基于專家系統(tǒng)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(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輸出的電壓信號轉(zhuǎn)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(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)與測得的實(shí)際值經(jīng)比較環(huán)節(jié)得出誤差信號，誤差信號再與一個(gè)三角波信號經(jīng)比較器進(jìn)行比較，當(dāng)誤差信號大于三角波信號時(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)開關(guān)，開關(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。

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)。

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(shí)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(shí)，銜鐵停止位移。比例型電磁鐵的銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，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?？刂菩盘栠M(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(dòng)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。

軟件部分

1 PWM波的產(chǎn)生

設(shè)計(jì)采用單片機(jī)atmega32產(chǎn)生PWM信號。atmega32的定時(shí)/計(jì)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(jì)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(shí)時(shí)性。此時(shí)計(jì)數(shù)器僅工作在單程正向計(jì)數(shù)方式，計(jì)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(shí)OC1A輸出高電平，在top值時(shí)清零ICP下降沿捕捉，

時(shí)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

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(jì)算公式進(jìn)行PID運(yùn)算，從而完成流量的智能控制。