活塞式压力传感器压力平衡控制研究

摘要

近年来，海洋技术快速发展，各国对海洋资源开发力度逐渐加大。对海洋的开发首当其冲离不开对海洋要素的探测，随着对海洋探测逐渐深入，对海洋探测技术与海洋装备研制提出了更高的要求。针对海洋要素中的压力探测，项目组设计一款既可以测量大量程海水压力，又可以测量海水微小压力变化的活塞式海水压力测量装置。本文重点对该测量装置控制系统进行实验探究。
　　首先，阐述了活塞式海水压力测量装置的工作原理。液体在压力作用下体积会发生变化，该变化是有一定规律的。活塞式深海压力测量装置通过控制装置内压力容器体积变化而改变内部压力，控制系统作用下使该压力与装置外部海水压力平衡，通过测量体积变化等效计算出海水压力，系统通过一个小量程差压传感测量微小压力变化。
　　然后，根据测量压力的方法与目标，设计活塞式海水压力测量装置的控制系统。主要包括驱动活塞运动的伺服电机、压力与位移信号采集和作为控制核心的工控机。针对在不同深度海水环境中，系统控制对象非线性变化，为了进一步提高控制系统平衡响应，设计二维模糊PID控制器。
　　最后，完成活塞式海水压力测量装置控制系统，搭建实验平台，在实验平台上进行压力平衡、绝对压力测量、微小压力测量实验。1000Kpa下通过活塞位移计算得到压力最大误差为25.91Kpa，在2000Kpa装置平衡后，能够准确测量微小压力变化，精度可达0.019Kpa。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 深海压力传感器国内外研究现状

1．2．1 国外深海压力测量概况

1．2．2 国内深海压力测量概况

1．3 课题来源及研究目的

1．4 全文章节安排

第二章 传感器压力平衡方法与方案设计

2．1 压力平衡原理

2．2 压力平衡方法概述

2．2．1 弹性元件压力平衡方法

2．2．2 活塞式压力平衡方法

2．3 活塞式压力传感器设计

2．3．1 传感器设计总体方案

2．3．2 传感器压力平衡装置设计

2．3．2 传感器控制系统设计

2．4 本章小结

第三章 压力传感器系统模型

3．1 机械传动系统模型

3．2 交流伺服电机数学模型

3．2．1 交流永磁同步电机矢量控制

3．2．2 电流矢量坐标变换

3．2．3 交流永磁同步电机动态方程

3．2．4 电机三环控制器模型的建立

3．3 系统数学模型与仿真

3．4 本章小结

第四章 传感器控制系统设计与仿真

4．1．1 PID控制

4．1．2 模糊控制

4．2 控制器原理

4．2．1 PID控制器原理

4．2．2 二维模糊控制器原理

4．2．3 模糊PID控制系统

4．3 压力平衡系统控制器设计

4．3．1 控制器总体结构设计

4．3．2 模糊控制器设计

4．5 本章小结

第五章 压力传感器实验平台搭建与软件设计

5．1 实验平台搭建

5．1．1 交流伺服电机与驱动器

5．1．2 工控机与运动控制卡

5．1．3 数据采集卡

5．1．4 传感器

5．2 软件设计

5．2．1 人机交互界面的设计

5．2．2 控制程序设计

5．3 本章小结

第六章 平台实验与分析

6．1 卡尔曼滤波测试

6．2 压力与活塞位移关系实验

6．3 压力平衡实验

6．4 绝对压力测量

6．5 微小压力变化测量实验

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况