近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)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(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM）的控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。

氣體流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以AVR系列的atmega32單片機(jī)為核心，通過(guò)設(shè)置atmega32的PWM控制寄存器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波，對(duì)比例電磁閥的輸入電壓進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體流量的變量控制。單片機(jī)通過(guò)均速管流量計(jì)采集實(shí)際流量信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對(duì)PWM控制寄存器的值進(jìn)行修改，從而達(dá)到精確的變量控制。為了防止外界干擾信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)，單片機(jī)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(jì)對(duì)氣體額流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該種流量計(jì)屬差壓式流量計(jì)，由單點(diǎn)測(cè)速的皮托管演變發(fā)展而來(lái)，基于流體力學(xué)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(guò)4×4鍵盤(pán)和128×64液晶模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，便于用戶操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dòng)泵泵氣過(guò)程的非線性等因素，采用了人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)和求解問(wèn)題的啟發(fā)式規(guī)則來(lái)構(gòu)造專(zhuān)家控制器，從而實(shí)現(xiàn)流量的智能控制，保證氣動(dòng)泵供氣的穩(wěn)定性。

1 基于專(zhuān)家系統(tǒng)的智能PID控制簡(jiǎn)介
專(zhuān)家系統(tǒng)主要有五部分：知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、解釋部分和知識(shí)獲取部分。軍工業(yè)生產(chǎn)所遇到的被控對(duì)象千變?nèi)f化，其復(fù)雜程度也不相同。本系統(tǒng)的被控對(duì)象具有比較大的非線性、滯后性等特性，考慮到對(duì)其控制性能、可靠性、實(shí)時(shí)性的要求，將專(zhuān)家系統(tǒng)簡(jiǎn)化，不設(shè)人機(jī)自然語(yǔ)言對(duì)話，將知識(shí)庫(kù)、規(guī)則集縮小，于是專(zhuān)家系統(tǒng)變成了專(zhuān)家控制器，從而能使專(zhuān)家系統(tǒng)在控制器上實(shí)現(xiàn)。

基于專(zhuān)家系統(tǒng)的智能PID控制器如圖2所示。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)是根據(jù)熟練操作工或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，把各種工況下被控對(duì)象特性所對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中而形成；數(shù)據(jù)庫(kù)存放被控對(duì)象的輸入和輸出信號(hào)、給定信號(hào)（即獲得了偏差和偏差變化率）；邏輯推理機(jī)則從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)給出的推理機(jī)制，從專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)中選擇合適的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定PID控制。

圖2  專(zhuān)家PID控制器原理框圖

2  流量的專(zhuān)家PID控制
在軍工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，這個(gè)時(shí)候往往采用PID控制技術(shù)最為方便。PID算法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)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(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制；并且，單片機(jī)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(guò)比例換算之后作為氣泵的給定值，通過(guò)PID控制器的輸出來(lái)控制氣泵的流量。e(k)為氣泵給定流量與實(shí)際測(cè)量值的偏差；e(k-1)為上一時(shí)刻的誤差值；e(k-2)為上一采樣時(shí)刻的誤差值。KP是解決幅值震蕩，KP大了會(huì)出現(xiàn)幅值震蕩的幅度大，但震蕩頻率小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)；KI是解決動(dòng)作響應(yīng)速度快慢的，KI大了響應(yīng)速度慢，反之則快；KD是消除靜態(tài)誤差的，一般KD設(shè)置都比較小，而且對(duì)系統(tǒng)影響比較小。

由于氣體流量測(cè)量的特殊性以及氣體控制過(guò)程中的非線性、時(shí)變、滯后等特性，采用上述PID控制算法不能達(dá)到令人滿意的效果，由此采用輔以專(zhuān)家控制規(guī)則來(lái)進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行設(shè)計(jì)：
①當(dāng)|e(k)|>M1（PWM波的幅值）時(shí)，說(shuō)明誤差絕對(duì)值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最?。┹敵觯赃_(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對(duì)值以最大速度減小。

Δu(k)=Δumax或者Δu(k)= -Δumax                        (4)
此時(shí)，系統(tǒng)相當(dāng)于實(shí)施開(kāi)環(huán)控制。

②當(dāng)e(k)·Δe(k)≥0時(shí)，誤差在朝絕對(duì)值增大方向變化，或誤差為常值，未發(fā)生變化。如果此時(shí)|e(k)|>M2（設(shè)定的誤差界限），說(shuō)明誤差也較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到使誤差絕對(duì)值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對(duì)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(shuō)明盡管誤差朝絕對(duì)值增大的方向變化，但誤差絕對(duì)值本身并不很大，可實(shí)施一般的PID控制作用。

