基于AVR單片機atmega32的PID和PWM液體流量控制系統(tǒng)研究

1、基于AVR單片機atmega32的PID和PWM液體流量控制系統(tǒng)研究 李曉光 王秀 李民贊    轉(zhuǎn)貼自：微計算機信息   PID&PWM Liquid Flow Control Based on AVR Microcontroller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)果說明采用PWM和數(shù)字PID控制液體流速具有良好的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)

2、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Abstract:Liquid flow variable control using PWM method combined with PID arithmetic is introduced. It controls proportional valve by PWM method based on atmega32 which belongs to AVR microcontroller. The result of emluator indicated that PWM combined

3、 with PID arithmetic taked on good dynamic and stability.So the rationality and advantage of the design are proved.Key words:AVR Microcontroller PWM PID proportional valve1. 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PW

4、M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那么稱作數(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，

5、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控制存放器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波，比照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控制存放器的值進行修改，從而到達精確的變量控制。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

6、戶操作。系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示： 圖2-13硬件局部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開展，其逐漸應(yīng)

7、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，從而到達變量控制的目的。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。 4. 軟件局部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

8、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可以的到比擬高頻率的PWM輸出，響應(yīng)比擬快，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，而比擬匹配存放器的值決定了占空比的大小?？焖貾WM模式的控制存放器設(shè)置如下：   /輸出端口初始化   PORTD=0x44;   DDRD=0x20;   /T/C1初始化   TCCR1A=0xC3;/*比擬匹配時OC1A輸出高電平，在top值時清零ICP下降沿捕

9、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 常規(guī)的PID算法的根本原理如下列圖4-1所示，模擬PID控制器的控制規(guī)律為                  比例系數(shù)；

10、  積分常數(shù)； 微分常數(shù)； 控制常量。由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進行連續(xù)控制。并且單片機處理數(shù)據(jù)的量有限，綜合考慮該系統(tǒng)采用增量式PID控制,其算法如式4-3：             其中 為本次采樣誤差； 為上次采樣誤差； 為上上次采樣誤差。其控制程序的流程圖如圖4-2所示 用C編程實現(xiàn)程序如下所示：void PID()float u;  

11、60;                                        /電壓差值  sint z;       &

12、#160;                                    /本次輸出增量  sint temp1;          

13、;                              /臨時記錄值  float t;  t=itime*T;  Speed_change();          

14、0;                        /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;   Se

15、tOutputOCR1A(temp1); /設(shè)置輸出比擬存放器值     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();        

16、60;                /讀取輸出比擬存放器值   temp1=temp1+z;   SetOutputOCR1A(temp1);   Ek_2=Ek_1;   Ek_1=Ek;  TCNT1=0x00;5. 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

17、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.。  如圖5-2Kp=0.5，Ki=0.001，Kd=0.001仿真結(jié)果說明運用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 20023 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uCOSII的固體科