2022年气动泵流量控制系统的设计方案 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 气动泵流量掌握系统的设计近年来,随着运算机进入掌握领域,以及新型的电力电子功率元器件的不断显现,使采用全掌握开关功率元件进行脉宽调制<pulsewidthmodulation,简称 PWM）的掌握方式得到了广泛的应用；气体流量掌握系统的设计本系统以 AVR系列的 atmega32 单片机为核心,通过设置atmega32 的 PWM掌握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,从而实现了对气体流量的变量掌握；单片机通过均速管流量计采集实际流量信号,依据该信号在其内部采纳数字 PID算法对 PWM掌握寄存器的值进行修改,从而达到精确的变量掌握；为了防止外界干扰信号进入掌握系统,单片机和均速管之间采纳光电隔离,提高了系统的牢靠性；由均速管流量计对气体额流量进行监测,该种流量计属差压式流量计,由单点测速的皮托管演化进展而来,基于流体力学能量守衡原理,遵从伯努利定律,掌握气体流量采纳比例电磁阀；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；系统结构如图 1 所示；1 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 1 流量掌握系统框图流量掌握算法考虑气动泵泵气过程的非线性等因素,采纳了人类专家的学问和求解问题的启示式规就来构造专家掌握器,从而实现流量的智能掌握,保证气动泵供气的稳固性；1 基于专家系统的智能 PID 掌握简介专家系统主要有五部分：学问库、数据库、推理机、说明部分和学问猎取部分；军工业生产所遇到的被控对象千变万化,其复杂程度也不相同；本系统的被控对象具有比较大的非线性、滞后性等特性,考虑到对其掌握性能、牢靠性、实时性的要求,将专家系统简化,不设人机自然语言对话,将学问库、规章集缩小,于是专家系统变成了专家掌握器,从而能使专家系统在掌握器上实现；基于专家系统的智能PID 掌握器如图2 所示；专家学问库是依据娴熟操作工或专家的体会和学问,把各种工况下被控对象特性所对应的PID 参数记录在数据库中而形成；数据2 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 库存放被控对象的输入和输出信号、给定信号<即获得了偏差和偏差变化率）；规律推理机就从数据库中取出实际运行数据,依据给出的推理机制,从专家学问库中挑选合适的参数,实现参数自整定 PID 掌握；图 2 专家 PID 掌握器原理框图2 流量的专家 PID 掌握在军工业生产中,当我们不完全明白一个系统和被控对象,或被控对象的结构和参数不能完全把握,或得不到精确的数学模型时,这个时候往往采纳PID 掌握技术最为便利；PID 算法以其结构简洁、稳固性好、工作牢靠、高速便利而成为工业掌握的主要技术之 一； PID 掌握器就是依据系统的误差,利用比例、积分、微分运算出掌握量进行掌握的；系统掌握器的结构和参数必需通过体会和现场调试来确定；模拟 PID 掌握器的掌握规律为：1> 3 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 式中, KP比例系数； TI 积分常数； TD微分常数； u0掌握常量；由于单片机掌握是一种采样掌握,它只能依据采样时刻的偏差值运算掌握量,而不能像模拟掌握那样连续输出掌握量,进行连续掌握；并且,单片机处理数据的量有限,综合考虑该系统采纳增量式 PID 掌握,其算式为：uk>=uk-1>+ uk>2> uk>=KPek>-ek-1>+KIek>+KDek>-2ek-1>+ek-2>3> 气体流量值经过比例换算之后作为气泵的给定值,通过PID 掌握器的输出来掌握气泵的流量； ek> 为气泵给定流量与实际测量值的偏差；ek-1> 为上一时刻的误差值；ek-2>为上一采样时刻的误差值；KP是解决幅值震荡,KP大了会显现幅值震荡的幅度大,但震荡频率小,系统达到稳固时间长；KI 是解决动作响应速度快慢的,KI 大了响应速度慢,反之就快； KD是排除静态误差的,一般KD设置都比较小,而且对系统影响比较小；由于气体流量测量的特别性以及气体掌握过程中的非线性、时变、滞后等特性,采纳上述 PID 掌握算法不能达到令人中意的成效,由此采纳辅以专家掌握规章来进行补偿控制；依据气泵偏差及其变化率,本文提出的掌握器按以下6 种情形进行设计：当 |ek>|>M1<PWM波的幅值）时,说明误差肯定值已经很大；不论误差变化趋势如何,都应考虑掌握器的输出应按最大以最大速度减小；<或最小）输出,以达到快速调整误差,使误差肯定值 uk>= umax或者 uk>=- umax4> 此时,系统相当于实施开环掌握；4 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当 ek> · ek> 0 时,误差在朝肯定值增大方向变化,或误差为常值,未发生变化；假如此时 |ek>|>M2< 设定的误差界限）,说明误差也较大,可考虑由掌握器实施较强的掌握作用,以达到使误差肯定值朝减小方向变化,并快速减小误差的肯定值,调剂器输出可为 uk>=KIKPek>-ek-1>+KIek>+KDek>-2ek-1>+ek-2><KI>1）5> 假如|ek>| 当 ek> · ek><0 、 ek> · ek-1>>0 或者 ek>=0 时,说明误差在朝减小的方向变化,或者已经达到平稳状态；此时可考虑实行保持掌握器的输出不变,输出为 uk>=06> 当 ek> · ek><0 、 ek> · ek-1><0 时,误差处于极值状态,系统显现振荡现象；假如此时误差的肯定值较大,即|ek>| M2,就采纳较强的掌握作用； uk>=K2KPek><K2<1）7> 反之就考虑实施较弱的掌握作用； uk>=K3KPek><K3<1）8> 