基于单片机的PWM和数字PID算法在液体流量变量控制系统中的应用

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摘 要:本文介绍了一种PWM结合数字PID算法在液体流量变量控制系统中的应用方案,系统以AVR单片机atmega32为核心,以比例电磁阀为控制对象, 利用atmega32的PWM功能,采用数字PID调节实现液体流速闭环控制。仿真结果表明采用PWM和数字PID控制液体流速具有良好的动态、稳态性, 从而证明了这种设计的合理性和优越性。
关键词:AVR单片机 PWM  PID 比例电磁阀
1. 引言
液体流量控制通常采用电磁阀实现,近年来,电磁阀的结构和控制方式发生了很大的变
化, 随着计算机进入控制领域,以及新型的电力电子功率元器件的不断出现,使采用全控制的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation ,简称PWM)控制方式得到了广泛的应用。这种控制方式很容易在单片机中实现,从而为电磁阀的控制数字化提供了契机。
 将 偏差的比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential)通过线性组合构成控制量,用这一控制量对被控对象进行 控制,这样的控制器称PID控制器。PID控制器最早出现在模拟控制系统中,传统的模拟PID控制器是通过硬件(电子元件、气动和液压元件)来实现它的功 能。随着计算机的出现,把它移植到计算机控制系统中来,将原来的硬件实现的功能用软件来代替,因此称作数字PID控制器,所形成的一整套算法则称作数字 PID算法。数字PID控制器与模拟PID控制器相比,具有非常强的灵活性,可以根据试验和经验在线调整参数,因此可以得到更好的控制性能。
2. 液体流量控制系统组成
本 系统采用AVR系列的atmega32单片机为核心,通过设置atmega32的PWM控制寄存器产生脉宽可调的PWM波,对比例电磁阀的输入电压进行调 制,从而实现了对液体流量的变量控制。单片机统过涡轮流量计采集实际流量信号,根据该信号在其内部采用数字PID算法对PWM控制寄存器的值进行修改,从 而达到精确的变量控制。为了防止外界干扰信号进入控制系统,单片机和涡轮之间采用光藕隔离,提高了系统的可靠性。温度传感器和压力传感器用来做监测喷杆中 的压力和温度。通过4*4键盘和128*64液晶模块实现人机对话,便于用户操作。系统原理图如图2-1所示:

 

3硬件部分

3.1 PWM驱动电路

 

单片机输出的PWM脉冲信号分别经7406和7407输入到Q1,Q2的G极,在每个PWM周期的高电平区间,Q1导通,Q2截止,电磁阀导通。在 每个PWM周期的低电平区间,Q1截止从而切断了电源,电磁阀的感应电动势经Q2内部续流二极管形成回路。此时Q2的G极为高电平但是由于二极管的钳位作 用使开关二极管关闭,因此通过调整单片机的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。
3.2 比例电磁阀
比 例电磁阀在上世纪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,其逐渐应用到各种液体的流量控制中。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。比例型电磁铁的吸力在有效行程范围内和线圈的电流或电压大小具有线形关系。因此通过调解输入的电流或者电压就可以控制其开口的大小,从而达到变量 控制的目的。本系统采用的比例电磁阀特性曲线如图3-1所示:(Kvs代表比例电磁阀最大开口时的流量,Kv代表对应某一电压或者电流值时的流量值)。

 

图3-1
4. 软件部分
4.1 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可以的到比较高频率的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;
4.2 PID算法

 

图4-1
常规的PID算法的基本原理如下图4-1所示,模拟PID控制器的控制规律为

 
 
图4-2
用C编程实现程序如下所示:
void PID()
{float u;                                           //电压差值
  sint z;                                            //本次输出增量
  sint temp1;                                        //临时记录值
  float t;
  t=itime*T;
  Speed_change();                                   //将流速转化为数字量
  if (Ek==(0-Sheding_liusu))             //当Ek大于某一值时直接加最大
  {temp1=0x0000;
   SetOutputOCR1A(temp1); }//设置输出比较寄存器值
     else{
   Ek=Sheding_liusu-Celiang_liusu;
   u=A*((Ek-Ek_1)+(t/B)*Ek+(C/t)*(Ek-2*Ek_1+Ek_2));   //增量式PID算法
   z=u/U1*0x03FF;
   temp1=GetOutputOCR1A();                         //读取输出比较寄存器值
   temp1=temp1+z;
   SetOutputOCR1A(temp1);
   Ek_2=Ek_1;
   Ek_1=Ek;}
  TCNT1=0x00;}
4. 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的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,仿真程序如图5-1所示,仿真结果如图5-2所示.。
 

图5-1

 

如图5-2Kp=0.5,Ki=0.001,Kd=0.001
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,从而证明了该液体流量控制系统得可行性。
6.结束语
  本文介绍了运用数字PID算法结合AVR单片机的PWM功能实现液体流量控制的方案,并运用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。该控制系统可应用于工业、农业等领域的液体流量控制中,也可用于液压系统的电磁阀控制。
本文作者创新点:
传 统的液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。该系统利用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。 参考文献:
[1] 刘金坤,先进PID控制Matlab仿真(第2版)电子工业出版社 2004。
[2] 王晓明,电动机的单片机控制 北京:北京航空航天大学出版社 2002
[3] 王正林等 过程控制与Simulink应用 电子工业出版社 2006。
[4] 聂慧萍 基于ARM 和uCOS—II的固体科氏流量计测控系统 微计算机信息 2005第21卷第7-2期。
作 者简介:李晓光(1982—),男,硕士研究生,中国农业大学信息与电气工程学院,研究方向:精准农业智能信息系统集成技术。王秀(1965—),男,博 士,研究员,主要从事的研究方向:精细农业智能信息系统集成技术。李民赞(1963—),男,博士,教授,主要从事的研究方向:电子信息技术在农业中的应 用。
(100097 国家农业信息化工程技术研究中心)李晓光 王秀
(100083 中国农业大学信息与电气工程学院)李晓光
(100097 国家农业信息化工程技术研究中心北京2449信箱26分箱)李晓光
Email:lixiaoguang3535@163.com
指导教师审阅批注:
 该 篇文章在液体流量控制方面具有一定的创新,采用了先进的数字PID控制结合PWM的方法。文章对系统的软件和硬件分别进行了详细的阐述,并运用了仿真软件 Matlab进行了验证。仿真结果表明该系统可以实现液体流量的实时变量控制,这就为后续的流量控制系统的开发奠定了坚实的基础。

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