气动泵流量控制系统的设计方案

1、气动泵流量控制系统的设计近年来，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采 用全控制开关功率元件进行脉宽调制vpulsewidthmodulation ，简称PWM的控制方式得到了广泛的应用。气体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

2、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 4X4键盘和128X64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。军工 业生产所遇到的

3、被控对象千变万化，其复杂程度也不相同。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。

4、Yf时卩id ）込卜T气屍适長图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，禾U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:式中，KP-比例系数；TI 积分常数；TD微分常数；uO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

5、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+ u(k(2 u(k=KPe(k-e(k-1+Kle(k+KDe(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

6、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：当|e(k|M1PWM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= umax或者 u(k=- umax(4此时，系统相当于实施开环控制。当e(k e(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=KIKPe(k-e(k-1+Kle(

7、k+KDe(k-2e(k-1+e(k-21) (5如果 |e(k| 当 e(k e(k e(k-10 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 u(k=0(6 当e(k e(k e(k-1| M2则采用较强的控制作用。 u(k=K2KPe(kK2反之则考虑实施较弱的控制作用。 u(k=K3KPe(kK3 当|e(k|=KPe(k-e(k-1+Kle(k(9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

8、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1PWM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

9、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3PWM控制系统框图图3中，PWM控制器的输出u(t为训二加何0丿M诫(圳莊虬ff+TJT,任憾+血呵4式中，M为PWM波的幅值；T为PWM勺脉冲周期；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

10、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

11、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1PWM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和频率勺目位）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俞出，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勺频率，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=Ox44DDRD=Ox20/T/C1初始化TCCR1A=0xC3

12、/*比较匹配时OC1A俞出高电平，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=OxO0 /startatOTCNT1L=OxO02控制系统的程序流程其控制程序的流程图如图 5所示。S3bII董世2窝号茹逹厅PID主聲.茫舉迸窣 PV碍设定鳖 LMN RE 轲 乂图5流量控制流程框图3PID子程序流程将系统误差e(k和误差变化率 e(k变化范围定义为e(k , e(k=NB , NM NS OPS 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， e(k的量化取值和控制器

13、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6PID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仿真结果结语传统的气体流量控制大多采用高速开关电磁阀，电磁阀的频繁开关会产生很大滞后性，不利于控制的系统的实时性。本设计采用了西门子的专用PID模块，大大简化了程序