一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法技术方案

本发明专利技术涉及基于科里奥利原理的质量流量计信号处理和应用技术领域，特别是一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法。首先，根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；然后，将上述步骤的模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动。本发明专利技术在现有非线性幅值控制算法的基础上增加了模糊PI控制算法，并采用了基于过零检测的频率估计算法，使得整个控制系统更加智能化、灵活化，并设计了基于DSP数字信号处理器的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的软硬件测试系统，实现了科里奥利质量流量计的流量管快速稳幅振动。

【技术实现步骤摘要】
一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法
本专利技术涉及基于科里奥利原理的质量流量计信号处理和应用
，特别是一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法。
技术介绍
科里奥利质量流量计（CoriolisMassFlowmeter，英文缩写为CMF，以下简称科里奥利质量流量计）是一种依据科里奥利力原理研制而成的，即处于旋转体系中的流体同时作直线运动就会产生一种与流体质量成正比的科里奥利力。该流量计于1977年由MicroMotion公司率先研制成功，它不但拥有较高的准确性、稳定性、重复性，而且在测量管内没有阻流元件，很大程度上提高了可靠性和使用寿命。目前大部分汽车用的清洁燃料压缩天然气（CNG）就是用它进行计量的，而且在石油、造纸、建材、食品、医药、能源、生物工程、航天等部门的应用也越来越多。与普通的流量计只能测量体积流量不同，科里奥利质量流量计则可以直接高精度地测量流体质量流量，它除了能够用于测量各类常规流体外，还能用于测量非常规流体，如批料流/两相流、液化气体、浆液和压缩天然气，因此，科里奥利质量流量计的应用也越来越广泛，据FlowResearch公司统计的数据，仅2007年科里奥利质量流量计全球市场销售额就达到了6.62亿美元，且以每年高于8%的速率增长。但是由于技术发展还不够成熟，测量精度还没有达到人们预期的效果。比如测量管的驱动方式，直接决定了测量管的振动能否维持稳定，也就对流量测量的精度有很大的影响。传统的模拟驱动方式直接使用传感器检测到的振动信号放大后作为驱动信号，容易受到外界噪声干扰，而且当批料流或两相流发生时，流量管的频率和阻尼比都将发生变化，这样模拟驱动有限的幅值增益和固定的算法，很难使流量管快速启振并维持稳定。因此，本专利技术研究数字式驱动系统，其中采用了性能更好的频率估计和幅值控制算法，从而得到精度更高、驱动能力更强的驱动信号。高质量、高精度的科里奥利质量流量计驱动系统的研究对科里奥利质量流量计乃至整个流量测量行业都有着非常重要的影响，正逐步成为现阶段的一个非常热门的课题，研究的理论和实际意义重大。当前，国内市场上出现的科里奥利流量计有很大一部分都是采用模拟驱动方式，该方式很容易受到外界噪声和流体不稳定的干扰，使得实验室测试精度远远高于现场测试精度，为了克服这一困难，全数字式驱动方式和数字信号处理方法近年来成为研究热。国内对科里奥利质量流量计的研究和应用起步比较晚，80年代开始在一些进口的成套设备中使用科里奥利质量流量计，主要应用于石油、天然气和化学化工行业。近年来，国内对科里奥利质量流量计的使用开始不断增加，且应用范围也更加广泛，但是基本上都还是靠国外进口。国内外有代表性的相关研究如下：西北工业大学的研究团队则采用互相关滤波的方式提高了科里奥利流量计的输出信号的信噪比，然后再对该信号作离散傅里叶变换求得相位差，但仿真结果显示其实时性和精度都不是很理想。太原航空仪表有限公司目前正与北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院的樊尚春、郑德智和邢维巍几位老师一起研究半数字驱动方案，并完成了仿真和电路实现，但是从很多课题中可以得到目前全数字式驱动算法在驱动能力和精度方面都强于半数字式驱动。合肥工业大学DSP实验室设计了新型数字式科里奥利质量流量变送器，并完成了现场测试，该项目有效的解决了相位漂移的难题，同时也对变送器的数据保存方面做了优化；同时提出了基于非线性幅值控制算法的驱动方案，该算法不仅缩短了流量管的启振时间，而且当两相流/批料流发生时可以增强对测量管振动的控制；还研究了数字式驱动方案及其在两相流装置中的实现，其中采用了性能较好的正负阶跃信号启振，波形合成等方法，还设计了两相流实验装置，然而，该研究方案使用的基于变比例参数的幅值控制算法虽然能够有限的实现幅值控制，但是其幅值稳定速度和精度还有待提高。美国MicroMotion公司推出了MVD(Multi-VariableDigital)技术的数字式变送器，进一步提升了科里奥利质量流量计的性能。英国牛津大学MayelaZamora和ManusP.Henry实现了基于奔腾III处理器和FPGA结合控制的数字式科里奥利变送器，并使用基于波形合成的数字式驱动方式和数字信号处理方式处理流量计信号，该系统可以使流量计能够测量更复杂的流体，包括两相流，最重要的是系统结合了FPGA的运算速度快，且能够多次编程的优点。英国牛津大学的D.W.Clarke将非线性幅值控制算法成功运用于驱动合成。驱动信号合成采用传统PI控制，采用设定值的对数与实测值的对数之差作为误差输入，使得信号的输入误差能够在一个合适的范围，以输出合适的驱动电压，缩短启振时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种明显加快测量管的启振速度，而且可以使科里奥利质量流量计应用于更广泛的流量测量应用的科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，包括如下步骤，步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；步骤S02：将所述步骤S01模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动；所述模糊PI的幅值控制算法，具体实现过程如下：PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用比例和积分两个参数的组合达到控制效果，PI控制算法描述为：式中，t为时间参数，为设定值和实测值的差值，也叫输入偏差；和分别为PI控制算法的比例和积分参数；为了实现数字式PI控制器，把上式中积分项用求和的方式来近似，得到下式所示的数字式PI控制算法：式中，和分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示；由上式可知，比例系数是PI控制算法的基本控制系数，由于单纯采用比例控制器的控制系统中，只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性，故而引入积分系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差；模糊PI控制算法就是通过实时调整PI控制器的参数，以达到精确控制复杂系统；加入模糊控制理论后的模糊PI控制器比例和积分系数分别为：式中和分别为单独PI控制器的初始参数，和分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值。在本专利技术实施例中，所述运用模糊PI的幅值控制算法的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的驱动方式如下，步骤S31：自激启振：采用正负交替阶跃信号来驱动科里奥利质量流量计的测量管启振；步骤S32：频率估计：首先，采用基于FIR的低通滤波器对采样的测量管输出信号进行滤波处理，然后通过设置阀值找到零点附近的数据，采用最小二乘法曲线拟合求出相邻的过零点，最后计算出测量管输出信号的频率；步骤S33：模糊PI幅值控制：通过数字幅值检测得到测量管输出信号的幅值，然后对给定幅值和检测得到的幅值分别取自然对数再相减得到模糊PI的输入偏差，作为模糊PI控制器的其中一个输入，并经过模糊PI控制器控制得到输出信号的幅值增益；步骤S34：驱动信号合成：由步骤S32所得的输出信号频率及步骤S33所得的输出信号幅值增益，通过DDS波形数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；步骤S02：将所述步骤S01模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动；所述模糊PI的幅值控制算法，具体实现过程如下：PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用比例和积分两个参数的组合达到控制效果，PI控制算法描述为：式中，t为时间参数，为设定值和实测值的差值，即输入偏差；和分别为PI控制算法的比例和积分参数；为了实现数字式PI控制器，把上式中积分项用求和的方式来近似，得到下式所示的数字式PI控制算法：式中，和分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示；由上式可知，比例系数是PI控制算法的基本控制系数，由于单纯采用比例控制器的控制系统中，只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性，故而引入积分系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差；模糊PI控制算法就是通过实时调整PI控制器的参数，以达到精确控制复杂系统；加入模糊控制理论后的模糊PI控制器比例和积分系数分别为：上式中和分别为单独PI控制器的初始参数，和分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值。...

