基于模糊参数自适应PID的高压爆破片泄压测试装置

材料对爆破压力的影响，并进行了数值模拟和实验的对比，但对其所用的测试设备介绍极少，其实验数据的压力值也均较低：王路逸等针对爆破片疲劳特性做了一定研究，所设计的实验装置亦可进行泄压测试，但其能达到的最大压力为64 MPa，对高压及超高压爆破片的泄压测试则无能为力。

针对爆破片的安全运行问题，本文参考与爆破片设计及测试相关的国家标准，设计了一种基于LabVIEW和PLC控制的爆破片泄压测试装置对爆破片质量进行评估测试。该泄压测试装置采用了气液增压技术，可实现超高压输出，且考虑到非线性系统的控制问题，采用了模糊参数自适应PID的控制策略，重点解决如何进行参数在线调整以及减小系统输出偏差。

1爆破片泄压测试装置的设计

爆破片泄压测试装置是由气液增压伺服系统和控制系统构成，其基本原理如图1所示。爆破片泄压测试装置的硬件组成主要包括气动回路及液压回路中的气动三元件、气动比例阀、气动液压泵、阀以及控制系统中的上位机、下位机及传感器。在该测试装置对爆破片进行泄压测试时，下位机PLC在接收到来自上位机的信号后控制两个电磁阀共同得电。一方面使气控针阀在驱动气体的作用下闭合，实现液压回路的保压：另一方面经气动比例阀调节后的低压驱动气体驱动气动液压泵开始工作，使液压回路中的压力逐渐上升。液压回路中的压力传感器以及气动比例阀中内置的空气压力传感器采集压力数据，并反馈给控制系统，完成对输出压力的闭环控制。

1.1爆破片泄压测试装置的硬件设计

爆破片压力测试系统是一个集气液增压、数据采集、数据处理与分析为—体的综合检测系统。其中，气动比例阀作为气液增压系统的关键器件之一，选用了SMC公司的ITV3050系列的01F4CS3，其由电流控制，气动增压泵选用Haskel公司的DSTV-1.5HP型双作用增压泵，压力传感器选用WIKA的A-10型。工业控制计算机是压力数据存储及处理的核心部分，其型号为研华UNO-3074A，所搭载的操作系统为Win7 64位，其CPU型号为Intel 13，内存容量40 GB，并且支持RS232串口通信：在工业控制计算机中利用LabVIEW软件可以轻松开发出具有良好人机界面的上位机程序，完成压力数据的接收、处理、显示和打印。下位机选用性价比较高的三菱FX3GA作为主控单元，AD转换模块选用三菱FX3U-4AD，DA转换模块选用三菱FX2N-2DA，串口通信模块选用三菱FX3G-232-BD。

1.2爆破片泄压测试装置控制程序设计

爆破片泄压测试装置的工作流程如图2所示，根据系统的需求，该测试系统的控制程序主要是控制气液回路的升压、保压和泄压，以及完成对数据的采集、处理与显示。

该测试装置对爆破片进行测试时通过上、下位机控制完成，其中上位机采用LabVIEW进行开发，其软件结构如图3所示。LabVIEW程序的执行顺序根据数据流的方式确定，整个程序是基于多线程设计的，可以实现多任务的并行，将数据接收、存储放在一个子VI中，而将数据处理和数据显示放在另外的子VI中，这就决定了其易于实现程序的模块化设计。

考虑到PLC数据处理能力较弱等因素，期望输出由上位机计算后实时发送至PLC中。由于LabVIEW按照数据流模式运行VI，如何合理地将循环中计算的期望输出发送给PLC成为重要考量。在充分考虑串口发送速度等因素后，采用的定时中断结构如图4所示。

上位机与三菱FX-3GA的通信方式一般有两种：OPC服务器通信与串口通信。通过OPC服务器实现上下位机的通信虽然方便，但成本较高，而使用Modbus协议通信等相对较繁琐。综合考虑之下，使用自由口通信协议进行上下位机的通信。由于三菱FX-3GA在进行自由口通信模式时，报头报尾默认为十六进制字符串，因此将传输数据统一转换为十六进制。在进行测试时为减少工程技术人员的工作量，输入的压力数据为十进制数值，因此，需要在上位机中对发往PLC的数据进行转换。由于LabVIEW中字节数组至字符串转换函数只能识别八位，为了尽量节省工控机资源并结合实际需求，使用LabVlEW公式节点对输入压力值进行类型转换。

