氣動(dòng)泵流量控制系統的設計

近年來(lái)，隨著(zhù)計算機進(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，使采用全控制開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調制（pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM）的控制方式得到了廣泛的應用。

氣體流量控制系統的設計
本系統以AVR系列的atmega32單片機為核心，通過(guò)設置atmega32的PWM控制寄存器產(chǎn)生脈寬可調的PWM波，對比例電磁閥的輸入電壓進(jìn)行調制，從而實(shí)現了對氣體流量的變量控制。單片機通過(guò)均速管流量計采集實(shí)際流量信號，根據該信號在其內部采用數字PID算法對PWM控制寄存器的值進(jìn)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(jìn)入控制系統，單片機和均速管之間采用光電隔離，提高了系統的可靠性。

由均速管流量計對氣體額流量進(jìn)行監測，該種流量計屬差壓式流量計，由單點(diǎn)測速的皮托管演變發(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)現人機對話(huà)，便于用戶(hù)操作。系統結構如圖1所示。

圖1 流量控制系統框圖

流量控制算法
考慮氣動(dòng)泵泵氣過(guò)程的非線(xiàn)性等因素，采用了人類(lèi)專(zhuān)家的知識和求解問(wèn)題的啟發(fā)式規則來(lái)構造專(zhuān)家控制器，從而實(shí)現流量的智能控制，保證氣動(dòng)泵供氣的穩定性。

1 基于專(zhuān)家系統的智能PID控制簡(jiǎn)介
專(zhuān)家系統主要有五部分：知識庫、數據庫、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萬(wàn)化，其復雜程度也不相同。本系統的被控對象具有比較大的非線(xiàn)性、滯后性等特性，考慮到對其控制性能、可靠性、實(shí)時(shí)性的要求，將專(zhuān)家系統簡(jiǎn)化，不設人機自然語(yǔ)言對話(huà)，將知識庫、規則集縮小，于是專(zhuān)家系統變成了專(zhuān)家控制器，從而能使專(zhuān)家系統在控制器上實(shí)現。

基于專(zhuān)家系統的智能PID控制器如圖2所示。專(zhuān)家知識庫是根據熟練操作工或專(zhuān)家的經(jīng)驗和知識，把各種工況下被控對象特性所對應的PID參數記錄在數據庫中而形成；數據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）；邏輯推理機則從數據庫中取出實(shí)際運行數據，根據給出的推理機制，從專(zhuān)家知識庫中選擇合適的參數，實(shí)現參數自整定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，當我們不完全了解一個(gè)系統和被控對象，或被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(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算法以其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、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控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。系統控制器的結構和參數必須通過(guò)經(jīng)驗和現場(chǎng)調試來(lái)確定。

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

由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時(shí)刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量，進(jìn)行連續控制；并且，單片機處理數據的量有限，綜合考慮該系統采用增量式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 )出現幅值震蕩的幅度大，但震蕩頻率小，系統達到穩定時(shí)間長(cháng)；KI是解決動(dòng)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，而且對系統影響比較小。

由于氣體流量測量的特殊性以及氣體控制過(guò)程中的非線(xiàn)性、時(shí)變、滯后等特性，采用上述PID控制算法不能達到令人滿(mǎn)意的效果，由此采用輔以專(zhuān)家控制規則來(lái)進(jìn)行補償控制。根據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)行設計：
①當|e(k)|>M1（PWM波的幅值）時(shí)，說(shuō)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?。┹敵?，以達到迅速調整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。

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

②當e(k)·Δe(k)≥0時(shí)，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(shí)|e(k)|>M2（設定的誤差界限），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，調節器輸出可為
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)明盡管誤差朝絕對值增大的方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可實(shí)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(shí)，說(shuō)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(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e(k)·Δe(k)0、Δe(k)·Δe(k-1)0時(shí)，誤差處于極值狀態(tài)，系統出現振蕩現象。如果此時(shí)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) （K21） (7)

反之則考慮實(shí)施較弱的控制作用。
Δu(k)=K3KPe(k) （K31）(8)

⑤當|e(k)|ε，ε為一任意小的正數，可取為0.001。此時(shí)誤差很小，考慮加入積分環(huán)節，減少穩態(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(shí)，說(shuō)明系統已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，此時(shí)可考慮維持當前控制量不變。調試發(fā)現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(dòng)使被控對象更快穩定下來(lái)。

綜上所述，系統調節器控制規律實(shí)際相當于變結構PID控制器，根據誤差及誤差變化情況選擇不同的控制規律，以便使系統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(kāi)關(guān)型結構，功耗小。在功率驅動(dòng)放大電路中需要將PWM輸出的電壓信號轉換為比例電磁鐵的電流控制信號。因此，可采用大功率場(chǎng)效應晶體管IRF540，它能夠提供足夠大的電流驅動(dòng)比例閥的比例電磁鐵等效線(xiàn)圈，通過(guò)調整單片機的PWM波就可以實(shí)現電磁閥輸入電壓占空比的調節，從而實(shí)現對流量的調節。

PWM控制系統是非線(xiàn)性、非連續控制系統。其控制原理：先給被控參數設定一個(gè)期望值，接著(zhù)該參數與測得的實(shí)際值經(jīng)比較環(huán)節得出誤差信號，誤差信號再與一個(gè)三角波信號經(jīng)比較器進(jìn)行比較，當誤差信號大于三角波信號時(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成線(xiàn)性關(guān)系。根據該原理，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)執行機構，執行機構按脈沖寬度的時(shí)間動(dòng)作，從而達到自動(dòng)控制參數的目的。

圖3 PWM控制系統框圖

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。