流量的PID控制
在气体分析仪使用过程中，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：
/* PID初始化操作,需在对vPID对象的值进行修改前完成 */
/* CLASSICPID vPID，通用PID对象变量，实现数据交换与保存 */
/* float vMax,float vMin，过程变量的最大最小值（量程范围） */
void PIDParaInitialization(CLASSICPID vPID,float vMax,float vMin)
{
vPID->maximum=vMax; /*输出值上限*/
vPID->minimum=vMin; /*输出值下限*/
vPID->setpoint=vMin; /*设定值*/
vPID->kp=0.6; /*比例系数*/
vPID->ki=0.03; /*积分系数*/
vPID->kd=0.01; /*微分系数*/
vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/
vPID->preerror=0.0; /*前两拍偏差*/
vPID->result=vMin; /*PID控制器结果*/
vPID->output=0.0; /*输出值*/
vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8;
vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2;
vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.005; /*死区*/
vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系数*/
vPID->deltadiff=0.0;
vPID->integralValue=0.0;
}
/* 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=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,floatabsmin)
{
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*/
voidControlProcess(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。
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