PID控制的应用

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在气体检测仪使用过程中，为了力求分析结果的准确性，一般要求通过的气体流量尽可能的稳定。为了保证流量控制的稳定，我们采用PID调节来控制气路阀门的开度。

1、硬件设计
我们采用的流量计为气体质量流量计，采用热式原理，输出0-5VDC的信号。该流量计如下：

鉴于该流量计的特性，我们设计如下的采集电路来完成流量数据的采集，具体原理图如下：


对于流量控制阀我们选择了电动比例调节阀，该阀给的电压不一样时，其开度是不一样的，所以可以通过PWM来控制其在0-100%的范围内开关，从而获得我们需要的流量。


关于PWM部分的电路我们采用TIM定时器产生，通过响应的隔离电路产生幅值为24VDC的PWM波。具体的原理图如下：

2、软件设计
关于流量的采集与前述的模拟量的采集一致，不再多说。我们主要实验PID控制以及PWM输出等部分。
（1）PID控制
PID是控制中最为常见的控制器，其由比例、积分、微分等部分组成，器常见的结构框图如下所示：


这次我们要实现PID控制器，采用增量型算法，具有变积分，梯形积分和抗积分饱和功能，具体的软件流程图如下：


根据上述流程图，我们很容易实现PID控制器：

/* 通用PID控制器,采用增量型算法，具有变积分，梯形积分和抗积分饱和功能 */
/* 微分项采用不完全微分，一阶滤波，alpha值越大滤波作用越强 */
/* CLASSICPID vPID，PID对象变量，实现数据交换与保存 */
/* float pv，过程测量值，对象响应的测量数据，用于控制反馈 */
void PIDRegulator(CLASSICPID vPID,float pv)
{
  float thisError;
  float result;
  float factor;
  float increment;
  float pError,dError,iError;

  thisError=vPID->setpoint-processValue; //得到偏差值
  result=vPID->result;
  if (ABS(thisError)>vPID->deadband)
  {
    pError=thisError-vPID->lasterror;
    iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0;
    dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror;

    //变积分系数获取
    factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin);

    //计算微分项增量带不完全微分
    vPID->deltadiff=vPID->kd*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff;

    increment=vPID->kp*pError+vPID->ki*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量计算
  }
  else
  {
    if((abs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(abs(pv-vPID->minimum)<vPID->deadband))
    {
      result=vPID->minimum;
    }
    increment=0.0;
  }

  result=result+increment;

  /*对输出限值，避免超调和积分饱和问题*/
  if(result>=vPID->maximum)
  {
    result=vPID->maximum;
  }
  if(result<=vPID->minimum)
  {
    result=vPID->minimum;
  }

  vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算
  vPID->lasterror=thisError;
  vPID->result=result;
  vPID->output=((result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum))*100.0;
}

/*变积分系数处理函数，实现一个输出0和1之间的分段线性函数 */
/* 当偏差的绝对值小于最小值时，输出为1；当偏差的绝对值大于最大值时，输出为0 */
/* 当偏差的绝对值介于最大值和最小值之间时，输出在0和1之间现行变化 */
/* float error，当前输入的偏差值 */
/* float absmax，偏差绝对值的最大值 */
/* float absmin，偏差绝对值的最小值 */
static float VariableIntegralCoefficient(float error,float absmax,float absmin)
{
  float factor=0.0;

  if(abs(error)<=absmin)
  {
    factor=1.0;
  }
  else if(abs(error)>absmax)
  {
    factor=0.0;
  }
  else
  {
    factor=(absmax-abs(error))/(absmax-absmin);
  }

  return factor;
}

（2）PWM输出
PWM输出较为简单，关于TIM配置等网上有很多，在此不再多说。根据PID控制器的输出，我们计算PWM的占空比，通过占空比来调节阀门的开度，从而控制流量大小。

*阀门控制调节*/
void ControlProcess(void)
{
  uint16_t TimerPeriod = 0;
  uint16_t PWMPulse = 0;
  float dutyfactor=0.0;//定义占空比

  vPID.setpoint=aPara.phyPara.flowSetPoint;
  PIDRegulation(&vPID, aPara.phyPara.flowMeasuredValue);
  dutyfactor=vPID.result/ADC1HighRange;

  /*计算频率和占空比*/
  TimerPeriod = PWMTimePeriod;//计算用于设置ARR寄存器的值使产生信号的频率为17.57 Khz
  PWMPulse = (uint16_t) ((TimerPeriod - 1)*dutyfactor);//计算CCR1寄存器的值在通道1和1N产生50%占空比，用于TIM1

  HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//停止PWM
  PWM_TIM_Configuration(TimerPeriod,PWMPulse);
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);//启动PWM
}

3、测试结果
软件编写完成，硬件连接好后，运行并在线监控。PID控制器的调节速度还是比较快的，流量也比较稳定。如果进行细致的参数整定应该可以进一步提高控制效果。