【技术特征摘要】
1.一种科里奥利质量流量计数字驱动系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计模糊PI的幅值控制算法；步骤S02：将所述步骤S01模糊PI的幅值控制算法运用在科里奥利质量流量计数字式驱动系统中，从而使测量管在测量不同流体和不同测量环境中能够快速的保持稳幅振动；所述模糊PI的幅值控制算法，具体实现过程如下：PI控制器以控制系统的输入偏差作为输入，采用比例和积分两个参数的组合达到控制效果，PI控制算法描述为：式中，t为时间参数，e(t)为设定值r(t)和实测值v(t)的差值，即输入偏差；KP和TI分别为PI控制算法的比例和积分参数；为了实现数字式PI控制器，把上式中积分项用求和的方式来近似，得到下式所示的数字式PI控制算法：式中，KP和KI分别为数字式PI控制算法中的比例和积分系数，k时间和j时间的输入偏差分别用e(k)和e(j)表示；由上式可知，比例系数是PI控制算法的基本控制系数，由于单纯采用比例控制器的控制系统中，只能改变偏差信号的幅值，不能减小系统的稳态误差，影响系统的稳定性，故而引入积分系数用来减小系统的稳态误差，积分系数与稳态误差的积分成正比例，所以积分系数会随着误差的变化而变化，直到消除稳态误差；模糊PI控制算法就是通过实时调整PI控制器的参数，以达到精确控制复杂系统；加入模糊控制理论后的模糊PI控制器比例和积分系数分别为：上式中KP0和KI0分别为单独PI控制器的初始参数，△KP和△KI分别为模糊控制后得到的PI控制器比例和积分参数的整定值；所述运用模糊PI的幅值控制算法的科里奥利质量流量计数字式驱动系统的驱动方式如下，步骤S31：自激启振：采用正负交替阶跃信号来驱动科里奥利质量流量计的测量管启振；所述自激启振，具体实现过程如下，对驱动的正阶跃信号作拉普拉斯变换后，得到正阶跃信号的响应函数：...

【专利技术属性】
技术研发人员：林伟，黄世震，欧阳峰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35