（1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)）李曉光  王秀  李民贊
                                        Li，Xiaoguang  Wang，Xiu  Li，Minzan
摘 要：本文介紹了一種PWM結(jié)合數(shù)字PID算法在液體流量變量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，系統(tǒng)以AVR單片機atmega32為核心，以比例電磁閥為控制對象， 利用atmega32的PWM功能，采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)液體流速閉環(huán)控制。仿真結(jié)果表明采用PWM和數(shù)字PID控制液體流速具有良好的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性， 從而證明了這種設(shè)計的合理性和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：AVR單片機 PWM  PID 比例電磁閥
1. 引言
液體流量控制通常采用電磁閥實現(xiàn)，近年來，電磁閥的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變
化， 隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控制的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制（pulse width modulation ,簡稱PWM）控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。這種控制方式很容易在單片機中實現(xiàn)，從而為電磁閥的控制數(shù)字化提供了契機。
 將 偏差的比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進行 控制，這樣的控制器稱PID控制器。PID控制器最早出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件、氣動和液壓元件）來實現(xiàn)它的功 能。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到計算機控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字PID控制器，所形成的一整套算法則稱作數(shù)字 PID算法。數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比，具有非常強的靈活性，可以根據(jù)試驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。
2. 液體流量控制系統(tǒng)組成
本 系統(tǒng)采用AVR系列的atmega32單片機為核心，通過設(shè)置atmega32的PWM控制寄存器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波，對比例電磁閥的輸入電壓進行調(diào) 制，從而實現(xiàn)了對液體流量的變量控制。單片機統(tǒng)過渦輪流量計采集實際流量信號，根據(jù)該信號在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM控制寄存器的值進行修改，從 而達到精確的變量控制。為了防止外界干擾信號進入控制系統(tǒng)，單片機和渦輪之間采用光藕隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。溫度傳感器和壓力傳感器用來做監(jiān)測噴桿中 的壓力和溫度。通過4*4鍵盤和128*64液晶模塊實現(xiàn)人機對話，便于用戶操作。系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示：

3硬件部分

3.1 PWM驅(qū)動電路

單片機輸出的PWM脈沖信號分別經(jīng)7406和7407輸入到Q1，Q2的G極，在每個PWM周期的高電平區(qū)間，Q1導(dǎo)通，Q2截止，電磁閥導(dǎo)通。在 每個PWM周期的低電平區(qū)間，Q1截止從而切斷了電源，電磁閥的感應(yīng)電動勢經(jīng)Q2內(nèi)部續(xù)流二極管形成回路。此時Q2的G極為高電平但是由于二極管的鉗位作 用使開關(guān)二極管關(guān)閉，因此通過調(diào)整單片機的PWM波就可以實現(xiàn)電磁閥輸入電壓占空比的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)。
3.2 比例電磁閥
比 例電磁閥在上世紀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)。隨著單片機和集成電路的發(fā)展，其逐漸應(yīng)用到各種液體的流量控制中。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。比例型電磁鐵的吸力在有效行程范圍內(nèi)和線圈的電流或電壓大小具有線形關(guān)系。因此通過調(diào)解輸入的電流或者電壓就可以控制其開口的大小，從而達到變量 控制的目的。本系統(tǒng)采用的比例電磁閥特性曲線如圖3-1所示：（Kvs代表比例電磁閥最大開口時的流量，Kv代表對應(yīng)某一電壓或者電流值時的流量值）。

圖3-1
4. 軟件部分
4.1 PWM波的產(chǎn)生
設(shè)計采用單片機atmega32產(chǎn)生PWM信號。atmega32的定時/ 計數(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)計采用快速PWM模式，快速PWM可以的到比較高頻率的PWM輸出，響應(yīng)比較快，因此具有很高的 實時性。此時計數(shù)器僅工作在單程正向計數(shù)方式，計數(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;
4.2 PID算法

圖4-1
常規(guī)的PID算法的基本原理如下圖4-1所示，模擬PID控制器的控制規(guī)律為

 
 
圖4-2
用C編程實現(xiàn)程序如下所示：
void PID()
{float u;                                           //電壓差值
  sint z;                                            //本次輸出增量
  sint temp1;                                        //臨時記錄值
  float t;
  t=itime*T;
  Speed_change();                                   //將流速轉(zhuǎn)化為數(shù)字量
  if (Ek==(0-Sheding_liusu))             //當Ek大于某一值時直接加最大
  {temp1=0x0000;
   SetOutputOCR1A(temp1); }//設(shè)置輸出比較寄存器值
     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();                         //讀取輸出比較寄存器值
   temp1=temp1+z;
   SetOutputOCR1A(temp1);
   Ek_2=Ek_1;
   Ek_1=Ek;}
  TCNT1=0x00;}
4. Matlab下的仿真
Matlab是控制系統(tǒng)的一種分析和仿真軟件，利用它可以方便準確的對控制系統(tǒng)進行仿真，為了驗證數(shù)字PID算法的可靠性，采用Matlab6.5下的simulink組件對增量數(shù)字PID算法進行了仿真，仿真程序如圖5-1所示,仿真結(jié)果如圖5-2所示.。
 

圖5-1

如圖5-2Kp=0.5，Ki=0.001，Kd=0.001
仿真結(jié)果表明運用PID對PWM方波進行調(diào)解具有良好的動態(tài)性和穩(wěn)定性，從而證明了該液體流量控制系統(tǒng)得可行性。
6．結(jié)束語
  本文介紹了運用數(shù)字PID算法結(jié)合AVR單片機的PWM功能實現(xiàn)液體流量控制的方案，并運用Matlab軟件進行了仿真，證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID 算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡便，系統(tǒng)設(shè)置靈活。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的液體流量控制中，也可用于液壓系統(tǒng)的電磁閥控制。
本文作者創(chuàng)新點：
傳 統(tǒng)的液體流量控制大多采用高速開關(guān)電磁閥，電磁閥的頻繁開關(guān)會產(chǎn)生很大滯后性，不利于控制的系統(tǒng)的實時性。該系統(tǒng)利用PWM信號控制比例電磁閥開口的大 小，實現(xiàn)了流量的連續(xù)控制，減少了滯后性同時采用了增量式數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)實現(xiàn)了閉環(huán)控制，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更準確，更穩(wěn)定。 參考文獻：
[1] 劉金坤，先進PID控制Matlab仿真（第2版）電子工業(yè)出版社 2004。
[2] 王曉明，電動機的單片機控制 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2002
[3] 王正林等 過程控制與Simulink應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 2006。
[4] 聶慧萍 基于ARM 和uCOS—II的固體科氏流量計測控系統(tǒng) 微計算機信息 2005第21卷第7-2期。
作 者簡介：李曉光（1982—），男，碩士研究生，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，研究方向：精準農(nóng)業(yè)智能信息系統(tǒng)集成技術(shù)。王秀（1965—），男，博 士，研究員，主要從事的研究方向：精細農(nóng)業(yè)智能信息系統(tǒng)集成技術(shù)。李民贊（1963—）,男，博士，教授，主要從事的研究方向：電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng) 用。
（100097 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心）李曉光 王秀
（100083 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院）李曉光
（100097 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心北京2449信箱26分箱）李曉光
Email：lixiaoguang3535@163.com
指導(dǎo)教師審閱批注：
 該 篇文章在液體流量控制方面具有一定的創(chuàng)新，采用了先進的數(shù)字PID控制結(jié)合PWM的方法。文章對系統(tǒng)的軟件和硬件分別進行了詳細的闡述，并運用了仿真軟件 Matlab進行了驗證。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)液體流量的實時變量控制，這就為后續(xù)的流量控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。