全数字驱动。模拟驱动方式是直接利用速度传感器的输出信号，该输出信号经过模拟电路的幅值增益控制后，提供给电磁激振器。其中，幅值控制是由模拟电路完成的，较为简单。半数字驱动方式的驱动信号也是直接取自速度传感器的输出信号，但是，幅值控制为数字式的。模拟驱动和半数字驱动方式都无法避免在气液两相流工况下流量管停振的问题。全数字驱动方式由处理器根据采集的速度传感器信号计算出驱动信号所需的频率、相位和幅值信息，合成驱动信号后提供给电磁激振器。其中，幅值控制是数字式的，需设计有效的幅值控制算法对流量管的振动幅值进行控制。针对科氏流量管的数字式幅值控制方法，ClarkeDW[ClarkeDW.Non-linearControloftheOscillationAmplitudeofaCoriolisMass-FlowMeter[J].EuropeanJournalofControl,1998,4(3):196-207.]提出了一种将自然对数误差和PI控制相结合的非线性幅值控制算法，其中，求取自然对数误差作为PI控制器的输入，并给出了PI参数整定的方法。但是，直接求取自然对数误差并非最佳，在不同期望值的情况下，同一底数的对数误差结果并不能同时满足对控制的快速性和稳定性的要求。它的驱动信号直接取自速度传感器的输出信号，即该驱动方式为半数字驱动方式，并非全数字驱动方式，无法避免在两相流工况下流量管停振的问题。它给出的PI参数整定方法也是依托于半数字驱动系统的，并不适用于全数字驱动；此外，它的参数整定方法需要精确的二阶流量管振动系统的数学模型，但是，没有给出求解模型参数的方法。许多学者将非线性幅值控制算法应用于实际中，但是，都没有给出对数误差底数选取的规则和PI控制器参数整定的方法。例如，合肥工业大学[徐科军,侯其立,方敏,等.一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统,CN102506951A[P].2012.]采用非线性幅值控制方法控制流量管的幅值，但是，仅仅使用了自然对数误差作为后续控制器的输入，也没有指出PI控制器参数整定的方法。此外，不同一次仪表具有不同的特性，应该使用不同的PI控制器参数。若用同一组控制参数控制不同一次仪表，可能会造成较大的波动，以致一次仪表无法正常工作。为此，本专利技术提出确定全数字驱动方法中对数误差底数和不同一次仪表的PI控制器参数这两类关键参数的方法。(1)由于被控对象为流量管振动系统，采用有限长度的正弦波激励流量管，构建被控对象的数学模型，分析它的稳态特性，为幅值控制奠定基础。(2)由于对数误差底数的选取与期望值的设置有关，在不同期望值的情况下将不同底数的对数误差进行比较，以得出对数底数选取的规律。(3)采用PI控制器控制幅值，在实际调试前需根据幅值闭环系统的增益确定初始的PI参数。以预设的PI参数控制某种型号的科氏质量流量计一次仪表，再根据实际的动态效果和稳态效果确定最终的PI参数。而不同一次仪表具有的特性不同，可根据PI控制器的稳态输出值来调节PI参数。
技术实现思路
本
技术实现思路
为了解决上述问题，采用以下技术方案：建立流量管振动系统的模型。(1)确立流量管振动系统的二阶数学模型框架。(2)采用有限长度的正弦波激励某种型号科氏质量流量计的流量管，根据速度传感器输出的自由衰减振荡信号求出阻尼比和无阻尼固有频率。(3)确定已知模型参数部分的增益，再根据速度传感器的输出信号与激励信号的稳态幅值之比求出稳态增益，进而确立模型。根据建立二阶数学模型的稳态增益与流量管的最佳振动幅值，确定流量管振动系统输入信号的幅值，为后续PI参数的整定提供基准。确立对数误差底数选取规律。在不同期望值下，对数底数的选取不同。并且，期望值设置得越小，相对应的底数应该越大。确定不同一次仪表的PI参数整定方法。(1)使用PI控制器对流量管的振动幅值进行控制。通过分析流量管的最佳振动幅值、流量管振动系统的稳态增益和闭环系统增益确定初始PI参数。(2)将分析得到的初始控制参数应用于实际中，控制该种型号的一次仪表，根据实际的动态效果和稳态效果确定最终的PI参数。(3)由于不同一次仪表的稳态增益和最佳振动幅值是不同的，所以，对其它型号科氏质量流量计的一次仪表进行控制时，将已知的一次仪表的PI参数按已知一次仪表与其它型号一次仪表之间PI控制器稳态输出值的比例关系进行移植。本
技术实现思路
