CN201177766Y - 基于pid控制算法的电子压力控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于粗密气压技术领域，具体为一种基于PID控制算法的电子压力控制器。其硬件结构包括微处理器、按键、液晶屏、光耦、阀门、储气设备、压力传感器、电源、放大电路、PC机控制界面、RS232转换电路等。其中，微处理器是整个系统的核心。本控制器基于双传感器负反馈，采用PID控制算法和PWM控制方式，解决了压力控制快速性和稳定性问题。该控制器输入电压为24V，正常工作气压为0－100Psi，用户可选择控制信号对气压进行控制。该控制器使用LCD显示技术，可以使用按键进行压力控制或标定等的操作；并且基于Modbus协议或CAN通信，确保上位机和微控制器之间的通信，实现上位机对压力的控制等操作以及压力曲线的显示。

Description

基于PID控制算法的电子压力控制器

技术领域

本实用新型属于精密气压技术领域，具体涉及一种基于PID控制算法和PWM(脉宽调制：Pulse-Width Modulation)控制技术的电子压力控制器。

背景技术

随着自动控制的发展，精密气压的产生与控制技术应用越来越广泛。电子压力控制器的工作原理为保持输出的气压与输入信号成比例。为了达到对储气装置气压的精确控制，需要两个高频电磁阀的开、关来调节压力值。当压力稳定在指定精度范围内时，关闭进/排气阀；否则，通过进/排气阀的通断来调节气压。

电子压力控制器经常连续工作在高湿高温的环境中，因此，传统的阀门控制器对设计者提出了更高的设计和制作要求，使其价格昂贵。目前国内没有性能稳定的高精度电子压力控制器。现有的电子压力控制器采用比较电路，其电路比较简单，使得其功能简单，性能不够稳定，显示技术不直观便捷；或是选用8位A/D采样器，采样精度不够。而该控制器采用16位单片机，内置10位精度的A/D采样器，大大提高了采样精度；并且可以借助Modbus协议或CAN(控制器局域网：Controller Area Network)通信，直观的显示压力值和压力变化曲线。有些亦使用精度较低的传感器或是大口径电磁阀。传感器的精度太低，直接导致采样值误差变大，即使采样器精度够，也无法做到精密控制。大口径的电磁阀使其对气压的最小控制量偏大，无法实现气压的微调。现有的电子压力控制器总体上存在以下不足：

(1)控制精度不够；

(2)响应时间太长，运行速度缓慢；

(3)显示技术不够直观；

(4)价格昂贵，一般用户难以接受。

发明内容

鉴于现有电子压力控制器的不足，本实用新型的目的在于提供一种用于高精度气压控制的电子压力控制器。显示直观便捷，结构简单，性能稳定。

本实用新型提出的电子压力控制器，基于双传感器负反馈，采用PID控制算法和PWM控制方式，解决了压力控制快速性和稳定性问题。该控制器输入电压为24V，正常工作气压为0-100Psi，用户可选择控制信号(0-10V或0-5V、4-20mA、8位数字信号)对气压进行控制。该控制器使用LCD(液晶显示屏：Liquid Crystal Display)显示技术，可以使用按键进行压力控制或标定等的操作；并且基于Modbus协议或CAN通信，确保上位机和微控制器之间的通信，实现上位机对压力的控制等操作以及压力曲线的显示。同时采用在应用编程技术，实现对该装置标定值等的存储。

在本实用新型设计中，采用了16位单片机作为核心处理器，外围模块包括液晶模块，按键输入模块，串口通信模块、传感器模块、放大电路模块、电源模块、光耦模块、阀门模块等。它们与核心处理器一起实现了本控制器的所有功能。其硬件结构如图1所示，主要包括微处理器1、按键2、液晶屏3、光耦4、阀门5、储气设备6、传感器7、电源电路8、放大电路9、设定值输入10、PC机控制界面11、RS232转换电路16。其中微处理器是整个系统的枢纽，其中包括CAN模块12、串口模块13、A/D模块14、捕获/比较模块15等。