在实际压力测试与数据采集的过程中，由于系统本身的振动以及外界电磁干扰等因素的影响，若未采取滤波措施或滤波效果较差，则采集到的数据中将包含大量的噪声。为解决这一问题，除在PLC的AD模块中进行初步的滤波外，该系统还在上位机程序中利用LabVIEW设计了Butterworth滤波器和Chebyshev滤波器等来进一步对采集到的压力数据进行处理。

压力数据在经过滤波处理后，爆破片压力测试系统的人机交互界面中将会实时显示，并即时绘制出压力的变化曲线。依据实际需求，为便于对采集处理后压力数据进行后续的分析，系统将采集的所有压力数据及对应时间写入文本文档中进行保存备份。

1.3爆破片泄压测试装置控制策略设计

由于气液增压伺服系统是一个强非线性的高阶系统，其工作状态和特性参数实时变化，而常规的定参数PID控制器具有线性特性，只在工作点附近保持良好的控制性能，因此在偏离工作点较远的位置，常规固定参数的PID控制器将因控制对象的时滞特性以及非线性特征而变得难以保持所设计的动态控制品质。基于以上分析，本文采用了一种模糊参数自适应PID控制器。其中，模糊控制器的设计包括语言变量及其范围的选择、隶属度函数的设计、控制规则设计和去模糊化方法的选择。该模糊参数自适应PID控制器控制原理如图5所示。

该控制器以工作点附近的PID参数作为其起始参数，通过获取输入量偏差e、偏差变化量ec，并通过计算得到该PID控制器的参数调整系数△K_p、△T_i、△T_d，表达式为（1）式中μ为模糊控制器的输出。

对PID控制器参数的实时调整，使该控制器能够图5模糊参数自适应P1D控制器控制原理更好适用于气液增压伺服系统的控制表达式为

用PLC对模拟量进行PID控制时通常可以采用PID控制模块、PID指令或通过自编程序实现PID控制等。PID过程控制模块是由PLC厂家设计并存放在模块中，尽管使用方便但价格昂贵。PID指令由PLC主控单元提供，其与模拟/数字和数字/模拟模块组合使用时，可以获得近似于使用PID控制模块的效果，成本却低得多；但其博而不专，调整时间长且准确度不佳。因此，在上位机中设计了与系统相适应的模糊控制器，并将模糊控制器的输出发送至PLC中，对PLC中的PID控制器的参数进行在线调整。

2系统测试结果与分析

该爆破片压力测试系统设计完成后，通過建立该系统数学模型，利用Mariab/simulink工具进行PID控制器设计，计算并选取出一组合理的PID参数值，在经过反复地试验和调试后，完成对参数自适应PTD控制器的起始参数整定。

在实验室内进行泄压测试系统性能测试以验证本文所设计的爆破片泄压测试装置的实际效果。在爆破片泄压测试装置的上位机界面中，输入测试压力700 bar（1 bar=100 kPa），然后对通信参数进行配置，在界面中点击确定压力输入后，该测试装置开始控制气液回路按测试要求进行升压，完成对爆破片的泄压测试，测试结束后保存并记录上位机接收的压力数据。图6所示为测试装置压力线性上升阶段的上位机运行图。从图中可以看出，压力基本为线性上升，但由于元器件动态响应等因素的影响，系统输出仍有一定的偏差，压力值仍存在一定程度上的波动。在后续实际的压力测试试验时，该系统可以完成0～100 MPa之间的爆破片压力测试，并且输出准确度高、响应速度快，基本满足了与爆破片设计及测试相关的国家标准中对爆破试验的要求。

3结束语

综上对爆破片泄压测试装置设计的分析和研究，在其硬件设计以及软件设计的各个环节中，综合考虑了控制准确度、成本和可靠性。通过实际的测试证明，基于LabvIEw和PLc开发的控制系统基本实现了系统输出压力的线性升压，并且具有稳态误差小、输出准确度高以及可靠性好的优点，基本达到了设计要求。该测试系统具有实现方便、成本低等特点，且基本能够满足国标中对爆破片压力测试的要求，在检验爆破片生产质量及促进生产工艺进步等方面将发挥一定的作用。

（编辑：商丹丹）