的优点在于：(1)建立流量管振动系统的数学模型，分析它的特性，知它在稳态下相当于一个固有增益，为流量管的幅值控制奠定基础。(2)确定对数误差底数的选取规律，使得误差曲线特性在不同期望值下都可以保持最佳，进一步提升了驱动控制效果。(3)当对不同一次仪表执行控制时，由于它们的特性不同，需匹配不同的PI参数。本专利技术提出了不同一次仪表PI参数整定的方法，方便对不同一次仪表进行控制。附图说明图1为全数字驱动幅值控制中两类关键参数的确定方法图。图2为基于DSP的科氏质量流量计数字驱动系统的硬件框图。图3为对流量管振动系统建模时的激励实验示意图。图4为科氏质量流量计数字驱动系统幅值控制闭环系统示意图。图5为期望值在4.3时的不同误差函数曲线比较图。图6为期望值为1.9时的不同误差函数曲线比较图。图7为期望值为0.5时的不同误差函数曲线比较图。图8为确定不同一次仪表PI参数的流程图。具体实施方式图1中包含了本专利技术要确定的全数字驱动幅值控制中的两类关键参数：对数误差底数和不同一次仪表的PI参数。其中，对数误差底数是根据速度传感器信号期望值的不同而设置的；不同一次仪表的PI参数是将已知的某种一次仪表的PI参数按照已知一次仪表与所求一次仪表之间PI控制器稳态输出值的比例关系确定的。基于DSP的科氏质量流量计数字驱动系统的硬件框图如图2所示，控制核心为TMS320F28335DSP(数字信号处理器)，并采用DDS(直接数字式频率合成器)+MDAC(乘法数模转换器)的组合执行驱动任务，对流量管振动幅值进行控制。其中，速度传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.科氏质量流量计全数字驱动中两类参数的确定方法，这两类参数分别是对数误差底数和不同一次仪表的PI控制器参数，该确定方法由流量管振动系统数学模型的建立方法、对数误差底数的确定方法和不同一次仪表的PI控制器参数的确定方法组成，其特征在于：(1)由于被控对象为流量管振动系统，采用有限长度的正弦波激励流量管，构建被控对象的数学模型，分析它的稳态特性，为幅值控制奠定基础；(2)由于对数误差底数的选取与期望值的设置有关，在不同期望值的情况下将不同底数的对数误差进行比较，以得出对数底数选取的规律；(3)采用PI控制器控制幅值，在实际调试前需根据幅值闭环系统的增益确定初始的PI参数；以预设的PI参数控制某种型号的科氏质量流量计一次仪表，再根据实际的动态效果和稳态效果确定最终的PI参数；而不同一次仪表具有的特性不同，可根据PI控制器的稳态输出值来调节PI参数。

【技术特征摘要】
1.科氏质量流量计全数字驱动中两类参数的确定方法，这两类参数分别是对数误差底数和不同一次仪表的PI控制器参数，该确定方法由流量管振动系统数学模型的建立方法、对数误差底数的确定方法和不同一次仪表的PI控制器参数的确定方法组成，其特征在于：(1)由于被控对象为流量管振动系统，采用有限长度的正弦波激励流量管，构建被控对象的数学模型，分析它的稳态特性，为幅值控制奠定基础；(2)由于对数误差底数的选取与期望值的设置有关，在不同期望值的情况下将不同底数的对数误差进行比较，以得出对数底数选取的规律；(3)采用PI控制器控制幅值，在实际调试前需根据幅值闭环系统的增益确定初始的PI参数；以预设的PI参数控制某种型号的科氏质量流量计一次仪表，再根据实际的动态效果和稳态效果确定最终的PI参数；而不同一次仪表具有的特性不同，可根据PI控制器的稳态输出值来调节PI参数。2.如权利要求1所述的科氏质量流量计全数字驱动中两类参数的确定方法，其特征在于：建立流量管振动系统的二阶数学模型；给流量管振动系统一个激励信号，然后，测量其输出，根据响应曲线计算模型参数；考虑到科氏质量流量计中的流量管振动系统是在正弦波激励下工作的，选择有限长度的正弦波作为激励信号；当正弦波激励信号结束时，流量管振动系统的振动就会衰减，并慢慢地停振，此时，速度传感器将输出自由衰减振荡信号，根据此自由衰减信号可计算出阻尼比ξs；采用时域峰值法求取阻尼比ξs，计算公式为：式中，Ai为第i周期的峰值，Ai+r为第i+r周期的峰值，r为两峰值点之间相差的周期数，q为用于计算的峰值点对的总数；对自由衰减振荡信号做基于FFT(快速傅里叶变换)的频谱分析，根据幅值谱的最大值点，得到有阻尼固有频率ωd；再根据得到无阻尼固有频率ωn。在ξs很小时，ωn近似等于ωd；将阻尼比ξs与无阻尼固有频率ωn代入式(1),令s＝jωd，结合正弦波激励信号结束前的稳态驱动电压信号幅值和速度传感器输出信号幅值，即可得到固有增益KR。3.如权利要求1所述的科氏质量流量计全数字驱动中两类参数的确定方法，其特征在于：不同底的对数误差具有相同的变化趋势，但变化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，刘文，乐静，徐浩然，张伦，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34