基于虚拟仪器的真空计参数自动测试系统

0 引言

真空技术是20世纪初发展起来的一门新的学科技术。随着科技的进步，真空技术作为一门实用的基础技术已广泛应用于航天、航空、高能物理、可控热核聚变、表面物理、半导体与微电子等尖端科学研究领域[1]。真空计是用来测量绝压状态下大气压力的仪器，其测量的准确性对真空环境下进行的科学研究、产品质量有直接影响[2]。

在真空计准确性的测试过程中，需要在校准室内不同量级真空度下，均匀选取3个稳定测试点的真空度，将参考真空计和待测真空计一同接到校准室上进行对比[3]。测试点的真空度通常需要测试人员凭经验采取手工方式不断调节气体质量流量控制器的通气量来获得，调节不仅耗费时间而且不容易稳定在实验要求的真空度测试点，导致测试的效率低下，增加了实验难度。在测试过程中，测试人员不仅需要手动调节气体质量流量控制器的参数，还需要人工观察并手工记录实验数据。数据采集的实时性较差，人为引入测量误差较多，无法保证测量的准确性和可靠性。

针对上述问题，设计了基于虚拟仪器的真空计参数自动测试系统，实现了数据的采集、记录、计算与真空度调节的自动化。下面就测试校准室结构、测试过程、真空度控制算法、软件实现功能作以介绍，最后对系统完成的测试结果进行分析。

1 校准室结构及测试过程

动态比较法是一种用于高真空和超高真空区间的真空计参数的测试方法[4]。动态比较法采用真空校准室结构示意图如图1所示。图中G1为参考真空计，G2为被测真空计；图中A与B为气体流动互为对称之处，两处压强相等；测试时通过真空泵组成的抽气系统向外抽气，通过气体质量流量控制器控制进气量的大小获取测试点真空度。当参考真空计的读数达到并稳定在指定真空度测试点时，记录被测真空计读数并计算测量误差。动态比较法的优点在于本身有较大的气体流动，所以真空容器及真空计本身的吸气、放气对真空系统的影响不大，可以忽略不计。

图1 真空校准室结构示意图

真空计测试系统组成如图2所示。在球形容器的赤道上均匀分布有待测真空计接口，以保证室内真空压力的均匀性，真空系统采用分子泵和机械泵组成，能够缩短测试所需的时间，并为真空计测试系统提供所需要的高真空环境。

1—前级泵；2、4、6、7、9、13、15—真空阀门；3—气源；5—稳压室；8—气体质量流量控制器；10—校准室；11—参考真空计;12—被测真空计;14—分子泵
图2 真空计测试系统结构图

开始测试前，通过阀门4、7、9向校准室10内输入约50 kPa的N2后，再关闭上述阀门，将被测真空计安装在校准室赤道的接口上。随后通过前级泵1、阀门15、13和分子泵14组成的抽气系统将真空抽至极限真空以减少本底误差，然后可以开始测试，通过气源3和阀门4向稳压室5输入一定压力的N2，关闭阀门4，然后打开测量控制软件，输入指定真空度，自动测试软件采用PID算法调节气体质量流量控制器的通气量，将校准室真空度调节至测试点要求的真空度，等待参考真空计读数稳定后，记录参考真空计和测真空计的读数并计算误差。此过程需要依次在10-6～10-3 mbar(1 mbar=100 Pa)范围内的每一个量级下均匀测量3组数据样本。

2 软件设计

对于自动测试系统的开发平台有多种选择。其中，LabVIEW是一种基于G语言(graphics language，图形化编程语言)的虚拟仪器开发平台，具有可视化界面，是实现对设备的控制，数据的采集、存储、处理和显示的理想选择[5-10]。自动测试系统程序采用模块化设计方法，不仅提高了开发效率，同时增强了可维护性，还为未来程序功能的扩展留下空间[11-14]。下面对系统PID控制算法及实现、数据采集等关键VI模块予以说明。

2.1 控制算法

2.1.1 PID控制系统原理

PID控制算法简单、运行可靠且结构清晰、易于实现，对于特定的控制对象，具有很强的鲁棒性，是一种常见的控制器，其思路在于把采集到的数据和一个设定值进行比较，然后将误差通过比例、积分、微分算法处理计算出新的输出值，该值再输入给执行部件，使系统达到或保持在设定值[14]。本系统采用PID算法实现对校准室内真空度的调节与控制，PID控制系统原理如图3所示。

