可編程氣動比例控制系統的設計與實現

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(1.中國科學院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術北京市重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院微電子研究所，北京 100029；3 中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

呼吸機是當前大型醫院必備的搶救設備，是延長病人生命為進一步治療爭取寶貴時間的重要工具，呼吸機通常作為肺的替代器官輔助呼吸不全的危重病人進行呼吸[1]。氣動比例閥作為呼吸機的關鍵部件，具有動態特性好、控制精度高和易于集成等特點[2]，但是國內使用的氣動比例閥多依賴于進口，國產氣動比例閥在性能上還多有不足。

在呼吸機應用中，氣動比例閥兩側均為可壓縮性較強的氣體，導致系統具有時變性、非線性和擾動較強等特性，難以建立精確的數學模型。而傳統的PID控制器往往依賴確定的數學模型對參數進行整定，以一組固定的參數來完成系統的控制任務，難以同時滿足所有設定輸出流量的控制要求。近十幾年來，國內外學者對氣動比例伺服系統進行了大量的研究，應用控制理論的研究成果，如自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、變結構控制、魯棒控制等取得了一定進展[3-4],其中模糊控制是一種智能的控制方式，它適合對難以建立精確數學模型、非線性較強、大滯后的系統進行控制[5]，對于系統參數的變化具有較強的魯棒性，且抗干擾能力強，能達到較好的控制效果。

隨著計算機技術的發展，基于MCU的數字式控制器以其系統的靈活性成為氣動比例控制技術的主要研究方向之一，為更多先進的控制算法提供了實現平臺。本課題所使用的氣動比例閥為國內某公司試生產的一款氣動比例閥，根據該閥的電氣特性設計了PWM開關型驅動電路并對閥的性能進行了一定的補償，通過研究該閥的特性并結合現場調試經驗設計了一種模糊控制和PID控制相結合的數字式雙環控制器，實驗表明系統穩態動態性能均較好，能夠滿足呼吸機的應用要求。

1 系統結構

系統結構如圖1所示。上位機為使用C#編寫的人機交互界面，采用UART接口與STM32芯片進行通信，負責發送控制命令設定輸出流量和接收實時數據并以曲線形式顯示。STM32微控制器負責與上位機進行通信、接收AD采集到的傳感器測量數據和產生控制比例閥所需的不同占空比的PWM波。驅動放大級對STM32輸出的PWM波進行功率放大以使它能夠驅動比例電磁鐵。比例電磁鐵負責將不同占空比的PWM波轉換成不同大小的電磁推力，比例電磁鐵產生的推力改變閥芯位置，從而使輸出流量發生變化。測量放大電路包括位移傳感器和流量傳感器以及相關的信號采集電路，采集到的信號經過STM32內部的ADC轉換得到實時位移值和流量值。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 驅動放大電路設計

驅動放大電路的作用是將微控制器輸出的PWM波進行電平轉換，產生驅動比例電磁鐵所需要的電流信號，端口M1和M2接比例閥兩端，電路結構如圖2所示。

圖2 驅動放大電路

圖中，D1為鉗位二極管，D2提供了快速卸荷通道，D3為續流二極管，R1和R2構成保護回路，可以實現微控制器輸出前端與驅動放大電路模塊間的阻抗匹配，可以減小由PWM波引起的傳輸噪聲，R3和R4構成一級分壓電路，用來調整VGS的幅值[2]。通過功率管的放大作用產生的電平信號再經過R8和R9轉換成電流信號，最終輸出給比例電磁鐵。本文選用的功率管是DIODES公司的ZXMP6A18DN8雙PMOS管，它的漏源擊穿電壓為60 V，靜態漏源導通電阻僅為55 mΩ，穩態漏電流可達4.8 A，滿足本應用的要求。通過雙管并聯的方式驅動電磁鐵，可以提高功率管的穩態漏電流，并降低漏源導通電阻[2]。

2.2 傳感器信號采集電路

STM32F767芯片內部集成了具有模數轉換功能的多通道ADC，該ADC可將0～3.3 V的模擬電平進行采樣并量化至[0,4 096]區間內，為提高采樣精度需將原始位移信號進行放大。選用TE公司的MHR050型號的位移傳感器，如圖3所示，從位移傳感器得到閥芯位移的差分信號WY-和WY+，經過運算放大器之后即可得到適當電平值的位移信號WYADC供片上ADC采樣量化。

如圖4所示，流量傳感器的供電電壓為5 V，輸出的流量信號和溫度信號也是0～5 V的電壓信號，超出ADC的采樣區間，需要經過分壓將它們轉換至0～3.3 V之間的電壓信號，R1、R2、R3和R4是分壓電阻。信號FLOW_MOSI、FLOW_SCLK、FLOW_CSN和FLOW_MISO是用于讀出流量傳感器校正數據的SPI接口，流量傳感器內部的EEPROM中保存著用于校正流量傳感器的數據，在開機啟動時從EEPROM中讀出這些數據，這些數據用來和采集到的FLOW_ADC、TEMP_ADC兩個信號一起計算實時流量值，計算過程將在第3部分中介紹。

