基于质量流量的智能气体配比仪的开发与研究

论文摘要

目前在工业生产中主要是通过控制两种物料的流量来配置两种混合气体。传统的气体配比采用针孔调节和电位器调节等方法来产生工业生产用的标准气体,方法繁琐而且精度很难保证。因此,为了实现气体配比的自动化和配比气体的高精度,有必要设计一种高精度的气体配比装置。本文在研究气体检测技术、质量流量配气原理、配气控制算法等问题的基础上利用单片机研发了基于质量流量的高精度气体自动配比装置。为了保证配比气体高精度的要求:1、采用了高精度的A/D,D/A芯片,高速单片机设计了智能气体配比仪的硬件电路,从硬件电路上保证了配比系统的高精度性。2、采用了质量流量补偿算法并对质量流量控制器的采样信号进行分段线性化处理,减小了气体配比中质量流量控制器非线性对气体配比的影响。3、采用模糊自整定PID的控制算法,有利于消除系统的稳态误差,改善系统的动态响应特性。由于气体的配比过程是一个比较复杂的过程,因此本文采用了质量流量补偿算法和模糊自整定PID的控制算法对PID的参数进行了在线修改,提高了系统对噪声的抑制能力,进一步改善了系统鲁棒性。设计完成了基于质量流量的智能气体配比装置的硬件电路,编写了配比仪的相关软件,实现了气体自动配比功能,达到了预期的性能指标。气体配比仪的系统误差分析和实验结果表明该配比仪能够实现两种气体的任意浓度配比,重复精度能够达到0.2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 流量检测在国内外的发展
• 1.2.1 流量检测技术的发展
• 1.2.2 流量计的分类
• 1.3 智能仪表的发展趋势
• 1.4 论文内容及结构
• 第2章 智能气体配比的设计原理
• 2.1 配比气体的一般特性
• 2.2 气体配比的基本原理
• 2.3 质量流量配比的基本原理
• 2.3.1 毛细管传热温差量热法基本原理
• 2.3.2 质量流量的配比方法
• 2.4 气体配比的PID控制算法
• 2.4.1 常规 PID控制算法
• 2.4.2 数字 PID控制算法
• 2.4.3 PID控制的优缺点
• 2.5 小结
• 第3章 智能气体配比的硬件电路设计
• 3.1 控制系统的总体框图
• 3.2 智能气体配比仪硬件单元电路设计
• 3.2.1 电源模块电路设计
• 3.2.2 单片机系统单元设计
• 3.2.3 模拟量采集电路设计
• 3.2.4 电压基准电路和保护电路的设计
• 3.2.5 气体配比回路的设计
• 3.2.6 数/模（A/D）转换电路设计
• 3.2.7 数字量输出电路设计
• 3.2.8 模拟量输出电路设计
• 3.2.9 人机接口电路设计
• 3.2.10 串行通信接口电路设计
• 3.3 智能气体配比仪硬件抗干扰措施
• 3.3.1 干扰来源与分类
• 3.3.2 硬件抗干扰措施
• 3.4 气体配比仪硬件实物图
• 3.5 小结
• 第4章 气体配比高精度的控制方法
• 4.1 质量流量控制器的分段线性化
• 4.1.1 传感器的非线性特性
• 4.1.2 质量流量控制器的线性化补偿
• 4.2 模糊控制在气体配比中的必要性
• 4.3 模糊算法在 PID控制中的应用
• 4.3.1 模糊控制的基本思想
• 4.3.2 模糊自整定PID控制器结构原理
• 4.4 PID参数模糊自整定的实现
• 4.4.1 模糊规则的建立
• 4.4.2 PID控制器参数的在线调整
• 4.5 小结
• 第5章 智能气体配比的软件设计
• 5.1 单片机主程序设计
• 5.2 单片机子程序设计
• 5.2.1 人机接口—触摸屏模块设计
• 5.2.2 模/数转换模块设计
• 5.2.3 气体配比中的分段线性化模块设计
• 5.2.4 模糊PID算法模块设计
• 5.2.5 通讯模块设计
• 5.3 软件抗干扰措施
• 5.4 小结
• 第6章 系统调试及误差分析
• 6.1 系统实验
• 6.2 配比仪功能试验
• 6.3 配比仪精度分析
• 6.3.1 配比仪控制精度
• 6.3.2 配比仪测量精度
• 6.4 智能气体配比仪系统误差分析
• 6.4.1 配比系统误差分析的变量定义
• 6.4.2 混合气体浓度对配比精度的影响
• 6.5 质量流量计控制精度对配比精度的影响
• 6.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
• 致谢
• 附录
• 详细摘要