氣動泵流量控制系統(tǒng)的設計

近年來，隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控制開關功率元件進行脈寬調(diào)制（pulse width modulation，簡稱PWM）的控制方式得到了廣泛的應用。

氣體流量控制系統(tǒng)的設計
本系統(tǒng)以AVR系列的atmega32單片機為核心，通過設置atmega32的PWM控制寄存器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波，對比例電磁閥的輸入電壓進行調(diào)制，從而實現(xiàn)了對氣體流量的變量控制。單片機通過均速管流量計采集實際流量信號，根據(jù)該信號在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM控制寄存器的值進行修改，從而達到精確的變量控制。為了防止外界干擾信號進入控制系統(tǒng)，單片機和均速管之間采用光電隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。

由均速管流量計對氣體額流量進行監(jiān)測，該種流量計屬差壓式流量計，由單點測速的皮托管演變發(fā)展而來，基于流體力學能量守衡原理，遵從伯努利定律，控制氣體流量采用比例電磁閥。通過4×4鍵盤和128×64液晶模塊實現(xiàn)人機對話，便于用戶操作。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1  流量控制系統(tǒng)框圖

流量控制算法
考慮氣動泵泵氣過程的非線性等因素，采用了人類專家的知識和求解問題的啟發(fā)式規(guī)則來構造專家控制器，從而實現(xiàn)流量的智能控制，保證氣動泵供氣的穩(wěn)定性。

1 基于專家系統(tǒng)的智能PID控制簡介
專家系統(tǒng)主要有五部分：知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋部分和知識獲取部分。軍工業(yè)生產(chǎn)所遇到的被控對象千變?nèi)f化，其復雜程度也不相同。本系統(tǒng)的被控對象具有比較大的非線性、滯后性等特性，考慮到對其控制性能、可靠性、實時性的要求，將專家系統(tǒng)簡化，不設人機自然語言對話，將知識庫、規(guī)則集縮小，于是專家系統(tǒng)變成了專家控制器，從而能使專家系統(tǒng)在控制器上實現(xiàn)。

基于專家系統(tǒng)的智能PID控制器如圖2所示。專家知識庫是根據(jù)熟練操作工或?qū)＜业慕?jīng)驗和知識，把各種工況下被控對象特性所對應的PID參數(shù)記錄在數(shù)據(jù)庫中而形成；數(shù)據(jù)庫存放被控對象的輸入和輸出信號、給定信號（即獲得了偏差和偏差變化率）；邏輯推理機則從數(shù)據(jù)庫中取出實際運行數(shù)據(jù)，根據(jù)給出的推理機制，從專家知識庫中選擇合適的參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)自整定PID控制。

圖2  專家PID控制器原理框圖

2  流量的專家PID控制
在軍工業(yè)生產(chǎn)中，當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或被控對象的結(jié)構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，這個時候往往采用PID控制技術最為方便。PID算法以其結(jié)構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、高速方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。系統(tǒng)控制器的結(jié)構和參數(shù)必須通過經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定。

模擬PID控制器的控制規(guī)律為：
(1)
式中，KP—比例系數(shù)；TI—積分常數(shù)；TD—微分常數(shù)；u0—控制常量。

由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進行連續(xù)控制；并且，單片機處理數(shù)據(jù)的量有限，綜合考慮該系統(tǒng)采用增量式PID控制，其算式為：
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)
氣體流量值經(jīng)過比例換算之后作為氣泵的給定值，通過PID控制器的輸出來控制氣泵的流量。e(k)為氣泵給定流量與實際測量值的偏差；e(k-1)為上一時刻的誤差值；e(k-2)為上一采樣時刻的誤差值。KP是解決幅值震蕩，KP大了會出現(xiàn)幅值震蕩的幅度大，但震蕩頻率小，系統(tǒng)達到穩(wěn)定時間長；KI是解決動作響應速度快慢的，KI大了響應速度慢，反之則快；KD是消除靜態(tài)誤差的，一般KD設置都比較小，而且對系統(tǒng)影響比較小。

