STM32L476应用开发之七：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-*(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*(-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 = ;
   uint16_t PWMPulse = ;
   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 - )*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。