氣動(dòng)泵流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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，采用了人類專家的知識(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 基于專家系統(tǒng)的智能PID控制簡(jiǎn)介
專家系統(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，于是專家系統(tǒng)變成了專家控制器，從而能使專家系統(tǒng)在控制器上實(shí)現(xiàn)。

基于專家系統(tǒng)的智能PID控制器如圖2所示。專家知識(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 專家PID控制器原理框圖

2 流量的專家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（或最小）輸出，以達(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) （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(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)。