本发明涉及岩石原位物性测量，具体涉及到一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统及方法。
背景技术：
1、在地壳深部高温高压的条件下，尤其是在火山活动区域，岩石会发生部分熔融作用，生成高导的熔体。当熔体在岩石颗粒边缘形成连通网格时，能够对岩石电导率的提升带来明显帮助，这也是导致中下地壳导电异常的重要机制之一；除此之外，与相对绝缘的固体颗粒相比，液相的熔体具有更好的导电性，即地壳深部的压力、温度和含水量都对熔体电导率产生重要的影响，另外，地壳深部的压力、温度和含水量也会对部分熔融的岩石超声波速产生不同的影响。中下地壳导电和超声波速异常对于中下地壳的动力学演化模拟和板块边界的运动过程机理认识具有重要的作用，因此如何在实验室中开展模拟中下地壳的岩石部分熔融过程并原位(岩石样本保持在加载容器内)采样岩石样本的物性特征一直是断裂带动力学演化及地震发震研究的工作重点之一，为此实验研究常采用活塞-圆筒式压机对岩石样本进行原位高温高压加载以模拟中下地壳的岩石部分熔融过程。这个过程中装载岩石样本的压力容器的轴向压力最高可达40gpa(岩石样本直径通常为3cm)，而温度则最高达到1000℃，
2、针对上述问题，本发明提供了一种减少失真，提高线性度的一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统及方法。
技术实现思路
1、本发明提供了一种减少失真，提高线性度的一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统及方法。
2、本发明的目的是提供一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，包括调理电路、交流电压采样电路、加热变压器副边输出电压调理电路和模拟数字转换电路，调理电路、交流电压采样电路均与模拟数字转换电路连接，并采用fpga结合智能神经单元pid自动控制程序。
3、进一步的，调理电路包括油压传感器、运算放大器ad11、运算放大器ad12、运算放大器ad33和运算放大器ad38，油压传感器的模拟信号输入端口连接有电阻r77和电阻r78并设定整个调理链路的输入阻抗为2kω，同时将油压传感器的模拟信号分压为0-2.5v范围内，r78连接运算放大器ad11的3脚作为正输入的平衡电阻，运算放大器ad11的2脚和8脚串联有电阻r72作为负反馈电阻，电阻r72并联电容c95将输入模拟信号的宽带限制在0-1khz,运算放大器ad12连接有电阻r73、电阻r74、电阻r75、电阻r76、电容c97和电容c96组成二阶有源低通滤波器并滤除输入模拟信号的高频噪声，运算放大器ad12的6脚连接有电阻r79和r329并将ad12的6脚输出信号分压为0-2.5v范围内输入到运算放大器ad33的3脚，运算放大器ad33的2脚连接有电阻r80作为负反馈电阻，运算放大器ad33的6脚输出连接有r81，运算放大器ad38连接有电阻r81、电阻r82、电阻r318、电阻r319组成单端差分放大电路并将运算放大器ad33的输出单端信号转换为差分信号，运算放大器ad 38的4脚和5脚连接有电阻r321、电阻r322和电容c98共同组成共模滤波电路并滤除掉运算放大器ad38的4脚和5脚输出的差分信号的高频共模噪声，电阻r321和电容c99、电阻r322、电容c100分别组成运算放大器ad38的4脚和5脚输出信号的差模滤波电路，并分别滤除运算放大器ad38的4脚输出信号和运算放大器ad38的5脚输出信号的高频差模噪声。
4、进一步的，交流电压采样电路包括运算放大器ad9和运算放大器ad10，运算放大器ad9的3脚连接有电阻r64和电阻r67并将输入的副边电压分为0-2.5vac范围，运算放大器ad9的2脚和6脚连接有电阻r61作为负反馈电阻，电阻r61并联有电容c81和运算放大器ad9组成一阶有源低通滤波器并滤除大功率加热变压器的副边电压的高频噪声，运算放大器ad10与电阻r63、电阻r62、电阻r65和电阻r66组成单端转差分信号电路，并将运算放大器ad9的6脚输出单端信号转换为模拟数字转换芯片所需的差分信号ad2_p和ad2_n，电阻r66和电阻r69、电容c82组成共模滤波电路，并滤除掉差分信号ad2_p和ad2_n的共模噪声，电阻r66和电容c83、电阻r69、电容c84组成差模滤波电路分别滤除信号ad2_p和ad2_n的差模噪声。
