2022年气动泵流量控制系统的设计方案

1/12 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pulsewidthmodulation，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44 键盘和 12864 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。精选学习资料 -名师归纳总结-第 1 页，共 12 页2/12 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；数据精选学习资料 -名师归纳总结-第 2 页，共 12 页3/12 库存放被控对象的输入和输出信号、给定信号 精选学习资料 -名师归纳总结-第 3 页，共 12 页4/12 式中，KP 比例系数；TI 积分常数；TD微分常数；u0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+KIe(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。精选学习资料 -名师归纳总结-第 4 页，共 12 页5/12 当 e(k e(k0 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+KIe(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+KIe(k(9 精选学习资料 -名师归纳总结-第 5 页，共 12 页6/12 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。精选学习资料 -名师归纳总结-第 6 页，共 12 页7/12 图 3PWM 控制系统框图图 3 中，PWM 控制器的输出u(t 为式中，M为 PWM 波的幅值；T 为 PWM 的脉冲周期；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精选学习资料 -名师归纳总结-第 7 页，共 12 页8/12 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 波的产生精选学习资料 -名师归纳总结-第 8 页，共 12 页9/12 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 相位）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 输出，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 的频率，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=0 x44；DDRD=0 x20；/T/C1初始化TCCR1A=0 xC3；/*比较匹配时OC1A输出高电平，在top 值时清零ICP 下降沿捕捉，时钟 1/8 分频 和误差变化率e(k 变化范围定义为e(k，e(k=NB，NM，NS，O，PS，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。精选学习资料 -名师归纳总结-第 10 页，共 12 页11/12 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。精选学习资料 -名师归纳总结-第 11 页，共 12 页12/12 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。同时，采用了图形编程方式，使程序更直观，交互界面更加友好。运用数字PID 算法结合 AVR单片机的PWM 功能实现了气体流量的控制，利用PWM 信号控制比例电磁阀开口的大小，实现了流量的连续控制，减少了滞后性，同时采用了增量式数字PID 算法调节，实现了闭环控制，使系统调节更准确、更稳定。此外，运用Matlab 软件进行了仿真，证明了系统的可行性。数字PID 算法调整控制参数较之硬件PID 控制器操作简便，系统设置灵活。精选学习资料 -名师归纳总结-第 12 页，共 12 页