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0 引言
空氣壓縮機的壓力控制系統(tǒng)一般采用二位式控制方式，因而壓力穩(wěn)定性較差。本文介紹以單片機AT89C51為核心器件構(gòu)成的壓力控制系統(tǒng)，它具有調(diào)試簡單、測控精度高、成本低、可靠性好等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)組成
1.1壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理[1-2]
壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件由壓力傳感變送器、交流變頻調(diào)速器、空氣壓縮機、單片機及相關(guān)控制電路組成，原理框圖如圖1所示。壓力傳感變送器將管網(wǎng)壓力信號轉(zhuǎn)變成標準電信號送給A/D轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送單片機，單片機按一定的控制規(guī)則運算處理后輸出數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成模擬信號控制變頻器的輸出頻率，以此調(diào)節(jié)空氣壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，使空氣壓縮機的排氣量隨著車間用氣量的變化而改變，從而保證管網(wǎng)的壓力恒定。
圖1 壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2參數(shù)檢測與信號處理電路
壓力測量選用YTZ-150型遠傳壓力表，測量范圍為0～1.0ＭＰa，輸出為電阻信號，阻值的變化范圍為0～400Ω。采用遠傳壓力表價格較便宜，信號處理電路設(shè)計簡單，但不同壓力傳感器一致性差，調(diào)試比較麻煩。
壓力檢測與信號處理電路如圖2所示。運放IC1、基準電壓源-V及電阻R1～R4組成恒流源，向遠傳壓力表的輸出電阻RX提供1mA的恒定電流，將壓力表的電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘枺?jīng)高靈敏度運放IC2同相放大后輸出0～5V直流電壓信號送計算機系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換卡。限幅穩(wěn)壓管D1可防止電壓過高損壞A/D卡。由于遠傳壓力傳感器的一致性差，因此不同傳感器的放大器零點和滿刻度須單獨分別調(diào)整。
空氣壓縮機運行環(huán)境惡劣、，大功率的電機、交流變頻調(diào)速器、電源電壓波動等引起的電磁干擾比較嚴重。因此，檢測儀表和布線應(yīng)盡量避開強電磁場，傳感器應(yīng)采用高精度電源供電。
圖2 壓力檢測及信號處理電路圖
2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計
2.1 PID參數(shù)的優(yōu)化
系統(tǒng)采用遺傳算法離線優(yōu)化PID參數(shù)[3]。
遺傳算法(GA)是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法，它將待求解問題轉(zhuǎn)換成由個體組成的演化群體和對該群體進行操作的一組遺傳算子，整個系統(tǒng)按照"物競天擇，適者生存"的原則，引入如繁殖、交叉和變異的方法，經(jīng)歷生成-評價-選擇-操作的演化過程反復(fù)進行，直至搜索到最優(yōu)解。
本系統(tǒng)用GA算法對PID離散化表達式[4]中的3個PID參數(shù)KP、KI、KD進行離線優(yōu)化設(shè)計，從而使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。算法流程圖如圖3所示。
圖3 遺傳算法流程圖
若取采樣周期：T=80s；GA離線優(yōu)化結(jié)果為：積分時間：TI=180s；微分時間：TD=180s；比例系數(shù)：KP=5；積分系數(shù)：KI=KPT/TI=1；微分系數(shù)：KD= KPTD/T=8。
2.2 變速積分PID控制算法
在傳統(tǒng)的PID算法中，積分增益KI為常數(shù)，在整個調(diào)節(jié)過程中其值不變。但實際上系統(tǒng)要求：偏差大時，積分作用應(yīng)減弱，否則會產(chǎn)生超調(diào)，甚至出現(xiàn)積分飽和；偏差小時，積分作用應(yīng)加強，否則不能滿足準確性的要求[4]。引進變速積分PID控制算法[4]能使控制性能得到滿足。其基本思路如下：偏差大時，積分累積速度慢，積分作用弱；偏差小時，積分累積速度快，積分作用強。為此，設(shè)置系數(shù)f[E(k)], 它是偏差E(k)的函數(shù)，當(dāng)[E(k)]增大時，f[E(k)]減小；反之則增大。每次采樣后，用f [E(k)]乘E(k)，再進行累加：
(1)
式中：PI(k)表示變速積分的輸出值。
f [E(k)]與E(k)的關(guān)系可表示為：
將P(k)代入PID算式，得：
(2)
根據(jù)式（2）編制出變速積分PID控制算法程序框圖如圖4所示。
圖4 變速積分PID控制算法程序框圖
在此系統(tǒng)中，采用簡單的變速積分PID控制，取A=10，B=2。經(jīng)實驗效果較好。
2.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計
系統(tǒng)的軟件在89C51單片機上設(shè)計，由單片機控制的主程序包括初始化、顯示面板管理及各子程序調(diào)用。壓力信號的采集、數(shù)字濾波、標度轉(zhuǎn)換、壓力顯示、變速積分PID控制算法等功能的實現(xiàn)由各子程序完成。軟件還包括對系統(tǒng)的保護等。軟件流程圖如圖5所示。采樣周期通過AT89C51的定時器T0和軟件計數(shù)實現(xiàn)。
3 實驗結(jié)果
實驗中將儲氣罐壓力從0.1Mpa增加到0.5Mpa，并保持此壓力，壓力值上下波動±0.02Mpa。測得系統(tǒng)的動態(tài)性能為：延遲時間td =160s，超調(diào)量σ =2.9
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號