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采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制

许绘香 孔国利

许绘香, 孔国利. 采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(9): 20190551. doi: 10.3788/IRLA20190551
引用本文: 许绘香, 孔国利. 采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(9): 20190551. doi: 10.3788/IRLA20190551
Xu Huixiang, Kong Guoli. Development of pressure control system for laser infrared multipass cell using Ziegler-Nichols-PID algorithm[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(9): 20190551. doi: 10.3788/IRLA20190551
Citation: Xu Huixiang, Kong Guoli. Development of pressure control system for laser infrared multipass cell using Ziegler-Nichols-PID algorithm[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(9): 20190551. doi: 10.3788/IRLA20190551

采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制

doi: 10.3788/IRLA20190551
基金项目: 河南省高等学校重点科研项目(20B520036);河南省科技攻关项目(182102210150);郑州工程技术学院青年创新基金项目(QNCXJJ2019K5)
详细信息
    作者简介:

    孔国利(1973-),男,副教授,硕士,主要从事激光检测技术与智能控制方面的研究。Email:kguoli73@126.com

    通讯作者: 许绘香(1980-),女,副教授,硕士,主要从事智能控制与数据处理方面的研究。Email:xuhx80@126.com
  • 中图分类号: TM921.51

Development of pressure control system for laser infrared multipass cell using Ziegler-Nichols-PID algorithm

  • 摘要: 为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的激光红外多通池压强控制系统。硬件方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法,完成对 PI D 3个参数的确定。结果表明:多通池压强为60 Torr(1 Torr=133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO212CO2气体分子在4.3 μm吸收光谱进行测量。随着气体压强从0.026~0.066 atm (1 atm= 101 325 Pa),13CO212CO2气体分子吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。同时,利用红外气体检测系统对CO2同位素丰度进行长达2 h的测量。CO2同位素丰度均值为−9.081‰,测量值在−8.351‰~−9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。可以证明:该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。
  • 图  1  多通池压强控制系统

    Figure  1.  Pressure control system for multi-pass gas cell

    图  2  比例阀控制电路

    Figure  2.  Proportional valve control circuit

    图  3  多通池压强等幅震荡

    Figure  3.  Equal-amplitude oscillation of pressure of multi pass cell

    图  4  压强控制系统

    Figure  4.  Pressure control system

    图  5  压强控制曲线

    Figure  5.  Pressure control curve

    图  6  压强控制数据(60 Torr)

    Figure  6.  Pressure control data (60 Torr)

    图  7  13CO2吸收光谱与压强的关系

    Figure  7.  Relation between 13CO2 absorption spectrum and pressure

    图  8  12CO2吸收光谱与压强的关系

    Figure  8.  Relation between 12CO2 absorption spectrum and pressure

    图  9  13CO212CO2在0.26 atm压强下的吸收谱线

    Figure  9.  Absorption lines of 13CO2 and 12CO2 at pressure of 0.26 atm

    图  10  CO2同位素丰度测量数据

    Figure  10.  CO2 isotope abundance measurement data

    表  1  Ziegier-Nichols工程整定方法

    Table  1.   Ziegier-Nichols engineering tuning method

    ParameterTPTITD
    P2·δPR
    PD1.25δP0.12TPR
    PI2.2δPR0.85TP
    PID1.67δP0.5TPR0.125TP
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-03
  • 修回日期:  2019-12-28
  • 网络出版日期:  2020-09-22
  • 刊出日期:  2020-09-22

采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制

doi: 10.3788/IRLA20190551
    作者简介:

    孔国利(1973-),男,副教授,硕士,主要从事激光检测技术与智能控制方面的研究。Email:kguoli73@126.com

    通讯作者: 许绘香(1980-),女,副教授,硕士,主要从事智能控制与数据处理方面的研究。Email:xuhx80@126.com
基金项目:  河南省高等学校重点科研项目(20B520036);河南省科技攻关项目(182102210150);郑州工程技术学院青年创新基金项目(QNCXJJ2019K5)
  • 中图分类号: TM921.51

摘要: 为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的激光红外多通池压强控制系统。硬件方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。软件方面,采用Ziegier-Nichols工程整定方法,完成对 PI D 3个参数的确定。结果表明:多通池压强为60 Torr(1 Torr=133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO212CO2气体分子在4.3 μm吸收光谱进行测量。随着气体压强从0.026~0.066 atm (1 atm= 101 325 Pa),13CO212CO2气体分子吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。同时,利用红外气体检测系统对CO2同位素丰度进行长达2 h的测量。CO2同位素丰度均值为−9.081‰,测量值在−8.351‰~−9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。可以证明:该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。

English Abstract

    • 可实现气体同位素探测的技术有质谱法[1]、色谱法[2]、火焰电离技术[3]等,它们均不能实现在线检测。由于基于气体红外吸收光谱检测的仪器,就有体积小、便携性等优点,可实现在线检测。但是被测气体红外吸收谱线强度随着环境压强等因素变化而变化,从而影响气体同位素检测精度和稳定性。因此。在气体检测过程中,对多通池内部被测气体的压强进行高精度调控是必须得的。