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

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

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

⑤當(dāng)|e(k)|<ε，ε為一任意小的正數(shù)，可取為0.001。此時(shí)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(dāng)e(k)=0時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)可考慮維持當(dāng)前控制量不變。調(diào)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)誤差達(dá)到控制精度要求后可維持當(dāng)前控制量不變，從而避免小范圍的波動(dòng)使被控對(duì)象更快穩(wěn)定下來(lái)。

綜上所述，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器控制規(guī)律實(shí)際相當(dāng)于變結(jié)構(gòu)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(dá)到給定流量值。

硬件部分
1  PWM控制原理
PWM控制功率輸出級(jí)為開(kāi)關(guān)型結(jié)構(gòu)，功耗小。在功率驅(qū)動(dòng)放大電路中需要將PWM輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為比例電磁鐵的電流控制信號(hào)。因此，可采用大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管IRF540，它能夠提供足夠大的電流驅(qū)動(dòng)比例閥的比例電磁鐵等效線圈，通過(guò)調(diào)整單片機(jī)的PWM波就可以實(shí)現(xiàn)電磁閥輸入電壓占空比的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)定一個(gè)期望值，接著該參數(shù)與測(cè)得的實(shí)際值經(jīng)比較環(huán)節(jié)得出誤差信號(hào)，誤差信號(hào)再與一個(gè)三角波信號(hào)經(jīng)比較器進(jìn)行比較，當(dāng)誤差信號(hào)大于三角波信號(hào)時(shí)，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(hào)成線性關(guān)系。根據(jù)該原理，采用PWM控制器輸出的脈沖去觸發(fā)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)再去觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按脈沖寬度的時(shí)間動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)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(shí)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(jì)60年代末就已經(jīng)得到了應(yīng)用，最初是用于液壓控制系統(tǒng)，隨著單片機(jī)和集成電路的發(fā)展，其逐漸應(yīng)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(shí)銜鐵上的彈簧受到壓縮，當(dāng)銜鐵上的電磁力和彈簧力平衡時(shí)，銜鐵停止位移。比例型電磁鐵的銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guò)程控制用比例電磁閥均為單級(jí)閥，和普通單級(jí)電磁閥區(qū)別不大，如圖4所示。控制信號(hào)進(jìn)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(hào)，驅(qū)動(dòng)銜鐵（即閥芯）開(kāi)啟，閥芯上的電磁力和彈簧力平衡后，閥門(mén)的開(kāi)度不變；輸入信號(hào)變化，閥門(mén)的開(kāi)度也發(fā)生變化，從而達(dá)到控制所需參數(shù)的目的。

圖4  單級(jí)比例電磁閥

軟件部分
1 PWM波的產(chǎn)生
設(shè)計(jì)采用單片機(jī)atmega32產(chǎn)生PWM信號(hào)。atmega32的定時(shí)/計(jì)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(lèi)。本設(shè)計(jì)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(yīng)比較快，因此具有很高的實(shí)時(shí)性。此時(shí)計(jì)數(shù)器僅工作在單程正向計(jì)數(shù)方式，計(jì)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(shè)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(shí)OC1A輸出高電平，在top值時(shí)清零ICP下降沿捕捉，
　時(shí)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(xué)模型，選擇相應(yīng)的控制器計(jì)算公式進(jìn)行PID運(yùn)算，從而完成流量的智能控制。專(zhuān)家PID控制算法的PID子程序計(jì)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(zhǔn)確地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為了驗(yàn)證數(shù)字PID算法的可靠性，采用Matlab6.5下的simulink組件對(duì)增量數(shù)字PID算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果表明運(yùn)用PID對(duì)PWM方波進(jìn)行調(diào)解具有良好的動(dòng)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(yǔ)
傳統(tǒng)的氣體流量控制大多采用高速開(kāi)關(guān)電磁閥，電磁閥的頻繁開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生很大滯后性，不利于控制的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)采用了西門(mén)子的專(zhuān)用PID模塊，大大簡(jiǎn)化了程序。同時(shí)，采用了圖形編程方式，使程序更直觀，交互界面更加友好。運(yùn)用數(shù)字PID算法結(jié)合AVR單片機(jī)的PWM功能實(shí)現(xiàn)了氣體流量的控制，利用PWM信號(hào)控制比例電磁閥開(kāi)口的大小，實(shí)現(xiàn)了流量的連續(xù)控制，減少了滯后性，同時(shí)采用了增量式數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定。此外，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)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(jiǎn)便，系統(tǒng)設(shè)置靈活。