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：
1 /* PID初始化操作,需在对vPID对象的值进行修改前完成 */ 2 /* CLASSICPID vPID，通用PID对象变量，实现数据交换与保存 */ 3 /* float vMax,float vMin，过程变量的最大最小值（量程范围） */ 4 void PIDParaInitialization(CLASSICPID vPID,float vMax,float vMin) 5 { 6 vPID->maximum=vMax; /*输出值上限*/ 7 vPID->minimum=vMin; /*输出值下限*/ 8 9 vPID->setpoint=vMin; /*设定值*/ 10 vPID->kp=0.6; /*比例系数*/ 11 vPID->ki=0.03; /*积分系数*/ 12 vPID->kd=0.01; /*微分系数*/ 13 14 vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/ 15 vPID->preerror=0.0; /*前两拍偏差*/ 16 vPID->result=vMin; /*PID控制器结果*/ 17 vPID->output=0.0; /*输出值*/ 18 19 vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8; 20 vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2; 21 22 vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.005; /*死区*/ 23 vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系数*/ 24 vPID->deltadiff=0.0; 25 26 vPID->integralValue=0.0; 27 } 28 29 /* 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 */ 30 /* 微分项采用不完全微分，一阶滤波，alpha值越大滤波作用越强 */ 31 /* CLASSICPID vPID，PID对象变量，实现数据交换与保存 */ 32 /* float pv，过程测量值，对象响应的测量数据，用于控制反馈 */ 33 void PIDRegulator(CLASSICPID vPID,float pv) 34 { 35 float thisError; 36 float result; 37 float factor; 38 float increment; 39 float pError,dError,iError; 40 41 thisError=vPID->setpoint-processValue; //得到偏差值 42 result=vPID->result; 43 if (ABS(thisError)>vPID->deadband) 44 { 45 pError=thisError-vPID->lasterror; 46 iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0; 47 dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror; 48 49 //变积分系数获取 50 factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin); 51 52 //计算微分项增量带不完全微分 53 vPID->deltadiff=kd*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff; 54 55 increment=vPID->kp*pError+vPID->ki*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量计算 56 } 57 else 58 { 59 if((abs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(abs(pv-vPID->minimum)<vPID->deadband)) 60 { 61 result=vPID->minimum; 62 } 63 increment=0.0; 64 } 65 66 result=result+increment; 67 68 /*对输出限值，避免超调和积分饱和问题*/ 69 if(result>=vPID->maximum) 70 { 71 result=vPID->maximum; 72 } 73 if(result<=vPID->minimum) 74 { 75 result=vPID->minimum; 76 } 77 78 vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算 79 vPID->lasterror=thisError; 80 vPID->result=result; 81 vPID->output=((result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum))*100.0; 82 } 83 84 /*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 */ 85 /* 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 */ 86 /* 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 */ 87 /* float error，当前输入的偏差值 */ 88 /* float absmax，偏差绝对值的最大值 */ 89 /* float absmin，偏差绝对值的最小值 */ 90 static float VariableIntegralCoefficient(float error,float absmax,float absmin) 91 { 92 float factor=0.0; 93 94 if(abs(error)<=absmin) 95 { 96 factor=1.0; 97 } 98 else if(abs(error)>absmax) 99 { 100 factor=0.0; 101 } 102 else 103 { 104 factor=(absmax-abs(error))/(absmax-absmin); 105 } 106 107 return factor; 108 }
（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。
1 *阀门控制调节*/ 2 void ControlProcess(void) 3 { 4 uint16_t TimerPeriod = 0; 5 uint16_t PWMPulse = 0; 6 float dutyfactor=0.0;//定义占空比 7 8 vPID.setpoint=aPara.phyPara.flowSetPoint; 9 PIDRegulation(&vPID, aPara.phyPara.flowMeasuredValue); 10 dutyfactor=vPID.result/ADC1HighRange; 11 12 /*计算频率和占空比*/ 13 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 14 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 15 16 HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//停止PWM 17 PWM_TIM_Configuration(TimerPeriod,PWMPulse); 18 HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);//启动PWM 19 }
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。