由于氣體流量測量的特殊性以及氣體控制過程中的非線性、時變、滯后等特性，采用上述PID控制算法不能達到令人滿意的效果，由此采用輔以專家控制規(guī)則來進行補償控制。根據(jù)氣泵偏差及其變化率，本文提出的控制器按以下6種情況進行設計：
①當|e(k)|>M1（PWM波的幅值）時，說明誤差絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應考慮控制器的輸出應按最大（或最小）輸出，以達到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。

Δu(k)=Δumax或者Δu(k)= -Δumax                        (4)
此時，系統(tǒng)相當于實施開環(huán)控制。

②當e(k)·Δe(k)≥0時，誤差在朝絕對值增大方向變化，或誤差為常值，未發(fā)生變化。如果此時|e(k)|>M2（設定的誤差界限），說明誤差也較大，可考慮由控制器實施較強的控制作用，以達到使誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，調(diào)節(jié)器輸出可為
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)|<M2，則說明盡管誤差朝絕對值增大的方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可實施一般的PID控制作用。

③當e(k)·Δe(k)<0、Δe(k)·Δe(k-1)>0或者e(k)=0時，說明誤差在朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。此時可考慮采取保持控制器的輸出不變，輸出為
Δu(k)=0                  (6)

④當e(k)·Δe(k)<0、Δe(k)·Δe(k-1)<0時，誤差處于極值狀態(tài)，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。如果此時誤差的絕對值較大，即|e(k)|≥M2，則采用較強的控制作用。
Δu(k)=K2KPe(k)  （K2<1） (7)

反之則考慮實施較弱的控制作用。
Δu(k)=K3KPe(k)   （K3<1）(8)

⑤當|e(k)|<ε，ε為一任意小的正數(shù)，可取為0.001。此時誤差很小，考慮加入積分環(huán)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差?？刂扑惴槠胀ū壤臃e分控制
Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)] +KIe(k)                       (9)

⑥當e(k)=0時，說明系統(tǒng)已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，此時可考慮維持當前控制量不變。調(diào)試發(fā)現(xiàn)當誤差達到控制精度要求后可維持當前控制量不變，從而避免小范圍的波動使被控對象更快穩(wěn)定下來。

綜上所述，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律實際相當于變結(jié)構PID控制器，根據(jù)誤差及誤差變化情況選擇不同的控制規(guī)律，以便使系統(tǒng)迅速達到給定流量值。

硬件部分
1  PWM控制原理
PWM控制功率輸出級為開關型結(jié)構，功耗小。在功率驅(qū)動放大電路中需要將PWM輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為比例電磁鐵的電流控制信號。因此，可采用大功率場效應晶體管IRF540，它能夠提供足夠大的電流驅(qū)動比例閥的比例電磁鐵等效線圈，通過調(diào)整單片機的PWM波就可以實現(xiàn)電磁閥輸入電壓占空比的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)。

PWM控制系統(tǒng)是非線性、非連續(xù)控制系統(tǒng)。其控制原理：先給被控參數(shù)設定一個期望值，接著該參數(shù)與測得的實際值經(jīng)比較環(huán)節(jié)得出誤差信號，誤差信號再與一個三角波信號經(jīng)比較器進行比較，當誤差信號大于三角波信號時，就輸出脈沖，反之不輸出，因此，比較器輸出一系列等振幅不等寬的矩形波，其脈沖寬度與誤差信號成線性關系。根據(jù)該原理，采用PWM控制器輸出的脈沖去觸發(fā)開關，開關再去觸發(fā)執(zhí)行機構，執(zhí)行機構按脈沖寬度的時間動作，從而達到自動控制參數(shù)的目的。