电源模块8用于给微处理器1和传感器7供电，微处理器1的捕获/比较模块15输出信号给光耦4，从而控制阀门5的开关，以调节储气设备6中的气压。传感器7将反应气压值的电压信号输出给放大电路9，经放大后，再经过微处理器1的A/D模块14，供微处理器1采样。用户的控制信号输入10进入放大电路9，经放大后再经过微处理器1的A/D模块14，供微处理器1采样。微处理器1将采样到的压力值经串口模块13或CAN模块12，显示在PC机控制界面11上，同时也可显示在液晶屏3上。液晶屏3接受按键2的动作，进行传感器标定、单位/量程标定、压力控制等操作。储气设备6设置于阀门5和传感器7之间。

附图说明

图1是电子压力控制器硬件结构框图；

图2是控制算法的方框图。其中，sp：设定值，y：反馈值，Es：经过融合后参与计算的输出值；SV1：传感器1的测量值；SV2：传感器2的测量值。

图3是有无积分初始值时响应曲线的对比；

图中标号：1为微处理器，2为按键，3为液晶屏，4为光耦，5为阀门，6为储气设备，7为传感器，8为电源电路，9为放大电路，10为设定值输入，11为PC机控制界面，12为CAN模块，13为串口模块，14为A/D模块，15为捕获/比较模块，16为RS232转换电路。

具体实施方式

结合附图说明电子压力控制器的具体实施方式。

以下对各模块分别加以介绍。

微处理器1：微处理器的选择对阀门控制极其重要。微处理器1要处理从放大电路得来的放大信号、压力设定值的输入信号、液晶的控制信号和显示值以及阀门开关量的输出信号，并且同时通过串口模块或CAN模块与PC机相连，接受PC机的控制并在其上显示控制的状态。因此，要求微处理器高速、高精度、高可靠性。传统的带有8位A/D的微处理器精度不够，运算速度较慢，在该控制器中选用16位单片机。该16位微处理器将功能强大的CPU与一系列高性能的外围单元集成，有效的联结成一个微处理器系统。片上存储器模块拥有专用总线和控制单元，可以存储代码和数据。该16位微处理器片内自带10位精度的A/D采样器、实时时钟、异/同布串行接口以及用于PWM(脉宽调制)输出的捕获/比较单元等。

按键2：按键采用薄膜开关。用户可以使用按键通过液晶的菜单进行传感器标定、单位/量程标定、压力控制等操作。

电源电路8：在嵌入式系统设计中，电源采用恰当的设计，将有助于降低系统开发的总体成本。该16位微处理器IO口需要供应5V电压以使IO口输出TTL电平，而内核供电只需要2.5V电压，以减少系统功耗，所以对于稳压器芯片的选择首先需输出5V和2.5V电压以满足该微处理器的供电要求，同时也应具备各种保护功能。此外还要注意搭建滤波电路对24V电压进行滤波。本发明采用的传感器则要求一个相对稳定的10V基准电压，以提高传感器的精度。过去的某些传感器使用5V或更低的基准电压，使得传感器精度过低，也就无法保证控制的精度。该控制器4电源使用从0至36V的电压连续可调的电压基准芯片，工作电流范围0.1-100mA，动态电阻典型值为0.2欧，参考电压误差1％。

传感器7：电子压力控制器对传感器提出很多要求，如高精度、线性度好、温度稳定性好、使用寿命长等，因此该控制器选用高精度压力传感器。其测量压力范围为0-150Psi。以往的压力传感器精度低，从而无法保证控制精度，而用于本控制器的传感器精度达0.3mV/Psi，足以满足本控制器的精度要求。其输出信号为0-100mv的压差信号。

显示模块：包括液晶屏和PC机控制界面。以往的压力控制装置都会配备有LCD模块，LCD使用简单，可根据用户需要选择大小合适的LCD模块，显示压力值和用户指令等等。本实用新型用户可以使用按键通过液晶的菜单进行传感器标定、单位/量程标定、压力控制等操作。但是LCD毕竟有局限性，为了显示压力变化的曲线和更加方便的进行标定或指令控制，本实用新型控制器借助Modbus协议或CAN通信通过PC机界面加以控制，从而更加直观便捷。Modbus协议是应用于电子控制器的一种通用语言。通过此协议，可以实现控制器和其它设备之间的通信。为了实现在Modbus网络上的传输，本控制器使用标准Modbus使用的RS232串行接口。

