氣動(dòng)泵流量控制系統的設計

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，隨著(zhù)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(xiàn)圈通電后，軛鐵和銜鐵內部產(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動(dòng)時(shí)，氣隙保持恒定，即銜鐵在有效行程范圍內，吸力保持恒定，而電磁鐵的吸力在有效行程范圍內和線(xiàn)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閥，和普通單級電磁閥區別不大，如圖4所示?？刂菩盘栠M(jìn)入控制器放大后，在比例電磁鐵線(xiàn)圈的兩端加上一定的電壓，轉換成一定的電流信號，驅動(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；輸入信號變化，閥門(mén)的開(kāi)度也發(fā)生變化，從而達到控制所需參數的目的。

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(shí)/計數器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率（相位）調整PWM兩大類(lèi)。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(shí)時(shí)性。此時(shí)計數器僅工作在單程正向計數方式，計數器的上限值決定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(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。根據不同的e(k)，Δe(k)的量化取值和控制器數學(xué)模型，選擇相應的控制器計算公式進(jìn)行PID運算，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進(jìn)行仿真，為了驗證數字PID算法的可靠性，采用Matlab6.5下的simulink組件對增量數字PID算法進(jìn)行了仿真，仿真結果如圖7所示。仿真結果表明運用PID對PWM方波進(jìn)行調解具有良好的動(dòng)態(tài)性和穩定性，從而證明了該氣體流量控制系統得可行性。

圖7 仿真結果

結語(yǔ)
傳統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，不利于控制的系統的實(shí)時(shí)性。本設計采用了西門(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(guān)，交互界面更加友好。運用數字PID算法結合AVR單片機的PWM功能實(shí)現了氣體流量的控制，利用PWM信號控制比例電磁閥開(kāi)口的大小，實(shí)現了流量的連續控制，減少了滯后性，同時(shí)采用了增量式數字PID算法調節，實(shí)現了閉環(huán)控制，使系統調節更準確、更穩定。此外，運用Matlab軟件進(jìn)行了仿真，證明了系統的可行性。數字PID算法調整控制參數較之硬件PID控制器操作簡(jiǎn)便，系統設置靈活。