5、进一步的，加热变压器副边输出电压调理电路包括运算放大器ad31和运算放大器ad32，运算放大器ad31的3脚连接有电阻r309和电阻r313，并组成分压电路将变压器副边输出0~100a电流转换为0-1000v电压分压为0-2.5 v范围采样电压，运算放大器的2脚和6脚连接有电阻r71作为负反馈电阻，运算放大器ad 31的2脚和6脚并联有电容c85和电阻r71组成一阶有源低通滤波器并滤除采样电压的高频噪声，运算放大器ad32与电阻r307、电阻r308、电阻r310、电阻r311一起组成单端信号转差分信号电路，并将ad31的6脚输出单端信号转换为模拟数字转换芯片所需的差分信号ad3_p和ad3_n，运算放大器ad32的4脚和5脚连接有电阻r314、电阻315和电容c86组成共模滤波电路，并滤除差分信号ad3_p和ad3_n的共模噪声，电阻r314和电容c87、电阻r135、电容c88组成差模滤波电路，并滤除信号ad3_p和ad3_n的差模噪声。
6、进一步的，模拟数字转换电路包括模拟数字转换芯片ads1，模拟数字转换芯片ads1配置有10ksps采样速率，输入范围为-2.5v~2.5v，模拟数字转换芯片ads1的3脚和4脚连接调理电路的差分信号ad1_n和ad1_p，模拟数字转换芯片ads1的1脚和2脚连接加热变压器副边电压调理电路的差分信号ad1_n和ad1_p，模拟数字转换芯片ads1的64脚和63脚连接加热变压器副边电压调理电路的差分信号ad3_n和ad3_p，模拟数字转换芯片ads1的10脚连接有电阻r295，并上拉电源3.3v，模拟数字转换芯片ads1的32脚连接有电阻r297,并上拉电源3.3v，模拟数字转换芯片ads1的30脚和31脚连接有电阻r296并下拉接数字地，模拟数字转换芯片ads1的33脚-41脚统一上拉电阻r294至3.3v电源，模拟数字转换芯片ads1的6脚、43脚、54脚、57脚和58脚接模拟地，模拟数字转换芯片ads1的7脚、21脚、24脚和25脚接数字地，模拟数字转换芯片ads1的5脚、60脚、53脚、44脚接模拟电源，模拟数字转换芯片ads1的22脚和23脚接3.3v数字电源，模拟数字转换芯片ads1的26脚接1.8v串行总线接口电源，模拟数字转换芯片ads1的56脚外接有电容c114和电容c116滤波电容至模拟地。
7、一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制方法应用于，应用于一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，方法包括以下步骤：
8、步骤一、当上位机软件在某一时刻先发送p、i、d初始值并通过千兆网下行总线传输给fpga，之后上位机软件进入等待状态，若用户给出油压/温度自动控制启动命令，此命令同时包含油压/温度控制目标值和两者的加载速率，启动命令通过千兆网下行总线传输给fpga，反之上位机软件继续等待；
9、步骤二、fpga接收到启动命令后进行解析并将解析后的命令包参数通过内部总线发送给内嵌处理器，同时fpga部分开始将模拟数字芯片转换后发送来的油压、电压、电流3种数字信号进行暂存也发送给内嵌处理器；
10、步骤三、内嵌处理器接收到3种数字信号和启动命令后开始分别执行油压、加热功率的智能神经元pid自动控制程序，当前步的智能神经元pid自动控制程序执行完毕后，fpga开始监控上位机软件是否发送来新的启动命令，若上位机改变了油压/温度的控制目标值或者加载速率则，fpga接收新的命令包并通知内嵌微处理器下一步的智能神经元pid自动控制程序的计算参量已改变，智能神经元pid自动控制程序执行新的计算参量计算下一步的pid输出；
