气动泵流量控制系统的设计

本系统以AVR系列的atmega32单片机为核心，通过设置atmega32的PWM控制寄存器产生脉宽可调的PWM波，对比例电磁阀的输入电压进行调制，从而实现了对气体流量的变量控制。单片机通过均速管流量计采集实际流量信号，根据该信号在其内部采用数字PID算法对PWM控制寄存器的值进行修改，从而达到精确的变量控制。为了防止外界干扰信号进入控制系统，单片机和均速管之间采用光电隔离，提高了系统的可靠性。

由均速管流量计对气体额流量进行监测，该种流量计属差压式流量计，由单点测速的皮托管演变发展而来，基于流体力学能量守衡原理，遵从伯努利定律，控制气体流量采用比例电磁阀。通过4×4键盘和128×64液晶模块实现人机对话，便于用户操作。系统结构如图1所示。

图1  流量控制系统框图

流量控制算法
考虑气动泵泵气过程的非线性等因素，采用了人类专家的知识和求解问题的启发式规则来构造专家控制器，从而实现流量的智能控制，保证气动泵供气的稳定性。

1 基于专家系统的智能PID控制简介
专家系统主要有五部分：知识库、数据库、推理机、解释部分和知识获取部分。本系统的被控对象具有比较大的非线性、滞后性等特性，考虑到对其控制性能、可靠性、实时性的要求，将专家系统简化，不设人机自然语言对话，将知识库、规则集缩小，于是专家系统变成了专家控制器，从而能使专家系统在控制器上实现。

基于专家系统的智能PID控制器如图2所示。专家知识库是根据熟练操作工或专家的经验和知识，把各种工况下被控对象特性所对应的PID参数记录在数据库中而形成；数据库存放被控对象的输入和输出信号、给定信号（即获得了偏差和偏差变化率）；逻辑推理机则从数据库中取出实际运行数据，根据给出的推理机制，从专家知识库中选择合适的参数，实现参数自整定PID控制。

图2  专家PID控制器原理框图

2  流量的专家PID控制
在军工业生产中，当我们不完全了解一个系统和被控对象，或被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，这个时候往往采用PID控制技术最为方便。PID算法以其结构简单、稳定性好、工作可靠、高速方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。系统控制器的结构和参数必须通过经验和现场调试来确定。

模拟PID控制器的控制规律为：
(1)
式中，KP—比例系数；TI—积分常数；TD—微分常数；u0—控制常量。

由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制；并且，单片机处理数据的量有限，综合考虑该系统采用增量式PID控制，其算式为：
u(k)=u(k-1)+Δu(k)        (2)
Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k) +KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]       (3)
气体流量值经过比例换算之后作为气泵的给定值，通过PID控制器的输出来控制气泵的流量。e(k)为气泵给定流量与实际测量值的偏差；e(k-1)为上一时刻的误差值；e(k-2)为上一采样时刻的误差值。KP是解决幅值震荡，KP大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；KI是解决动作响应速度快慢的，KI大了响应速度慢，反之则快；KD是消除静态误差的，一般KD设置都比较小，而且对系统影响比较小。

由于气体流量测量的特殊性以及气体控制过程中的非线性、时变、滞后等特性，采用上述PID控制算法不能达到令人满意的效果，由此采用辅以专家控制规则来进行补偿控制。根据气泵偏差及其变化率，本文提出的控制器按以下6种情况进行设计：
①当|e(k)|>M1（PWM波的幅值）时，说明误差绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。

Δu(k)=Δumax或者Δu(k)= -Δumax                        (4)
此时，系统相当于实施开环控制。

②当e(k)·Δe(k)≥0时，误差在朝绝对值增大方向变化，或误差为常值，未发生变化。如果此时|e(k)|>M2（设定的误差界限），说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到使误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，调节器输出可为
Δu(k)=KI{KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}   （KI>1）         (5)

如果|e(k)|

③当e(k)·Δe(k)<0、Δe(k)·Δe(k-1)>0或者e(k)=0时，说明误差在朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时可考虑采取保持控制器的输出不变，输出为
Δu(k)=0                  (6)

④当e(k)·Δe(k)<0、Δe(k)·Δe(k-1)<0时，误差处于极值状态，系统出现振荡现象。如果此时误差的绝对值较大，即|e(k)|≥M2，则采用较强的控制作用。
Δu(k)=K2KPe(k)  （K2<1） (7)

反之则考虑实施较弱的控制作用。
Δu(k)=K3KPe(k)   （K3<1）(8)

⑤当|e(k)|<ε，ε为一任意小的正数，可取为0.001。此时误差很小，考虑加入积分环节，减少稳态误差。控制算法为普通比例加积分控制
Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)] +KIe(k)                       (9)

⑥当e(k)=0时，说明系统已经达到平衡状态，此时可考虑维持当前控制量不变。调试发现当误差达到控制精度要求后可维持当前控制量不变，从而避免小范围的波动使被控对象更快稳定下来。

