非线性幅值控制算法中2种PI控制器的比较

　　科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)的驱动性能影响系统启振时间的长短、抗干扰能力以及流量测量的精度。科氏流量计由科氏传感器和变关器组成,其中,科氏传感器包括流量管、电磁激振器和速度传感器,变送器包括信号处理电路和驱动电路等。现在国内研制的科氏流量计基本上采用模拟驱动电路,模拟增益控制器的比例放大系数恒定,既不能太大,否则将导致响应超调大,甚至不稳定;又不能太小,否则,响应时间长。若采用半数字驱动控制方法即数字方法计算驱动增益,可以选用先进的控制算法以实现灵活的增益控制[1-3]。

　　非线性幅值控制算法[4]是一种较好的驱动增益控制方法。在该算法中,采用积分分离的PI控制器[5]或积分限幅的PI控制器可以有效地避免积分饱和出现超调现象。为了比较2种控制器,在科氏传感器模型的基础上建立模拟驱动方式的仿真模型,并根据实际电路以及实验数据,对模型参数和仿真结果进行验证;然后,采用仿真手段对非线性幅值控制方式中的2种PI控制器进行比较,以便将较好的控制方法应用于科氏流量计的数字驱动系统。

　　1　科氏传感器模型参数的验证

　　本文研制了模拟驱动电路,对高准公司的CNG050型科氏传感器进行驱动,得到实验数据。根据实际电路的参数设置模型的参数,进行仿真。通过与实验数据的对比,检验模型的正确性。

　　模拟驱动系统的结构框图如图1所示,其中,v(t)是科氏传感器中速度传感器的输出信号;v1(t)是v(t)放大后的信号;Amp是v1(t)经过全波整流电路得到的幅值;增益(Gain)是由增益控制电路计算出的驱动增益;v1(t)与Gain相乘后经过功率放大等作为科氏传感器和驱动。各变量之间的关系为:

　　图2是与图1对应的Simulink[6-8]仿真框图。考虑到实际电路中含有噪声,在图2中加入随机噪声,大小由因子2的值来决定,设置为0·01。CNG050型科氏传感器激振线圈的电阻大约为500Ω,为了表示将电压转换成电流,因子1的值设置为0·002。模型是科氏传感器的时变参数模型,通过S函数为模型提供变化的阻尼比。科氏传感器的输入是电流信号i(t),输出是速度信号v(t) ,用2阶系统的传递函数[4]描述为:

　　其中,ξs为系统的阻尼比;ωn为自然角频率;Ks为科氏传感器本身决定的系数。

　　根据由系统传递函数建立状态空间表达式的方法[9],由(7)式得到系统的状态空间表达式为:

　　其中,y为电压信号v(t); u为电流信号i(t)。由此建立的科氏传感器时变参数模型如图3所示。其中,增益1模块的值为Ks;增益3模块的值为-ω2n;常数3模块值为2ωn;阻尼比ξs从输入端口2引入;u为模型的输入端口;y为模型的输出端口。