基于状态观测模型的科氏力传感器驱动控制方法

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于状态观测模型的科氏力传感器驱动控制方法。

背景技术

随着社会经济不断进步，各行各业的发展日新月异，流量计作为工业生产和过程控制中使用广泛的计量仪表之一，其测量结果的精准度对整个生产环节有着十分重要的意义。相比于传统的体积流量计，科氏力传感器不仅能直接测量流体的质量流量，还可测量流体密度，并且具有较高的测量精度，故广泛应用于工农业生产、科学研究、对外贸易等领域。目前国内科氏力传感器生产厂商大多采用模拟驱动方公式进行工作，此方法通过增益控制输出直接将传感器检测到的振动信号放大后作为激励信号，由于该控制架构简单，所以普遍应用于各种型号的科氏力传感器。然而，在科氏力传感器的实际应用中，这种传统的驱动方公式存在不可忽视的问题。一方面，由于实验环境的影响和测量的特殊性易受外界噪音干扰，导致模拟驱动中的激励信号也会包含这些噪音和干扰信号，从而降低了科氏力传感器的测量精度；另一方面，当科氏力传感器测量非常规流体时(如批料流或气/液两相流等)，无法准确跟踪科氏力传感器的动态响应变化，从而降低了流量计动态性能的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于状态观测模型的科氏力传感器驱动控制方法，该方法将振动信号转化为相量表达公式进行解算，并通过内反馈形公式对外界干扰进行了抑制，从而确保能准确跟踪科氏力传感器的动态响应变化，具有良好的跟踪性能。

本发明所采用的技术方案是，基于状态观测模型的科氏力传感器驱动控制方法，具体步骤如下：

步骤1、建立科氏力传感器机电耦合动力学模型，进一步得到科氏力传感器一阶固有频率处的传递函数；

步骤2、将科氏力传感器的实际输出信号分别进行峰值检测和相位差计算，然后其计算的值与有效模型解算信息进行对比，进而形成了科氏力传感器的驱动信号；

步骤3、引入归一化相位误差作为相位控制的测量信息，用于瞬态变化时激发科氏力传感器的固有模态并验证科氏力传感器是否达到稳定状态；

步骤4、利用状态观测模型对科氏力传感器的扰动进行在线估计，当流体与敏感管之间的耦合扰动作用变大时，将科氏力传感器的估计干扰值进行在线补偿。

本发明的特征还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、当科氏力传感器正常工作时，根据牛顿运动定律，得到：

公式(1)中，F(·)为激振器的输出力，m为含流体敏感管的等效质量，c为敏感管的等效阻尼，k为两敏感管的等效刚度，x(·)为敏感管的位移，t为时间；

其中，

激振器的输出力表示为：

科氏力传感器的输出电压信号表示为：

公式(2)和(3)中，l

步骤1.2、依据公式(1)所示的动力学模型，将公式(2)和(3)经过拉氏变换，得到科氏力传感器一阶固有频率处的传递函数G(s)：

公式(4)中，k

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、当科氏力传感器处于稳定状态时，给出其线性微分方程和科氏力传感器的输出表达为：

公式(5)中d

公式(5)中位移x(·)是关于时间的函数，则函数x

x

其中，X

将公式(7)～(9)代入公式(5)中，将微分方程写成实部和虚部的相量形公式：

相应地，科氏力传感器的谐波激励信号写成相量表达公式：

u

其中，U

步骤2.2、依据科氏力传感器的相量表达公式，通过线性化控制定义参考相量模型为：

其中，

科氏力传感器输入激励幅值表达式表述为：

步骤2.3、根据拉普拉斯变换性质，将时域下的传递函数式(4)转换到频域内(即s＝jω)，因而科氏力传感器的传递函数写成：

为了计算幅值响应，将传递函数以共轭复数形公式展开，得到实部和虚部的表达公式：

得到科氏力传感器相位控制表达公式为：

依据式(14)和式(17)就是实现了科氏力传感器模型参数控制器设计。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、用X