放大电路9：由于压力传感器输出的电压信号极其微弱(一般为0-100mv，对应0-100Psi)，为了使采样值能准确的反映压力值，需要对小信号进行放大。仪用放大器用于需要对小电平信号直流信号进行放大的场合，它是由减法器拓扑而来的。仪用放大器利用了同相输入端高阻抗的优势。基本仪用放大电路的缺点是需要完全相等的电阻，否则这个电路的共模抑制比将会很低。本实用新型的控制器电路采用可以单电源供电的集成运放芯片。该芯片属于四路运算放大器，可以在单电源或是双电源条件下供电，达到轨对轨输出的性能。

光耦4及阀门5：为了避免回路之间电信号的干扰，该控制器在控制信号和阀门之间使用光耦隔离。由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。要注意驱动电路的输入输出使用不同的地，利用隔离，可以避免之间的干扰。大口径高频电磁阀无法实现对较小的储气设备气压的精密控制，电磁阀的开关速度也将成为一个重要指标。所以，该控制器选用高频电磁阀，导通时间仅为3.4ms，阀门孔仅为1.8mm，适用压力范围0-120Psi。当实际压力值高于设定值一定范围时，打开排气阀，关闭进气阀；当实际压力值低于设定值一定范围时，打开进气阀，关闭排气阀；否则，压力稳定在指定精度内，关闭进/排气阀。

RS232转换电路16：这里选用MAX232芯片，实现微处理器与上位机的通信。该芯片使用简单，这里选用波特率115200。使用该芯片时需要外接电容。RS232的驱动能力比较强，当进行远距离传输时，最好使用屏蔽线效果会更好一些。

设定值输入10：用户可选择控制信号(如0-10V或0-5V、4-20mA、8位数字信号)，该信号供给微处理器，微处理器根据所选量程的不同，将控制信号换算成对应的压力设定值。

图2是控制算法的方框图。PID控制(比例、积分、微分控制)主要是通过微处理器来比较给定的压力设定值和传感器反馈回来的实际压力值，利用其偏差值来控制阀门的进气量和排气量，从而达到精确控制阀门气压的目的。当反馈回来的实际压力和指定值的偏差在一定范围内以后，停止进气阀和排气阀的动作，压力容积室的压力达到平衡。

离散PID算法的一般形式是： $u\left(t\right)=K_{P}e\left(t\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_D[e\left(t\right)-e(t-1)].$ K_P、K_I、K_D分别表示比例系数、积分系数、微分系数，根据被控对象的不同，可以对其进行调整。适当调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。其算法简单，参数也易于调整，所以获得广泛应用。该控制器程序中只用到了PI控制，下面简单加以介绍：

1)比例系数：增大比例系数K_P，可以使系统动作灵敏、反应速度加快；但是K_P偏大，会导致震荡次数加多，调节时间加长；K_P过大，系统不稳定。但是注意，增大K_P只能减小误差，不能完全消除稳态误差。

2)积分系数：积分系数K_I能消除系统的稳态误差，挺高控制系统的精度。

值得注意的是，为了提高控制的响应速度，最好给积分赋予一个不为零的初始值。但是由于进气和排气的速度不同(进气是气源气压对储气装置气压，排气是储气装置气压对外界气压，所以排气更快)，所以最好给予进气和排气不同的初始值，以提高快速性和准确性。

系统中加入积分校正后，会产生饱和效应，超调量可能过大，这是不希望看到的，也是控制系统所不允许的。因此引入了积分分离式算法。为了减少积分校正对控制系统动态性能的影响，需要在控制开始阶段或是大幅值变化时，取消积分校正；而当实际压力值与设定值的误差小于一定值时，恢复积分校正作用，以消除稳态误差。积分分离式算法可以保持积分的作用，同时减小超调量，改善控制系统的性能。

使用积分分离式算法要设定积分分离式阈值E₀：当|E(t)|≤|E₀|，采用PI控制，从而保证控制系统的精度。当|E(t)|＞|E₀|，采用P控制，使超调量大幅度降低，挺高控制的速度。