圖3  PWM控制系統(tǒng)框圖

圖3中，PWM控制器的輸出u(t) 為

式中，M為PWM波的幅值；T為PWM的脈沖周期；Tk為PWM波的采樣時間，k=0，1，2，3，…；b為比例系數(shù)。

2  比例電磁閥
比例電磁閥在20世紀60年代末就已經(jīng)得到了應用，最初是用于液壓控制系統(tǒng)，隨著單片機和集成電路的發(fā)展，其逐漸應用到各種氣體的流量控制中。比例型電磁鐵的工作原理如下：線圈通電后，軛鐵和銜鐵內(nèi)部產(chǎn)生磁通并產(chǎn)生電磁吸力，將銜鐵吸向軛鐵，同時銜鐵上的彈簧受到壓縮，當銜鐵上的電磁力和彈簧力平衡時，銜鐵停止位移。比例型電磁鐵的銜鐵運動時，氣隙保持恒定，即銜鐵在有效行程范圍內(nèi)，吸力保持恒定，而電磁鐵的吸力在有效行程范圍內(nèi)和線圈的電流大小成正比。目前，過程控制用比例電磁閥均為單級閥，和普通單級電磁閥區(qū)別不大，如圖4所示?？刂菩盘栠M入控制器放大后，在比例電磁鐵線圈的兩端加上一定的電壓，轉(zhuǎn)換成一定的電流信號，驅(qū)動銜鐵（即閥芯）開啟，閥芯上的電磁力和彈簧力平衡后，閥門的開度不變；輸入信號變化，閥門的開度也發(fā)生變化，從而達到控制所需參數(shù)的目的。

圖4  單級比例電磁閥

軟件部分
1 PWM波的產(chǎn)生
設計采用單片機atmega32產(chǎn)生PWM信號。atmega32的定時/計數(shù)器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率（相位）調(diào)整PWM兩大類。本設計采用快速PWM模式，快速PWM可以得到比較高頻率的PWM輸出，響應比較快，因此具有很高的實時性。此時計數(shù)器僅工作在單程正向計數(shù)方式，計數(shù)器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小?？焖貾WM模式的控制寄存器設置如下：
//輸出端口初始化
　　PORTD=0x44；
　　DDRD=0x20；
　　//T/C1初始化
　　TCCR1A=0xC3；/*比較匹配時OC1A輸出高電平，在top值時清零ICP下降沿捕捉，
　時鐘1/8分頻（暫定），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 控制系統(tǒng)的程序流程
其控制程序的流程圖如圖5所示。

圖5  流量控制流程框圖

3 PID子程序流程
將系統(tǒng)誤差e(k)和誤差變化率Δe(k)變化范圍定義為e(k)，e(k)={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，各元素分別代表流量差值及流量差值變化率。根據(jù)不同的e(k)，Δe(k)的量化取值和控制器數(shù)學模型，選擇相應的控制器計算公式進行PID運算，從而完成流量的智能控制。專家PID控制算法的PID子程序計算流程如圖6所示。

圖6  PID子程序框圖
　　
Matlab下的仿真
Matlab是控制系統(tǒng)的一種分析和仿真軟件，利用它可以方便準確地對控制系統(tǒng)進行仿真，為了驗證數(shù)字PID算法的可靠性，采用Matlab6.5下的simulink組件對增量數(shù)字PID算法進行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果表明運用PID對PWM方波進行調(diào)解具有良好的動態(tài)性和穩(wěn)定性，從而證明了該氣體流量控制系統(tǒng)得可行性。

圖7 仿真結(jié)果

結(jié)語
傳統(tǒng)的氣體流量控制大多采用高速開關電磁閥，電磁閥的頻繁開關會產(chǎn)生很大滯后性，不利于控制的系統(tǒng)的實時性。本設計采用了西門子的專用PID模塊，大大簡化了程序。同時，采用了圖形編程方式，使程序更直觀，交互界面更加友好。運用數(shù)字PID算法結(jié)合AVR單片機的PWM功能實現(xiàn)了氣體流量的控制，利用PWM信號控制比例電磁閥開口的大小，實現(xiàn)了流量的連續(xù)控制，減少了滯后性，同時采用了增量式數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了閉環(huán)控制，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更準確、更穩(wěn)定。此外，運用Matlab軟件進行了仿真，證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡便，系統(tǒng)設置靈活。