综上所述，系统调节器控制规律实际相当于变结构PID控制器，根据误差及误差变化情况选择不同的控制规律，以便使系统迅速达到给定流量值。

硬件部分
1  PWM控制原理
PWM控制功率输出级为开关型结构，功耗小。在功率驱动放大电路中需要将PWM输出的电压信号转换为比例电磁铁的电流控制信号。因此，可采用大功率场效应晶体管IRF540，它能够提供足够大的电流驱动比例阀的比例电磁铁等效线圈，通过调整单片机的PWM波就可以实现电磁阀输入电压占空比的调节，从而实现对流量的调节。

PWM控制系统是非线性、非连续控制系统。其控制原理：先给被控参数设定一个期望值，接着该参数与测得的实际值经比较环节得出误差信号，误差信号再与一个三角波信号经比较器进行比较，当误差信号大于三角波信号时，就输出脉冲，反之不输出，因此，比较器输出一系列等振幅不等宽的矩形波，其脉冲宽度与误差信号成线性关系。根据该原理，采用PWM控制器输出的脉冲去触发开关，开关再去触发执行机构，执行机构按脉冲宽度的时间动作，从而达到自动控制参数的目的。

图3  PWM控制系统框图

图3中，PWM控制器的输出u(t) 为

式中，M为PWM波的幅值；T为PWM的脉冲周期；Tk为PWM波的采样时间，k=0，1，2，3，…；b为比例系数。

2  比例电磁阀
比例电磁阀在20世纪60年代末就已经得到了应用，最初是用于液压控制系统，随着单片机和集成电路的发展，其逐渐应用到各种气体的流量控制中。比例型电磁铁的工作原理如下：线圈通电后，轭铁和衔铁内部产生磁通并产生电磁吸力，将衔铁吸向轭铁，同时衔铁上的弹簧受到压缩，当衔铁上的电磁力和弹簧力平衡时，衔铁停止位移。比例型电磁铁的衔铁运动时，气隙保持恒定，即衔铁在有效行程范围内，吸力保持恒定，而电磁铁的吸力在有效行程范围内和线圈的电流大小成正比。目前，过程控制用比例电磁阀均为单级阀，和普通单级电磁阀区别不大，如图4所示。控制信号进入控制器放大后，在比例电磁铁线圈的两端加上一定的电压，转换成一定的电流信号，驱动衔铁（即阀芯）开启，阀芯上的电磁力和弹簧力平衡后，阀门的开度不变；输入信号变化，阀门的开度也发生变化，从而达到控制所需参数的目的。

图4  单级比例电磁阀

软件部分
1 PWM波的产生
设计采用单片机atmega32产生PWM信号。atmega32的定时/计数器的PWM模式可以分成快速PWM和频率（相位）调整PWM两大类。本设计采用快速PWM模式，快速PWM可以得到比较高频率的PWM输出，响应比较快，因此具有很高的实时性。此时计数器仅工作在单程正向计数方式，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较匹配寄存器的值决定了占空比的大小。快速PWM模式的控制寄存器设置如下：
//输出端口初始化
　　PORTD=0x44；
　　DDRD=0x20；
　　//T/C1初始化
　　TCCR1A=0xC3；/*比较匹配时OC1A输出高电平，在top值时清零ICP下降沿捕捉，
　时钟1/8分频（暂定），即工作在反相pwm模式*/
　TCCR1B=0x0A；//10位快速pwm模式
　TCNT1H=0x00；//start at 0
　TCNT1L=0x00；
2 控制系统的程序流程
其控制程序的流程图如图5所示。

图5  流量控制流程框图

3 PID子程序流程
将系统误差e(k)和误差变化率Δe(k)变化范围定义为e(k)，e(k)={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，各元素分别代表流量差值及流量差值变化率。根据不同的e(k)，Δe(k)的量化取值和控制器数学模型，选择相应的控制器计算公式进行PID运算，从而完成流量的智能控制。专家PID控制算法的PID子程序计算流程如图6所示。

图6  PID子程序框图
　　
Matlab下的仿真
Matlab是控制系统的一种分析和仿真软件，利用它可以方便准确地对控制系统进行仿真，为了验证数字PID算法的可靠性，采用Matlab6.5下的simulink组件对增量数字PID算法进行了仿真，仿真结果如图7所示。仿真结果表明运用PID对PWM方波进行调解具有良好的动态性和稳定性，从而证明了该气体流量控制系统得可行性。

图7 仿真结果

结语
本设计采用了西门子的专用PID模块，大大简化了程序。同时，采用了图形编程方式，使程序更直观，交互界面更加友好。运用数字PID算法结合AVR单片机的PWM功能实现了气体流量的控制，利用PWM信号控制比例电磁阀开口的大小，实现了流量的连续控制，减少了滞后性，同时采用了增量式数字PID算法调节，实现了闭环控制，使系统调节更准确、更稳定。此外，运用Matlab软件进行了仿真，证明了系统的可行性。