图3 PID控制系统原理图

图3中ysp为设定值，即测试点目标真空度；y为系统输出，即通过PID控制气体质量流量控制器调节后的实际真空度；e为控制误差，e=ysp-y，即设定真空度值与实际测量真空度值的差；u为控制信号，通过PID控制器计算出控制气体质量流量控制器阀门开度的大小值。PID控制器的表达式为

u=kpe+kie(t)dt+kd

(1)

式中：u为系统控制输出；kp为比例调节系数；ki为积分调节系数；kd为微分调节系数。

式(1)中比例环节，即成比例地反映控制系统的偏差，用以减小系统偏差；积分环节主要用于消除系统静差，提高系统的无差度；微分环节主要反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统动作速度，减少调节时间。

为了便于程序的实现，将PID离散化后可得

(2)

式中：u(k)和e(k)分别为第k次采样的计算机输出值和误差值，本系统的采样周期取1 s。

2.1.2 继电反馈PID自整定方法

PID控制器能否实现较好的控制效果与PID的参数值的选取有很大关系。其参数的取值将影响PID控制器的性能，参数整定不当不但会影响控制的精度，还可能导致系统不稳定。由于真空计测试系统存在诸多不确定性，是一个动态平衡的系统，设备、环境对其影响较大，在本测试过程中由于测试点的不同会导致系统环境发生改变，就需要对参数重新进行整定。传统的PID控制器的整定方法往往依靠经验，为了提高PID整定参数的准确性，PID控制自整定技术便应运而生[15]。

本系统采用继电反馈PID自整定方法计算PID控制器的参数。自整定控制系统原理如图4所示。该系统有2种模式：控制模式和自整定模式。在自整定模式下，闭环控制回路中加入继电特性的非线性控制，使被控过程产生极限环振荡，并由极限环振荡曲线得到系统的特征参数，临界比例Ku和临界振荡周期Tu，再利用Z-N临界比例度PID参数整定表计算对应的PID参数；在控制模式下，利用自整定模式下求得的控制器参数进行PID控制。如果系统的测试条件发生变化，需要重新回到自整定模式进行参数整定，整定结束后再回到控制模式。相较于传统的PID参数自整定技术，耗时少且易于使用，全程只需要确定一个参数就可以自动整定计算出PID的控制器的参数[16]。

图4 自整定控制系统原理

利用描述函数法对系统进行分析可以确定临界增益和临界振荡周期。当系统处于等幅值振荡，非线性环节输入一个正弦信号e(t)=Asin ωt，在标准继电情况下，继电输出u(t)的周期为Tu、幅值为M的方波信号，用傅里叶级数表示为

(3)

理想继电特性N(A)用描述函数表示，可以简化成u(t)的基波成分与输入正弦曲线的幅度之比，即式中M是继电特性幅值，A是振荡曲线的幅值。闭环系统产生极限环振荡的条件为

1+N(A)Gp(jω)=0

(4)

式中Gp(jω)为被控过程。

Z-N临界比例度公式的参数Ku和Tu可以通过以下方程表示：

(5)

Tu=(Tmax-Tmin)×2

(6)

式中：Ku为继电特性在传输幅度为等幅振荡的正弦信号时的等价临界振荡比例增益；Tu为临界振荡周期；A为幅值，可依据图5所示的基于继电特性的PID参数自整定算法的控制过程曲线计算，

(7)

式中：ymax和ymin分别为自整定过程中系统进入稳定的等幅振荡后系统输出最大值和最小值；Tmax和Tmin为其对应的时间。

图5 继电振荡自整定过程曲线

当自整定过程达到等幅振荡之后，结合式(5)～式(7)计算临界增益Ku和振荡周期Tu，再由Z-N临界比例度PID参数表表1计算PID控制器的参数。

表1 临界比例度PID参数整定

2.1.3 PID控制程序的实现

利用LabVIEW提供的PID自整定模块可以快速实现PID控制，该模块提供PID的基本算法，不仅可以手动对PID参数进行调节，还可以利用自整定向导对参数进行自动的整定。开发者只需要对PID自整定模块的接线定义进行相应的接线即可。PID控制程序如图6所示。设定值是指被控过程变量的目标值，即测试过程中所要获得的目标真空度值；过程变量指被控变量的测量值，即测试过程中真空计所采集的实时真空度值，根据实际情况，气体质量流量计的最小和最大开度范围为0～100%。

图6 PID控制程序

当设定值或测试条件发生变化后，需要对PID参数进行及时的整定。自整定向导开启参数整定效果如图7所示，可以根据实际需要选择不同的控制类型，改变继电振幅等获得更好的控制效果。