11、步骤四、在智能神经元pid自动控制程序的每一步计算执行后，内嵌微处理器判断当前步的pid输出值是否已达到油压/加热功率的控制目标值，若达到，则智能神经元pid自动控制程序退出执行循环，fpga并通知上位机，上位机进入等待状态并监控用户新的启动命令，若未达到目标值，则智能神经元pid自动控制程序继续计算循环；
12、步骤五、智能神经元pid自动控制程序每一步的计算结果输出给数字模拟转换电路转换为油压/加热功率控制模拟值分别控制直流变频电机/可控硅的驱动板调控直流变频电机/可控硅以达到油缸油压/加热功率的调控，进而调整压力容器的接触压力和压力容器内部的加热温度。
13、本发明具有以下优势：本发明采用fpga采样油缸油量的油压信号做为压力容器的压力控制参量，相比传统的pid控制程序，fpga的内嵌微处理器采用智能神经元pid计算程序可实时修正p、i、d参数从而尽可能地在整个油压控制周期内消除油压变化的非线性，减小压力容器的接触压力的失真度。
14、本发明采用fpga采样大功率加热变压器的副边电压信号和电流做为温度控制的计算参量，相比传统的直接采样压力容器内的岩石样本的温度信号作为计算参量的方式更具控制鲁棒性；因为传统的直接采样温度信号的方式采用热电偶作为传感器，热电偶在高温时容易失效从而造成控制失稳，而样大功率加热变压器的副边电压信号和电流并转换为加热功率作为pid计算参量的方式则不存在执行不见失效的问题，因而能提高温度控制的鲁棒性。
15、本发明的加热功率的pid自动控制采用智能神经元pid计算程序，能实时修正p、i、d参数，尽量消除加热岩石样本时的温度非线性，减小压力容器内的岩石样本的加热温度的失真，提高其线性度。
1.一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，包括调理电路、交流电压采样电路、加热变压器副边输出电压调理电路和模拟数字转换电路，其特征在于：所述调理电路、加热变压器副边输出电压调理电路、交流电压采样电路均与模拟数字转换电路连接，并采用fpga结合智能神经单元pid自动控制程序，所述加热变压器副边输出电压调理电路采用fpga采样大功率加热变压器作为温度控制的计算参量，所述交流电压采样电路采用fpga采样油缸油量的油压信号作为压力控制参量。
2.如权利要求1所述的一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，其特征在于：所述调理电路包括油压传感器、运算放大器ad11、运算放大器ad12、运算放大器ad33和运算放大器ad38，所述油压传感器的模拟信号输入端口连接有电阻r77和电阻r78并设定整个调理链路的输入阻抗为2kω，同时将油压传感器的模拟信号分压为0-2.5v范围内，所述r78连接运算放大器ad11的3脚作为正输入的平衡电阻，所述运算放大器ad11的2脚和8脚串联有电阻r72作为负反馈电阻，所述电阻r72并联电容c95将输入模拟信号的宽带限制在0-1khz,所述运算放大器ad12连接有电阻r73、电阻r74、电阻r75、电阻r76、电容c97和电容c96组成二阶有源低通滤波器并滤除输入模拟信号的高频噪声，所述运算放大器ad12的6脚连接有电阻r79和r329并将ad12的6脚输出信号分压为0-2.5v范围内输入到运算放大器ad33的3脚，所述运算放大器ad33的2脚连接有电阻r80作为负反馈电阻，所述运算放大器ad33的6脚输出连接有r81，所述运算放大器ad38连接有电阻r81、电阻r82、电阻r318、电阻r319组成单端差分放大电路并将运算放大器ad33的输出单端信号转换为差分信号，所述运算放大器ad 38的4脚和5脚连接有电阻r321、电阻r322和电容c98共同组成共模滤波电路并滤除掉运算放大器ad38的4脚和5脚输出的差分信号的高频共模噪声，所述电阻r321和电容c99、电阻r322、电容c100分别组成运算放大器ad38的4脚和5脚输出信号的差模滤波电路，并分别滤除运算放大器ad38的4脚输出信号和运算放大器ad38的5脚输出信号的高频差模噪声。