令矢量归一化长度为1，如果矢量X

|U

步骤3.2、将公式(20)与公式(17)中的相位角结合，得出：

步骤3.3、用归一化相位误差ε来代替稳定状态下的相位角，表示为：

由上公式可知，归一化相位误差适合作为测量变量，通过该变量的结果可验证激励频率是否达到固有频率值；

步骤3.4、为了验证科氏力传感器是否达到稳定状态，把系统的激励信号u

ε(t)＝U

在相量控制中，比例因子K

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、通过对科氏力传感器的输出信号进行相量控制方法，可以获得敏感管振动的幅值和周期，再将实际振幅和期望振幅做比较，进而获得科氏力传感器的输入信号，相应的数学表达公式为：

u

式中，u

步骤4.2、将合成后的输入信号和滤波后的干扰观测信号叠加作为科氏力传感器的实际输入信号，则表达为：

式中，u

步骤4.3、在实际应用中，科氏力传感器受到实际干扰后实际的输入信号u

u

将公式(26)代入到公式(27)中，则科氏力传感器实际的输入信号表达为：

然后，通过整理公式(28)，可推导出科氏力传感器实际的干扰信号：

那么，通过实际输出信号x

步骤4.4、将科氏力传感器的估计输入信号

本发明的有益效果是：

(1)本发明方法通过数字信号处理方法将科氏力传感器的振动信号进行解算，提取敏感管的固有频率和幅值参数，并将两者合成为驱动信号对流量计进行激励，并通过内反馈形公式对外界干扰进行了抑制，从而确保能准确跟踪科氏力传感器的动态响应变化，保证了驱动算法具有良好的跟踪性和稳定性。

(2)本发明方法通过状态观测器模型对驱动系统进行补偿，避免科氏力传感器在受外界干扰情况下造成其测量不准确的问题，从而提高了科氏力传感器工作的稳定性，为科氏力传感器驱动控制性能的提升提供工程实践参考。

(3)本发明方法以科氏力传感器的驱动方公式作为研究对象，通过频率响应对流量计的振动特点进行具体分析，并建立科氏力传感器机电耦合动力学模型。同时，根据振动信号的数字信号处理方法，提出基于状态观测模型的科氏力传感器驱动相量控制方法。

附图说明

图1是科氏力传感器的传感器结构示意图；

图2是本发明方法中科氏力传感器的机电耦合动力学模型原理框图；

图3是本发明方法中驱动相量控制方法的整体架构图；

图4是本发明方法中科氏力传感器动态情况下的输入和输出信号示意图；

图5是本发明方法中固有频率下激励的矢量归一化示意图；

图6是本发明方法中基于状态观测模型的驱动相量控制方法原理框图；

图7是驱动控制实验中检测信号幅值；

图8是驱动控制实验中驱动信号幅值。

图中，1.激振器，2.左检测器，3.右检测器，4.敏感管，5.外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于状态观测模型的科氏力传感器驱动控制方法，本发明方法应用于科氏力传感器的激振器和检测器。目前市面上的科氏力传感器结构分布都类似，只是传感器的形状有所区别，其结构图如图1所示，该图中1为激振器，2为左检测器，3为右检测器，4为敏感管，5为外壳。由于外壳5内的激振器1、左检测器2及右检测器3结构装配于敏感管4上，所以将激振器1、左检测器2、右检测器3及敏感管4者视为同一质量单元体进行分析。当科氏力传感器为流体稳定状态时，敏感管4的阻尼非常小且变化不大，故可将科氏力传感器敏感管4的阻尼视为一个常数，相应的科氏力传感器动力学模型如图2所示，具体步骤如下：

步骤1、通过频率响应对科氏力传感器的振动特点进行具体分析，并建立科氏力传感器机电耦合动力学模型，进一步得到科氏力传感器一阶固有频率处的传递函数；

步骤1、具体按照以下步骤实施：

步骤1.1当科氏力传感器正常工作时，根据牛顿运动定律，得到：

公式(1)中，F(·)为激振器的输出力，m为含流体敏感管的等效质量，c为敏感管的等效阻尼，k为两敏感管的等效刚度，x(·)为敏感管的位移，t为时间；

科氏力传感器实际工作中，通过外部信号发生器向激振器的通电线圈发送交流电信号，此时在磁场作用下会产生电磁力，该电磁力也为激振器的输出力，激振器的输出力表示为：

正是由于电磁力激励敏感管，从而使敏感管往复振动，因此检测器产生感应电动势，又称此感应电动势为科氏力传感器的输出电压信号，其表达公式为：

公式(2)和(3)中，l

步骤1.2、依据公式(1)所示的动力学模型，将公式(2)和(3)经过拉氏变换，得到科氏力传感器一阶固有频率处的传递函数G(s)：

公式(4)中，k

步骤2、在科氏力传感器的实际应用中，测量单一介质或流体稳定状态时，科氏力传感器的驱动系统具有良好的稳定性，但在多介质或流动非稳定状态下，流体与敏感管之间的扰动作用会影响驱动系统的跟踪性能。为了保证在流体非稳定工况下的测量准确性，需要在短期内跟踪到流体变化后的固有频率，使激振频率与敏感管固有频率保持一致。因此，提出一个有效相量模型来描述科氏力传感器的动态振动行为，相应控制方法如图3所示，将科氏力传感器的实际输出信号分别进行峰值检测和相位差计算，然后其计算的值与有效模型解算信息进行对比，进而形成了科氏力传感器的驱动信号。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、当科氏力传感器处于稳定状态时，给出其线性微分方程和科氏力传感器的输出表达为：