      近些年,国外相继研制出多种类型的多通气体吸收池压强控制系统。英国德鲁克公司生产的高精度压强控制器DPI515,能够实现快速、高精度的压强调控,控制精度可达到±0.01% F.S.。国内产品有YWK-50-C系列的压强控制器,控制精度较差。以上压强控制器均存在调节时长,超调严重等问题。

      基于国内外的研究现状,针对CO2同位素检测中压强影响参数,研制了采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统。

    • 用于红外气体检测的多通池压强控制系统如图1所示。

      图  1  多通池压强控制系统

      Figure 1.  Pressure control system for multi-pass gas cell

      多通池压强控制系统包含两个比例阀,一个压强传感器以及一个真空低压泵[4-8]。首先关闭多通池入气端的比例阀,开启多通池出气端的比例阀和真空低压泵,将多通池内部气体尽量抽净。然后,关闭多通池出气端的比例阀和真空低压泵,开启多通池入气端的比例阀,让气源缓缓冲入多通池内。此时,压强传感器能够实时测量多通池内部气压,主控制器STM32控制AD转换器将压强传感器输出的模拟信号转换为数字信号。主控制器STM32将此数字信号与设定目标压强相比较,然后通过输出PWM信号驱动,调控多通池入气端的比例阀,从而实现压强的闭环控制[9]

    • 多通池压强控制系统包含两个比例阀,一个压强传感器以及一个真空低压泵。多通池压强控制系统工作流程已在前文进行介绍,此处不再赘述。在压强控制器中,比例阀是极为重要的原件。该系统采用PMW驱动方式,实现对比例阀的调控,电路如图2所示。

      图  2  比例阀控制电路

      Figure 2.  Proportional valve control circuit

      比例阀控制电路由两部分组成,光耦隔离器和驱动变换电路。主控制器STM32输出PWM信号,通过光耦隔离器,然后通过SN75423进行电压变换,从而达到驱动比例阀的电压要求。

      其中,压强传感器选取方面,采用世界知名压强传感器公司美国MEAS的产品,型号为U5200。该 压强传感器采用模块化设计理念,既可为科研提供灵活的操控需要,也可满足严苛环境下的特殊应用需求。由于U5200外壳采用304特质不锈钢,具有很好的密封作用,也可以放沙尘和液体腐蚀。其压强检测量程为0~106 Torr,对应输出电压幅值范围为0~5 V,检测精确为±0.5%,绝对误差为0.53 Torr。比例阀选取方面,采用世界知名阀门公司美国Clippard的EVP系列微型比例阀。其可以通过输入参数电压的调节来控制其输出流量大小,进而能够对多通池内部压强进行调节。EVP系列微型比例阀体积小,为圆柱形(直径2.2 cm,高度3.7 cm),允许输入电压幅值最大为12 V。

    • 实际中,针对不同被控对象,PID控制算法参数也不一致[10-12]。由于复杂被控对象的理论模型难以建立,这样就会带来PID控制参数不能确定的问题。所以文中采用Ziegier-Nichols工程整定方法,确定PID控制3个参数,该方法如表1所示。

      表 1  Ziegier-Nichols工程整定方法

      Table 1.  Ziegier-Nichols engineering tuning method

      ParameterTPTITD
      P2·δPR
      PD1.25δP0.12TPR
      PI2.2δPR0.85TP
      PID1.67δP0.5TPR0.125TP

      Ziegier-Nichols工程整定方法运行过程如下:

      (1)首先是PID控制算法中积分项I、微分项D项为零,只存在比例项P

      (2)然后逐渐调大比例项P,检测多通池压强,当多通池压强发生等幅震荡时,此时比例项系数P记为δPR,震荡周期记为TPR

      (3)根据表1 中Ziegier-Nichols工程整定方法,得到比例项系数KP,积分项系数KI,微分项系数KD

      试验中,然后逐渐调大比例项P,当多通池压强达到60 Torr时,出现压强等幅震荡,结果图3所示,记录此时比例项系数δPR为1.8。

      图  3  多通池压强等幅震荡

      Figure 3.  Equal-amplitude oscillation of pressure of multi pass cell

      由多通池压强等幅震荡结果可知,等幅震荡周期TPR为3.1 s,所以δPR=1/KPR=0.556。根据表1可知:PID控制参数TP=1.67δPR = 0.93,TI=0.5TPR=1.55,TD=0.125TPR=0.39。

