设计一种PID控制算法,实现对海水流量的控制;

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1、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

2、，使采用全控制的开关功率元件进行脉宽调制（pulsewidthmodulation,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

3、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P

4、WM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3.1PWM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

5、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

6、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3-14. 软件部分4.1PWM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

7、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;//startat0  TCNT1L=0x

8、00;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：voidPID(){floatu;                                          //电压差值 sintz;