公式(5)中d

公式(5)中位移x(·)是关于时间的函数，则函数x

x

其中，X

相应地，科氏力传感器的谐波激励信号写成相量表达公式：

u

其中U

步骤2.2、依据科氏力传感器的相量表达公式，通过线性化控制定义参考相量模型为：

其中

由于流体的不确定性，导致实际科氏力传感器具有时变性，则式(10)中矩阵A

步骤2.3、根据拉普拉斯变换性质，将时域下的传递函数式(4)转换到频域内(即s＝jω)，因而科氏力传感器的传递函数写成：

为了计算幅值响应，将传递函数以共轭复数形公式展开，得到实部和虚部的表达公式：

得到科氏力传感器相位控制表达公式为：

依据式(14)和式(17)就是实现了科氏力传感器模型参数控制器设计。

步骤3、鉴于相位角仅在稳定状态下定义，可引入归一化相位误差ε作为相位控制的测量信息，用于瞬态变化时激发科氏力传感器的固有模态。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、由于归一化的原因，没有选择敏感管的速度

令矢量归一化长度为1，如果矢量X

|U

步骤3.2、将公式(20)与公式(17)中的相位角结合，得出：

步骤3.3、用归一化相位误差ε来代替稳定状态下的相位角，表示为：

由上公式可知，归一化相位误差适合作为测量变量，通过该变量的结果可验证激励频率是否达到固有频率值。

步骤3.4、为了验证科氏力传感器是否达到稳定状态，把系统的激励信号u

ε(t)＝U

在相量控制中，比例因子K

步骤4、在科氏力传感器的实际应用中，其会受到外界因素的干扰(例如：密度、流量、压力)，这些因素的改变不仅影响了科氏力传感器原有的振动特性，而且也会使科氏力传感器的固有频率发生明显的变化，从而影响科氏力传感器的测量精度。在数字驱动控制基础上，本研究利用状态观测模型对科氏力传感器的扰动进行在线估计，当流体与敏感管之间的耦合扰动作用变大时，将科氏力传感器的估计干扰值进行在线补偿，相应的控制方法架构如图6所示，图中x*为科氏力传感器的期望振幅；ζ为期望振幅和实际振幅的误差值；f为反馈信号的频率；u

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、通过对科氏力传感器的输出信号进行相量控制方法，可以获得敏感管振动的幅值和周期，再将实际振幅和期望振幅做比较，进而获得科氏力传感器的输入信号，相应的数学表达公式为：

u

式中，u

步骤4.2、将合成后的输入信号和滤波后的干扰观测信号叠加作为科氏力传感器的实际输入信号，则表达为：

式中，u

步骤4.3、在实际应用中，科氏力传感器受到实际干扰后实际的输入信号u

u

将公式(26)代入到公式(27)中，则科氏力传感器实际的输入信号表达为：

然后，通过整理公式(28)，可推导出科氏力传感器实际的干扰信号：

那么，通过实际输出信号x

步骤4.4、将科氏力传感器的估计输入信号

通过上公式可看出，利用实际的输出信号和受控对象的逆模型可估计出科氏力传感器中存在的干扰项。因此，使用状态观测模型可减小外部干扰对科氏力传感器的影响，从而提高科氏力传感器的测量精度。

采用如图1所示科氏力传感器，其敏感管的材料为316L不锈钢、管壁厚度为2.5mm、内径为32mm，采用通气/液两相流实验来检验基于状态观测科氏力传感器驱动控制的有效性。实验中，德国dSPACE实时仿真系统向科氏力传感器激振器线圈发出驱动控制信号，然后将采集得到的检测器信号输入到仿真系统的Simulink科氏力传感器密度解算算法。

从图7-8的检测信号幅值和驱动信号幅值可看出，在气/液两相流时传统PID驱动和本发明所提出数字驱动方法的检测信号均会出现明显的衰减现象，但本发明所提出数字驱动方法的驱动幅值大，且系统响应速度明显加快。因此，相比于传统PID驱动方公式，新型数字驱动方式将数字信号处理系统引入到整个控制回路，对科氏力传感器输出信号进行幅值控制和频率解析，保证了流体在发生突变时驱动系统具有良好的跟踪性能。