基于专家系统的智能PID控制方案解析

硬件部分

1 PWM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。

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。

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

3PID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。