气动泵流量控制系统的设计

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
1 PWM波的产生
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=0x44；
　　DDRD=0x20；
　　//T/C1初始化
　　TCCR1A=0xC3；/*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（暂定），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 控制系统的程序流程
其控制程序的流程图如图5所示。

图5 流量控制流程框图

3 PID子程序流程
将系统误差e(k)和误差变化率Δe(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)，Δe(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。

图6 PID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。

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。