实际系统要求在到达稳态后，控制作用不要频繁作用；而在积累偏差超过一定的范围后作调整，所以，在此系统改为带死区的PI控制。死区的实现如下：

(1)设定允许的误差范围ε；

(2)当|E(t)|≤|ε|时，不输出控制作用；

(3)当|E(t)|＞|ε|时，输出控制作用。

图3是有无积分初始值时响应曲线的对比。此图中采样时间为1秒，采样点数115个。原点曲线是带有积分初始值时的压力曲线；星点曲线是积分初始值为零时的压力曲线。有积分初始值的响应进入稳态的时间明显短于无积分初始值。

该仪器有以下几种工作方式：

一、自动模式。在自动模式下，电子压力控制器用于压力的显示。自带的液晶和按键作为人机交互界面。实际压力将以选定的单位在液晶上显示出来。用户的意图通过按键输入，进行单位、量程的选择。单位分为Psi和Bar，正常工作压力量程为0-100Psi或0-7Bar。用户对单位、量程的选择分为标定和仅限本次使用。标定方式下对单位和量程的选择被写入微处理器片内Flash中，供该控制器每次启动时读取，避免了重复设置。仅限本次使用方式下，压力将以选定的单位和量程显示，控制器重新启动后读取上一次的设置。此模式无须PC机参与，使用简单方便。

二、手动模式。在手动模式下，同样使用自带的液晶和按键作为人机交互界面。用户在此模式下可以对双传感器进行标定。标定的值同样被写入微处理器片内Flash中。手动模式下用户可以在未连接控制信号的情况下，选择控制方式(电压或电流)，通过输入设定值对压力进行控制。

三、上位机测控模式。基于Modbus协议或CAN通信，用户在该模式下可以通过上位机对仪器进行测控，控制气压，具有更好的人机交互界面。用户在该模式下可以完成自动模式和手动模式下的所有操作。它通过串口接收PC机的操作命令，同时将自己要显示的信息传送给PC机。由PC机提供的界面，用户可以很方便的看到压力值及其变化曲线；并且很方便的对所有参数进行标定。标定信息同样被写入微处理器片内Flash中。注意，在此模式下标定的值被作为出厂设定，可以用组合键进行恢复。此种模式的优点是显示界面更为友好，用户操作更加灵活、方便。

Claims (5)

1、一种基于PID控制算法的电子压力控制器，其特征在于该控制器包括微处理器(1)、按键(2)、液晶屏(3)、光耦(4)、阀门(5)、储气设备(6)、传感器(7)、电源电路(8)、放大电路(9)、设定值输入(10)、PC机控制界面(11)、RS232转换电路(16)；其中微处理器(1)是整个系统的枢纽，包括CAN模块(12)、串口模块(13)、A/D模块(14)和捕获/比较模块(15)；电源模块(8)用于给微处理器(1)和传感器(7)供电，微处理器(1)的捕获/比较模块(15)输出信号给光耦(4)，从而控制阀门(5)的开关，以调节储气设备(6)中的气压；传感器(7)将反应气压值的电压信号输出给放大电路(9)，经放大后再经过微处理器(1)的A/D模块(14)，供微处理器(1)采样；用户的控制信号输入(10)进入放大电路(9)，经放大后再经过微处理器的A/D模块(14)，供微处理器(1)采样；微处理器(1)将采样到的压力值经串口模块(13)或CAN模块(12)，显示在PC机控制界面(11)上，同时也可显示在液晶屏(3)上；液晶屏(3)接受按键(2)的动作，进行传感器标定、单位/量程标定、压力控制操作；储气设备(6)设置于阀门(5)和传感器(7)之间。

2、根据权利要求1所述的电子压力控制器，其特征在于所述的微处理器(1)处理从放大电路得来的放大信号、压力设定值的输入信号、液晶的控制信号和显示值以及阀门开关量的输出信号，并且同时通过串口模块或CAN模块与PC机相连，接受PC机的控制并在其上显示控制的状态。

3、根据权利要求1所述的电子压力控制器，其特征在于所述的电源模块(8)采用从0至36V的电压连续可调的电压基准芯片，工作电流范围0.1-100mA。

4、根据权利要求1所述的电子压力控制器，其特征在于所述的所述传感器(7)的测量压力范围为0-150Psi，输出信号为0-100mv的压差信号。

5、根据权利要求1所述的电子压力控制器，其特征在于所述的阀门(5)采用高频电磁阀，其导通时间为3.4ms，阀门孔为1.8mm，适用压力范围为0-120Psi。

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