科氏流量计驱动系统模糊PID控制器设计及仿真

　　0　引言

　　科里奥利质量流量计(简称科氏流量计),是一种利用科里奥利(Coriolis)效应[1]直接测量流体质量流量的仪表。它的工作机理是建立在测量管振动基础上的,在工作过程中需要驱动系统为测量管提供周期性的驱动力,使测量管以其固有频率和稳定的振幅作周期性振动。对这个振动的控制在科氏流量计中位于极其重要的地位,是产生精确测量数据的前提和基础。现在最普遍的测量管振动控制技术是利用模拟电路组成的正反馈电路,即将传感器信号乘以一个驱动增益后当作驱动信号输出给激振器[2]。驱动增益控制单元,作为驱动系统的核心单元,对驱动增益进行调节以产生适当的驱动信号对测量管进行驱动,使其快速起振并建立起稳幅振荡,是实现测量管振动控制的关键。

　　当前,科氏流量计驱动系统的驱动增益控制主要采用以P算法和PI算法为基础的PID调节[3-5]。PID调节器具有实现简单、鲁棒性好、可靠性高的特点,但它不能在线整定参数,对于模型复杂难以预测,具有非线性、时变特点的科氏流量计驱动系统测量管的振动控制,其综合控制效果并不是很理想,不同程度地存在起振时间较长、超调较大、起振后振动不稳定等问题[4]。

　　为解决存在的问题,针对科氏流量计驱动系统的特点,引入模糊PID控制技术[6],设计了科氏流量计驱动系统模糊PID控制器进行驱动增益控制,以改善测量管振动控制性能,并利用MATLAB中的Fuzzy Logic Toolbox和Simulink工具进行了计算机仿真比较。

　　1　科氏流量计驱动系统分析

　　1·1　驱动系统的组成及工作原理

　　驱动系统是科氏流量计的一个重要组成部分,它的主要任务是从速度传感器中取出信号,经过必要的处理,产生驱动信号送到激励线圈,使测量管以其固有频率和稳定的振幅持续振动[4]。经典的科氏流量计驱动电路结构示意图[7]如图1所示。

　　其工作原理为:安装在测量管上的磁电式速度传感器提取测量管的振动信号,先经过一个电压跟随电路以提高带负载能力,然后进行初步放大,得到的信号进入滤波电路,滤波后分为2路,一路经过精密整流电路产生与传感器信号幅度成比例的近似为恒定值的直流信号,该直流信号作为直流增益控制信号。从直流增益控制电路出来的信号与另一路滤波后的传感器信号相乘,相乘得到的信号经过电压放大及功率放大后产生驱动信号,送到激励线圈,对测量管进行驱动,使它以固有频率和稳定的振幅持续振动。为实现科氏流量计的测量原理,测量管必须维持稳定的谐振状态,这是通过驱动系统的自激振荡来实现的。驱动系统的自激振荡须遵循严格的闭环自激的相位条件和幅度条件,在此系统中由于采用速度传感器相位条件自动满足,幅度条件是通过直流增益控制电路,即驱动增益控制电路来实现的[3, 5]。当流体密度变化时,振动系统的固有频率会发生变化,由于系统的自激特性,振动频率能够自动跟踪固有频率的变化[3]。