    • 根据以上多通池压强控制系统各部分模块设计后,绘制各部分模块原理图,然后制成印刷电路板,最后进行各电子器件的焊接。激光红外多通池压强控制系统如图4所示。

      图  4  压强控制系统

      Figure 4.  Pressure control system

      在硬件系统焊接调试过程中,切不可将所有电子元器件全部焊接后再进行调试,需采用由前到后依次对各部分模块进行焊接调试,可避免因某一模块的损坏对整体硬件系统造成损伤。

    • 对多通池内部气体压强开展试验,得到的压强数据如图5所示。

      图  5  压强控制曲线

      Figure 5.  Pressure control curve

      首先将多通池内部气体用真空泵抽至17 Torr,由于多通池连接气路密闭性不够好,最低只能抽到此气压。然后启动压强控制系统,经过6 s后,多通池内部压强无超调地控制到目标压强60 Torr。此后,压强控制系统进行稳定工作,多通池内部气压存在少许波动,如图6所示。

      图  6  压强控制数据(60 Torr)

      Figure 6.  Pressure control data (60 Torr)

      在150~ 200 s时间内,多通池内部气压均值为60 Torr,压强在59.96~60.04 Torr之间波动,最大偏差值为0.04 Torr。由于大气压强为760 Torr,多通池内部压强为60 Torr,存在700 Torr的压强差,所以,不可避免因多通池和连接气路的少许漏气而产生的压强波动。

    • 试验中,利用研制的多通池压强控制系统对13CO212CO2气体分子在4.3 μm吸收光谱进行测量。13CO212CO2气体分子在4.3 μm波段吸收光谱与压强的关系如图7图8所示。

      图  7  13CO2吸收光谱与压强的关系

      Figure 7.  Relation between 13CO2 absorption spectrum and pressure

      图  8  12CO2吸收光谱与压强的关系

      Figure 8.  Relation between 12CO2 absorption spectrum and pressure

      如图7和8所示,13CO212CO2气体分子吸收光谱随着气体压强从0.026 atm到0.046 atm,最后增至0.066 atm,其吸收光谱的峰值随着压强增大而增大,吸收光谱宽度也随着压强的增大而增大。

      同时,笔者对13CO212CO2分子的吸收谱线(2315.36 cm−1和2315.19 cm−1)在不同压强下的形貌进行测量。其中,二者在压强为0.26 atm时,结果如图9所示。

      图  9  13CO212CO2在0.26 atm压强下的吸收谱线

      Figure 9.  Absorption lines of 13CO2 and 12CO2 at pressure of 0.26 atm

      13CO212CO2分子的吸收谱线(2315.36 cm−1和2315.19 cm−1)间距为0.17 cm−1,小谱线间距能够保证二者基态能极差小,在压强控制精度一定的条件下,可以实现更高碳同位素检测精度。当多通池压强增大到0.26 atm 时,二者吸收谱线存在重叠现象。

      为了避免此现象发生,则需要将待测气体控制在一个低压条件下,以防止13CO212CO2气体分子的吸收谱线重叠,达到更佳的光谱分辨率,实现碳同位素丰度的高精度探测。

    • 将被测CO2通入多通池内部,采用研制的多通池压强控制系统温度控制系统将多通池压强控制到60 Torr。然后利用红外气体检测系统对CO2同位素丰度进行长达两个小时的测量,结果如图10所示。

      图  10  CO2同位素丰度测量数据

      Figure 10.  CO2 isotope abundance measurement data

      在长达2 h的测量时间内,CO2同位素丰度均值为−9.081‰,测量值在−8.351‰和−9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。该CO2同位素丰度测量值波动较大,主要由于气源CO2波动问题(周围环境中人的呼吸,气瓶中标准气体分层)或红外气体检测系统工作漂移所导致的。

      多通池体积约为250 mL的圆柱体(截面直径约为5 cm),试验中其内部气体不可避免存在气体分层问题,这样就会使CO2同位素丰度测量带来误差,降低测量准确度。而且随着测量时间增加,尤其测量气体组分很多的情况下,因为每种气体分子量不同,在地球重力场条件下,会造成更明显的气体分层,会使气体浓度检测准确度下降。后续工作将对多通池内部气体分层进行有限元分析,然后采用气体分层补偿的方法提升CO2同位素丰度测量准确度。

    • 文中研制了用于红外气体检测的多通池压强控制系统,采用Ziegler-Nichols-PID算法,现实对多通池压强的高精度和高稳定性的控制。结果表明,通池压强为60 Torr时,控制精度为±0.04 Torr。同时,利用该系统对13CO212CO2吸收光谱和CO2同位素丰度进行了测量实验,可以证明:该系统可以为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。

      为了进一步提升CO2同位素丰度测量精度,笔者从以下方面着手进行研究。(1)吸收线选取方面。选取13CO212CO2两条吸收谱线更近,使得二者基态能极差更小,提升同位素丰度测量精度。(2)为了减少气体因自身重力,导致其在多通池内部分层而带来测量精度下降的问题。笔者将采用动态测量方式,提升同位素丰度测量精度。

参考文献 (12)

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