当 |ek>|< ,为一任意小的正数,可取为0.001 ；此时误差很小,考虑加入积分环节,削减稳态误差；掌握算法为一般比例加积分掌握 uk>=KPek>-ek-1>+KIek>9> 5 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当 ek>=0 时,说明系统已经达到平稳状态,此时可考虑维护当前掌握量不变；调试发觉当误差达到掌握精度要求后可维护当前掌握量不变,从而防止小范畴的波动使被控对象更快稳固下来；综上所述,系统调剂器掌握规律实际相当于变结构PID 掌握器,依据误差及误差变化情形挑选不同的掌握规律,以便使系统快速达到给定流量值；硬件部分1PWM掌握原理PWM掌握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掌握信号；因此,可采纳大功率场效应晶体管IRF540,它能够供应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剂,从而实现对流量的调剂；PWM掌握系统是非线性、非连续掌握系统；其掌握原理：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；依据该原理,采纳 PWM掌握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,从而达到自动掌握参数的目的；6 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3PWM掌握系统框图图 3 中, PWM掌握器的输出 ut> 为式中, 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 岁月末就已经得到了应用,最初是用于液压掌握系统,随着单片机和集成电路的进展,其逐步应用到各种气体的流量掌握中；比例型电磁铁的工作原7 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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稳时,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畴内,吸力保持恒定,而电磁铁的吸力在有效行程范畴内和线圈的电流大小成正比；目前,过程掌握用比例电磁阀均为单级阀,和一般单级电磁阀区分不大,如图4 所示；掌握信号进入掌握器放大后,在比例电磁铁线圈的两端加上肯定的电压,转换成肯定的电流信号,驱动衔铁 <即阀芯）开启,阀芯上的电磁力和弹簧力平稳后,阀门的开度不变；输入信号变化,阀门的开度也发生变化,从而达到掌握所需参数的目的；图 4 单级比例电磁阀软件部分1PWM波的产生8 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 设计采纳单片机 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；本设计采纳快速 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,计数器的上限值打算PWM的频率,而比较匹配寄存器的值打算了占空比的大小；快速 PWM模式的掌握寄存器设置如下：/ 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 下降沿捕获,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；/startat0 TCNT1L=0x00；2 掌握系统的程序流程其掌握程序的流程图如图 5 所示；9 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 5 流量掌握流程框图3PID 子程序流程将系统误差ek> 和误差变化率 ek> 变化范畴定义为ek> ,ek>=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；依据不同的 ek> , ek> 的量化取值和掌握器数学模型,挑选相应的掌握器运算公式进行PID 运算,从而完成流量的智能掌握；专家PID 掌握算法的PID 子程序运算流程如图6 所示；10 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 6PID 子程序框图Matlab 下的仿真Matlab 是掌握系统的一种分析和仿真软件,利用它可以便利精确地对掌握系统进行仿真,为了验证数字 PID 算法的牢靠性,采纳 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；仿真结果说明运用 PID 对 PWM方波进行调解具有良好的动态性和稳固性,从而证明白该气体流量掌握系统得可行性；11 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 7 仿真结果结语传统的气体流量掌握大多采纳高速开关电磁阀,电磁阀的频繁开关会产生很大滞后性,不利于掌握的系统的实时性；本设计采纳了西门子的专用PID 模块,大大简化了程序；同时,采纳了图形编程方式,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掌握,利用PWM信号掌握比例电磁阀开口的大小,实现了流量的连续掌握,削减了滞后性,同时采纳了增量式数字 PID 算法调剂,实现了闭环掌握,使系统调剂更精确、更稳固；此外,运用Matlab 软件进行了仿真,证明白系统的可行性；数字PID 算法调整掌握参数较之硬件PID 掌握器操作简便,系统设置灵活；12 / 12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页