图7 参数整定界面

2.2 仪表通信部分实现

本系统真空测量部分选用德国Thyacont全量程高精度真空计，该仪表测量范围为1 000～10-8 mbar，能够覆盖实验所需的测试范围，进气控制系统部分选用CS200型数字式气体质量流量控制器，该仪表能够提供2、5、10 sccm(1 sccm=1.69 mPa·m3/s)等多种流量量程的气体质量流量控制器，能够满足不同量级真空度下校准室的供气需要，实现对真空计测试系统流量的测量和调节。两种仪器都提供RS485通信接口，通过串行通信方式实现对真空计和气体质量流量控制器的测量与控制。

LabVIEW提供了完善的串口应用模块VISA，是一组标准的I/O函数库及其相关规范的总称，可作为上位机和下位机之间的连接模块。本软件用到了4个串口操作函数，分别是VISA Configure Serial Port串口参数初始化函数，用于设置串口通信的波特率、数据位数、校验方式、停止位数等参数；VISA Write串口写函数，向串口缓冲区写入数据；VISA Read串口读函数，读取串口缓冲区中的数据；VISA Close关闭串口函数，结束与指定串口资源之间的会话。流量计通信部分程序如图8所示。

图8 流量计通信程序

LabVIEW提供了丰富的数据采集、字符截取和字符转换等功能的模块，以满足不同的数据处理需求。以真空计为例，上位机通过RS485串口与真空计通信，首先根据通信协议将数值读取指令发送给真空计，然后接收包含当前真空度信息的数据帧，返回的数据帧通常包含多种信息，为了方便数据的处理，需要对返回的数据帧进行处理。此部分主要用到“搜索/拆分字符串”函数，用于搜索特定字符串中的信息，并将匹配后的信息输出；“分数/指数字符串至数值转换”函数，使科学计数法字符转换为数字形式，方便后续程序之间的数据传输；“写入文本文件”函数，将采集到的信息进行保存，方便日后数据的整理和查找。真空计数据采集与处理程序如图9所示。

图9 真空计数据采集与处理程序

3 人机界面设计

LabVIEW提供了诸多图形化控件，使得软件界面友好。按照实际需要对软件添加实时曲线变化显示等功能，使得实验过程更加直观，便于人员现场进行观察。软件的主界面如图9所示。包括参考真空计设置，待测真空计，气体质量流量控制器和真空度控制4个部分。

图10 软件主界面

4 测试结果与分析

按照上述的实验流程在相同的实验环境下使用同一参考真空计，对同一台Thyacont真空计分别采用人工测试和软件自动测试两种方式进行测量，得到的测量结果如表2和表3所示。

表2 人工测试

表3 自动测试

排除环境扰动和真空计本身的测试误差等因素后，分析表2和表3人工测试与自动测试数据的结果表明，自动测试结果与手动测试结果基本相同，能够代替手工对真空计测试。相较于手动测试，自动测试系统有如下优点：

(1)系统采用图形化操作界面，实验人员操作方便，数据显示直观，易于观察。

(2)数据采集稳定、准确，避免引入人为误差导致测量结果不准确。

(3)在测试过程中，根据每个被检定仪器的技术指标动态的对每个测量点进行判断，实时显示该测量点数是否符合技术指标要求，免去人工计算、判断，降低测试人员工作强度。

(4)具备数据存储和查询功能，可随时查阅已测仪器的测量数据与测量结果。

(5)自动测试程序中加入的PID控制器，能够快速地将真空度调节至指定测试点真空度。测试时间从手工的1～2 min缩减至自动调节的10 s左右，节省了测试时间，提升了测试效率。

5 结束语

利用LabVIEW开发的真空计参数自动测试系统，界面友好，操作简单，使用过程中用户只需要对真空计、气体质量流量控制器和真空度的参数进行简单的设置便可自动完成测试。与手动测试的实验对比结果表明，应用该自动测试系统能够替代手工测试，实现数据记录与真空度调节的自动化，从而缩短了真空计参数的测试周期，减轻了测试人员的工作强度；同时消除了测试人员由于手工记录数据实时性不强而造成的实验误差，提高了测试精度；加入的PID控制算法使系统能快速达到测试点真空度，提高了测试系统的自动化程度；加入的继电型参数自整定提高了PID控制算法对系统的适应性；程序采用的模块化设计使得系统功能的扩展性、可维护性大大提高。