3.如权利要求1所述的一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，其特征在于：所述交流电压采样电路包括运算放大器ad9和运算放大器ad10，所述运算放大器ad9的3脚连接有电阻r64和电阻r67并将输入的副边电压分为0-2.5vac范围，所述运算放大器ad9的2脚和6脚连接有电阻r61作为负反馈电阻，所述电阻r61并联有电容c81和运算放大器ad9组成一阶有源低通滤波器并滤除大功率加热变压器的副边电压的高频噪声，所述运算放大器ad10与电阻r63、电阻r62、电阻r65和电阻r66组成单端转差分信号电路，并将运算放大器ad9的6脚输出单端信号转换为模拟数字转换芯片所需的差分信号ad2_p和ad2_n，所述电阻r66和电阻r69、电容c82组成共模滤波电路，并滤除掉差分信号ad2_p和ad2_n的共模噪声，所述电阻r66和电容c83、电阻r69、电容c84组成差模滤波电路分别滤除信号ad2_p和ad2_n的差模噪声。
4.如权利要求1所述的一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，其特征在于：所述加热变压器副边输出电压调理电路包括运算放大器ad31和运算放大器ad32，所述运算放大器ad31的3脚连接有电阻r309和电阻r313，并组成分压电路将变压器副边输出0~100a电流转换为0-1000v电压分压为0-2.5 v范围采样电压,所述运算放大器的2脚和6脚连接有电阻r71作为负反馈电阻，所述运算放大器ad 31的2脚和6脚并联有电容c85和电阻r71组成一阶有源低通滤波器并滤除采样电压的高频噪声，所述运算放大器ad32与电阻r307、电阻r308、电阻r310、电阻r311一起组成单端信号转差分信号电路，并将ad31的6脚输出单端信号转换为模拟数字转换芯片所需的差分信号ad3_p和ad3_n，所述运算放大器ad32的4脚和5脚连接有电阻r314、电阻315和电容c86组成共模滤波电路，并滤除差分信号ad3_p和ad3_n的共模噪声，所述电阻r314和电容c87、电阻r135、电容c88组成差模滤波电路，并滤除信号ad3_p和ad3_n的差模噪声。
5.如权利要求1所述的一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制系统，其特征在于：所述模拟数字转换电路包括模拟数字转换芯片ads1，所述模拟数字转换芯片ads1配置有10ksps采样速率，输入范围为-2.5v~2.5v，所述模拟数字转换芯片ads1的3脚和4脚连接调理电路的差分信号ad1_n和ad1_p，所述模拟数字转换芯片ads1的1脚和2脚连接加热变压器副边电压调理电路的差分信号ad1_n和ad1_p，所述模拟数字转换芯片ads1的64脚和63脚连接加热变压器副边电压调理电路的差分信号ad3_n和ad3_p，所述模拟数字转换芯片ads1的10脚连接有电阻r295，并上拉电源3.3v，所述模拟数字转换芯片ads1的32脚连接有电阻r297,并上拉电源3.3v，所述模拟数字转换芯片ads1的30脚和31脚连接有电阻r296并下拉接数字地，所述模拟数字转换芯片ads1的33脚-41脚统一上拉电阻r294至3.3v电源，所述模拟数字转换芯片ads1的6脚、43脚、54脚、57脚和58脚接模拟地，所述模拟数字转换芯片ads1的7脚、21脚、24脚和25脚接数字地，所述模拟数字转换芯片ads1的5脚、60脚、53脚、44脚接模拟电源，所述模拟数字转换芯片ads1的22脚和23脚接3.3v数字电源，所述模拟数字转换芯片ads1的26脚接1.8v串行总线接口电源，所述模拟数字转换芯片ads1的56脚外接有电容c114和电容c116滤波电容至模拟地。
6.一种高温高压下岩石原位物性测量加载装置的自动控制方法，其特征在于：所述控制方法应用于权利要求1中的装置，具体步骤如下：
