数字科氏质量流量计正负阶跃交替激励启振方法

　　1 引 言

　　随着科技和工业生产的发展，特别是过程工业的发展，需要采用科氏流量计测量批料流和气液两相流等复杂流体。但是，由于市场现有型号科式流量管空满管固有频率大多相差近 10 Hz，两相流发生时阻尼比变化有两个数量级以上[1- 2]，而实际测量要求流量管以固有频率稳幅振动，因而，在批料流或两相流发生时，驱动系统如何进行频率、相位和幅值的快速跟踪控制至关重要。流量管的启振过程包含了这些参量的跟踪控制，是一个由静止到稳定工作的过程，能完全反映出驱动系统的跟踪控制性能，因而研究流量管的快速启振具有重要意义.

　　现有的模拟驱动[3-4]　启振时间长，且无法维持流量管在复杂流体工况下稳幅振动，甚至可能造成流量管停振。为此，人们研究数字驱动方法[5-9]。数字驱动即在控制回路中引入数字系统环节，通过数字合成的方法输出信号驱动流量管，控制方法灵活。目前，国内的研究重点还是放在提高科氏流量计的测量精度方面，很少研究数字驱动问题;国外虽然研究了数字驱动的相关内容，如非线性幅值控制[10-11]，数字科氏流量计驱动系统的 FPGA 实现方法[12]，但对数字驱动的启振过程及实现细节未做详细披露[13-15]。为此，本文采用数字驱动方法研究启振过程并通过比较提出一种基于相位跟踪的正负阶跃启振方法，结合频率估计和非线性幅值控制，使流量管快速平稳启振。

　　2 启振方法

　　2.1 数字驱动

　　科氏流量计的振动体系为无限自由度受迫振动体系，有无限多个主振型。激振系统一般都采用第一主振型。因而，这里采用一维有阻尼受迫振动系统来描述流量管模型，即其传递函数可表示为：

　　数字驱动原理框图如图 1 所示。驱动起始阶段，由驱动模块产生系统自激信号激振流量管;当传感器输出信号幅值 u 达到频率估计要求幅值 a 后，停止激励，进入零驱动模式;由频率估计算法获得准确固有频率，合成正弦驱动信号;结合非线性幅值控制算法，使流量管迅速启振至期望幅值，进入正常工作阶段。

　　由图 1 可知，自激信号的选择以及频率估计算法和幅值控制都将影响着流量管的快速平稳启振。又由仿真研究及实验可知，自激驱动使流量管输出增大至要求幅值 a 的时间是制约启动速度的关键，因而需研究如何产生自激信号。

　　2.2 正弦波启振

　　当初始激励为正弦波时，即：

　　式中：ωd=2πfd, fd为驱动频率，A 为正弦驱动的幅值，为方便计算，设初始相位θ0=90°。