基于專家系統的智能PID控制方案解析

硬件部分

1 PWM控制原理

PWM控制功率輸出級為開關型結構，功耗小。在功率驅動放大電路中需要將PWM輸出的電壓信號轉換為比例電磁鐵的電流控制信號。因此，可采用大功率場效應晶體管IRF540，它能夠提供足夠大的電流驅動比例閥的比例電磁鐵等效線圈，通過調整單片機的PWM波就可以實現電磁閥輸入電壓占空比的調節，從而實現對流量的調節。

PWM控制系統是非線性、非連續控制系統。其控制原理：先給被控參數設定一個期望值，接著該參數與測得的實際值經比較環節得出誤差信號，誤差信號再與一個三角波信號經比較器進行比較，當誤差信號大于三角波信號時，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成線性關系。根據該原理，采用PWM控制器輸出的脈沖去觸發開關，開關再去觸發執行機構，執行機構按脈沖寬度的時間動作，從而達到自動控制參數的目的。

式中，M為PWM波的幅值；T為PWM的脈沖周期；Tk為PWM波的采樣時間，k=0，1，2，3，…；b為比例系數。

2 比例電磁閥

比例電磁閥在20世紀60年代末就已經得到了應用，最初是用于液壓控制系統，隨著單片機和集成電路的發展，其逐漸應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，軛鐵和銜鐵內部產生磁通并產生電磁吸力，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動時，氣隙保持恒定，即銜鐵在有效行程范圍內，吸力保持恒定，而電磁鐵的吸力在有效行程范圍內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別不大，如圖4所示。控制信號進入控制器放大后，在比例電磁鐵線圈的兩端加上一定的電壓，轉換成一定的電流信號，驅動銜鐵（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，閥門的開度也發生變化，從而達到控制所需參數的目的。

軟件部分

1 PWM波的產生

設計采用單片機atmega32產生PWM信號。atmega32的定時/計數器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率（相位）調整PWM兩大類。本設計采用快速PWM模式，快速PWM可以得到比較高頻率的PWM輸出，響應比較快，因此具有很高的實時性。此時計數器僅工作在單程正向計數方式，計數器的上限值決定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 控制系統的程序流程

3 PID子程序流程

將系統誤差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。根據不同的e(k)，Δe(k)的量化取值和控制器數學模型，選擇相應的控制器計算公式進行PID運算，從而完成流量的智能控制。