圖3 位移傳感器信號采集電路

圖4 流量傳感器信號采集電路

2.3 比例閥電感補償

比例閥等效模型如圖5所示，為減小比例線圈中的電流紋波，一般將MCU輸出的PWM波信號設定為較高的頻率，通常情況下能達到幾十到上百千赫茲。然而在頻率較高時，比例線圈的特性會發生退化，線圈在高頻下的集膚效應引起線圈交流阻抗增大、電感值降低[6]，導致電流的紋波變大、控制效果變差，PWM波信號與流過線圈的電流之間的關系如圖6所示。

圖5 比例閥等效電路模型

圖6 PWM波信號與線圈電流關系圖

對于周期為T、占空比為α的PWM波信號，L為高頻下比例線圈的電感值，i(t)為流過線圈的電流，計算其電流紋波大小：

當PWM波信號為高電平時:

(1)

當PWM波信號為低電平時:

(2)

(3)

(4)

聯立式(3)和式(4)可得:

2dI=U·α(1-α)T/L

(5)

從式(5)可以看出紋波dI的大小和PWM波周期T和線圈高頻下等效電感有關，可以通過提高PWM波的頻率或增大線圈電感來減小電流紋波。使用安捷倫公司E4980A精密LCR表測得在高頻下氣動比例閥等效的電感變化情況如圖7所示，比例線圈在高頻下的電感大幅減小，通過提高PWM波頻率的方法并不能減小電流紋波，在高頻下線圈中電流的紋波反而會更大，嚴重時將無法對比例閥進行有效控制。為解決該問題，在磁芯上用粗銅線自行繞制了一個與比例線圈低頻電感值相當的大功率高頻電感，并將該電感與比例閥串聯，增大了高頻下線圈充放電回路的電感，有效的減小了電流的紋波。

圖7 比例線圈電感值與PWM波頻率關系圖

3 雙環控制器

常規的液壓伺服系統往往采用單環控制，單閉環的控制方式具有結構簡單、易于實現、穩態性能好等優點，但是其瞬態特性較差，在輸出流量較小時越容易產生超調較大和調整時間過長等問題，而醫用呼吸機對于快速性和舒適度的要求較高，單閉環的控制方式難以滿足醫用呼吸機的性能要求。在單閉環控制的基礎上本文提出了流量和位移雙環級聯的控制方式，如圖8所示。內環為閥芯位移控制環，采用常規的PID控制，響應速度較快；外環為比例閥的流量控制環，利用模糊控制較強的魯棒性，在系統參數發生較大變化時仍能夠抑制超調并提升控制系統的穩態性。

圖8 雙環級聯控制方式

3.1 實時流量值計算

根據ADC流量和溫度兩個通道轉換得到的數字量計算出FLOW_ADC和TEMP_ADC(見圖4)， 然后根據分壓比得到流量電壓Vf和溫度電壓Vt，在流量傳感器數據手冊中查表得到Vt對應的氣體溫度T′,然后根據式(6)計算得到校正后的氣體溫度T:

T=T′+Tcorr

(6)

然后計算橋電壓Vb:

Vb=(Vf+Z)/S

(7)

接著計算溫度補償系數TCF:

TCF=K0+K1Vb+K2T+K3T2+K4T3

(8)

再計算標準流量電壓Vf std，Vf std是氣體溫度為21.11℃時的流量電壓Vf:

Vf std=(Vf+Z)·TCF-Z

(9)

最后計算實時流量Q，Q是單位為SLPM(Standard Liters Per Minute)的氣流速度:

(10)

式中，Tcorr為溫度校正量，Z、S均為電路的增益參數，K0、K1、K2、K3、K4為溫度補償系數，A、B、C為計算氣體流量的參數，上述參量均從流量傳感器內部的EEPROM中讀出。

3.2 模糊控制器

模糊控制器是流量控制系統設計的關鍵，其主要作用是實現對輸入的流量控制信號的快速平穩跟蹤并減小超調。模糊控制是一種基于規則的控制，它直接采用語言性控制規則，在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，而是把被控對象看作一個“黑箱”，把現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識描述成控制規則，讓機器根據這些規則模仿人進行操作來實現自動控制[7]。模糊控制的思想是找出被控量與偏差e及偏差變化率ec之間的模糊關系，在系統運行過程中，通過不斷檢測e和ec并根據模糊控制規則不斷對被控量進行在線調整，工作原理如圖9所示。

圖9 模糊控制器示意圖

3.2.1 確定語言變量

首先確定e、ec和u的模糊論域，這里選取三個變量的模糊子集論域均為E=EC=U={-3，-2，-1，0，1，2，3}，對應的模糊語言為{NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。

