氣動泵流量控制系統(tǒng)的設(shè)計

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，銜鐵停止位移。比例型電磁鐵的銜鐵運(yùn)動時，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，過程控制用比例電磁閥均為單級閥，和普通單級電磁閥區(qū)別不大，如圖4所示。控制信號進(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，驅(qū)動銜鐵（即閥芯）開啟，閥芯上的電磁力和彈簧力平衡后，閥門的開度不變；輸入信號變化，閥門的開度也發(fā)生變化，從而達(dá)到控制所需參數(shù)的目的。

圖4 單級比例電磁閥

軟件部分
1 PWM波的產(chǎn)生
設(shè)計采用單片機(jī)atmega32產(chǎn)生PWM信號。atmega32的定時/計數(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。本設(shè)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(yīng)比較快，因此具有很高的實時性。此時計數(shù)器僅工作在單程正向計數(shù)方式，計數(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。快速PWM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OC1A輸出高電平，在top值時清零ICP下降沿捕捉，
　時鐘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)的控制器計算公式進(jìn)行PID運(yùn)算，從而完成流量的智能控制。專家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(tǒng)的一種分析和仿真軟件，利用它可以方便準(zhǔn)確地對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為了驗證數(shù)字PID算法的可靠性，采用Matlab6.5下的simulink組件對增量數(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PWM方波進(jìn)行調(diào)解具有良好的動態(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
傳統(tǒng)的氣體流量控制大多采用高速開關(guān)電磁閥，電磁閥的頻繁開關(guān)會產(chǎn)生很大滯后性，不利于控制的系統(tǒng)的實時性。本設(shè)計采用了西門子的專用PID模塊，大大簡化了程序。同時，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功能實現(xiàn)了氣體流量的控制，利用PWM信號控制比例電磁閥開口的大小，實現(xiàn)了流量的連續(xù)控制，減少了滯后性，同時采用了增量式數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)，實現(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控制器操作簡便，系統(tǒng)設(shè)置靈活。