3.2.2 確定隸屬度函數

將e和ec乘以相應的量化因子映射到模糊論域的區間內，得到模糊論域的變量E和EC，選取如圖10所示的三角形隸屬度函數，將E和EC模糊化，得到它們隸屬于各個模糊變量的隸屬度。

圖10 隸屬度函數

3.2.3 模糊控制規則

根據對氣動比例閥結構的分析和實際應用中調節的經驗，并考慮到電流驅動比例電磁鐵模式的時滯特性，建立如下模糊控制規則：當誤差為正大時，如果誤差變化率為正偏小，則應該逐漸增大控制量；當誤差為正大時，如果誤差變化率為負，則應該迅速增大控制量，使比例閥盡快調整到預設的流量；當誤差正大或正中且誤差變化率為正偏大時，應該保持當前控制量大小使誤差進一步減小；當誤差減小為正小、零或負小時，應該減小控制量提前制動防止產生較大超調；當誤差為負偏大時，應該盡快減小控制量避免超調進一步增大；當誤差為負偏小時，考慮到系統的慣性應該逐漸增大控制量保持輸出流量大小。總結出如表1所示的模糊控制規則表。

表1 模糊控制規則

3.2.4 解模糊化規則

解模糊是將模糊量轉化為精確值的過程，解模糊的方法通常有最大隸屬度法和重心法等，本文采用重心法對推理出的模糊集合進行解模糊化，得到輸出量的精確值，然后乘以量化因子得到實際控制輸出值。

3.3 PID控制器

為了提高控制器的穩態性能，得到精確平穩的輸出流量，本系統在內環采用PID控制器控制閥芯位移。PID參數整定的方法有很多種，國內外學者對此做了大量研究，對比各種PID參數整定的方法，ZN臨界比例度法較為適合對氣動比例閥PID控制器參數進行整定，該方法不依賴于對象的數學模型參數，通過實驗由經驗公式得到PID控制器的最優參數整定[8-9]。

臨界比例度法是一種試驗的方法，首先令系統只保留比例控制的作用，并從較大比例系數逐步減小，使系統對階躍輸入的響應達到臨界振蕩，此時的比例度記為δr，臨界振蕩周期記為Tr，PID參數通過式(11)確定。

P=1.7δr,I=0.5Tr,D=0.13Tr

(11)

4 實驗結果及分析

實驗的氣源是容量恒定并以一定速度充氣的空氣壓縮機，初始壓力為300 kpa，控制頻率為4 kHz，PWM波頻率為50 kHz，此次實驗設定輸出流量值為60 L/min，分別進行PID控制和雙環控制實驗，實驗結果如圖11所示?？梢妭鹘yPID控制方式雖然響應速度較快，但其產生了較大的超調，且到達穩態之后與流量設定值之間的誤差經過較長時間才消除；而模糊控制和PID控制相結合的雙環控制方式有效的抑制了超調且響應速度也較快，穩態值與流量設定值之間的誤差較小。

圖11 階躍響應

在相同的實驗條件下，設定輸出不同的流量，得到的階躍響應曲線如圖12所示,可以看出在全部的測試輸出流量下，50 ms時給出階躍控制信號，100 ms之前輸出流量均達到穩態，調整時間小于50 ms。由于氣源放氣太快導致氣源壓力不穩，穩態誤差在大輸出流量條件下較大，穩態誤差均控制在以內。

圖12 不同流量控制值的響應曲線

同樣在上述實驗條件下，首先控制得到穩定的輸出流量，然后在系統中加入擾動，得到響應曲線如圖13所示。

圖13 擾動測試

可以看出傳統PID控制方式系統響應速度較快，但由于參數不可變，導致系統的調整時間較長并且穩態特性較差。模糊控制能夠根據系統的實時狀態選取不同的參數來進行調整控制，本文所設計的結合模糊控制和PID控制的雙環控制系統有效抑制了超調，增強了信號的跟蹤能力，具有良好的穩態特性，在流量較大，氣源壓力波動的情況下能有有效的抑制干擾，在不同的輸出流量條件下，均達到了良好的控制性能。尤其是在輸出流量較小的情況下，此時流量閥兩側的壓差較大，閥芯的微小移動都會導致其兩側的壓力發生較大變化，系統的非線性特性尤為明顯，這種條件下系統仍能達到較好的控制性能，表現出較強的魯棒性，而傳統的PID控制方式無法在流量較小時得到穩定的流量輸出。

5 結論

在氣動比例控制系統中，傳統的PID控制方式往往由于系統的非線性特性而無法達到理想的控制性能要求，模糊控制作為一種先進的控制方式很好的解決了系統的非線性問題，并且證明在實際應用中能夠達到良好的控制效果，魯棒性好，抑制干擾能力較強。在本文所設計的控制系統的基礎上對氣動比例閥進行了測試，有效輸出流量范圍7～180 L/min，穩態誤差以內，響應時間，輸出流量瞬態穩態特性均較好，基本滿足呼吸機的應用要求。