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(1.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;2.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100029;3 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
呼吸機(jī)是當(dāng)前大型醫(yī)院必備的搶救設(shè)備,是延長病人生命為進(jìn)一步治療爭取寶貴時(shí)間的重要工具,呼吸機(jī)通常作為肺的替代器官輔助呼吸不全的危重病人進(jìn)行呼吸[1]。氣動(dòng)比例閥作為呼吸機(jī)的關(guān)鍵部件,具有動(dòng)態(tài)特性好、控制精度高和易于集成等特點(diǎn)[2],但是國內(nèi)使用的氣動(dòng)比例閥多依賴于進(jìn)口,國產(chǎn)氣動(dòng)比例閥在性能上還多有不足。
在呼吸機(jī)應(yīng)用中,氣動(dòng)比例閥兩側(cè)均為可壓縮性較強(qiáng)的氣體,導(dǎo)致系統(tǒng)具有時(shí)變性、非線性和擾動(dòng)較強(qiáng)等特性,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。而傳統(tǒng)的PID控制器往往依賴確定的數(shù)學(xué)模型對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定,以一組固定的參數(shù)來完成系統(tǒng)的控制任務(wù),難以同時(shí)滿足所有設(shè)定輸出流量的控制要求。近十幾年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣動(dòng)比例伺服系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究,應(yīng)用控制理論的研究成果,如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制等取得了一定進(jìn)展[3-4],其中模糊控制是一種智能的控制方式,它適合對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型、非線性較強(qiáng)、大滯后的系統(tǒng)進(jìn)行控制[5],對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的魯棒性,且抗干擾能力強(qiáng),能達(dá)到較好的控制效果。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,基于MCU的數(shù)字式控制器以其系統(tǒng)的靈活性成為氣動(dòng)比例控制技術(shù)的主要研究方向之一,為更多先進(jìn)的控制算法提供了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。本課題所使用的氣動(dòng)比例閥為國內(nèi)某公司試生產(chǎn)的一款氣動(dòng)比例閥,根據(jù)該閥的電氣特性設(shè)計(jì)了PWM開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路并對(duì)閥的性能進(jìn)行了一定的補(bǔ)償,通過研究該閥的特性并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種模糊控制和PID控制相結(jié)合的數(shù)字式雙環(huán)控制器,實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)性能均較好,能夠滿足呼吸機(jī)的應(yīng)用要求。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)為使用C#編寫的人機(jī)交互界面,采用UART接口與STM32芯片進(jìn)行通信,負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令設(shè)定輸出流量和接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并以曲線形式顯示。STM32微控制器負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信、接收AD采集到的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制比例閥所需的不同占空比的PWM波。驅(qū)動(dòng)放大級(jí)對(duì)STM32輸出的PWM波進(jìn)行功率放大以使它能夠驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵。比例電磁鐵負(fù)責(zé)將不同占空比的PWM波轉(zhuǎn)換成不同大小的電磁推力,比例電磁鐵產(chǎn)生的推力改變閥芯位置,從而使輸出流量發(fā)生變化。測(cè)量放大電路包括位移傳感器和流量傳感器以及相關(guān)的信號(hào)采集電路,采集到的信號(hào)經(jīng)過STM32內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)位移值和流量值。
圖1 系統(tǒng)框圖
驅(qū)動(dòng)放大電路的作用是將微控制器輸出的PWM波進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵所需要的電流信號(hào),端口M1和M2接比例閥兩端,電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 驅(qū)動(dòng)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(xù)流二極管,R1和R2構(gòu)成保護(hù)回路,可以實(shí)現(xiàn)微控制器輸出前端與驅(qū)動(dòng)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(gòu)成一級(jí)分壓電路,用來調(diào)整VGS的幅值[2]。通過功率管的放大作用產(chǎn)生的電平信號(hào)再經(jīng)過R8和R9轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),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(tài)漏源導(dǎo)通電阻僅為55 mΩ,穩(wěn)態(tài)漏電流可達(dá)4.8 A,滿足本應(yīng)用的要求。通過雙管并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)電磁鐵,可以提高功率管的穩(wěn)態(tài)漏電流,并降低漏源導(dǎo)通電阻[2]。
STM32F767芯片內(nèi)部集成了具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的多通道ADC,該ADC可將0~3.3 V的模擬電平進(jìn)行采樣并量化至[0,4 096]區(qū)間內(nèi),為提高采樣精度需將原始位移信號(hào)進(jìn)行放大。選用TE公司的MHR050型號(hào)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(hào)WY-和WY+,經(jīng)過運(yùn)算放大器之后即可得到適當(dāng)電平值的位移信號(hào)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(hào)和溫度信號(hào)也是0~5 V的電壓信號(hào),超出ADC的采樣區(qū)間,需要經(jīng)過分壓將它們轉(zhuǎn)換至0~3.3 V之間的電壓信號(hào),R1、R2、R3和R4是分壓電阻。信號(hào)FLOW_MOSI、FLOW_SCLK、FLOW_CSN和FLOW_MISO是用于讀出流量傳感器校正數(shù)據(jù)的SPI接口,流量傳感器內(nèi)部的EEPROM中保存著用于校正流量傳感器的數(shù)據(jù),在開機(jī)啟動(dòng)時(shí)從EEPROM中讀出這些數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)用來和采集到的FLOW_ADC、TEMP_ADC兩個(gè)信號(hào)一起計(jì)算實(shí)時(shí)流量值,計(jì)算過程將在第3部分中介紹。
圖3 位移傳感器信號(hào)采集電路
圖4 流量傳感器信號(hào)采集電路
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(hào)設(shè)定為較高的頻率,通常情況下能達(dá)到幾十到上百千赫茲。然而在頻率較高時(shí),比例線圈的特性會(huì)發(fā)生退化,線圈在高頻下的集膚效應(yīng)引起線圈交流阻抗增大、電感值降低[6],導(dǎo)致電流的紋波變大、控制效果變差,PWM波信號(hào)與流過線圈的電流之間的關(guān)系如圖6所示。
圖5 比例閥等效電路模型
圖6 PWM波信號(hào)與線圈電流關(guān)系圖
對(duì)于周期為T、占空比為α的PWM波信號(hào),L為高頻下比例線圈的電感值,i(t)為流過線圈的電流,計(jì)算其電流紋波大?。?/p>
當(dāng)PWM波信號(hào)為高電平時(shí):
(1)
當(dāng)PWM波信號(hào)為低電平時(shí):
(2)
(3)
(4)
聯(lián)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(guān),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(cè)得在高頻下氣動(dòng)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(huì)更大,嚴(yán)重時(shí)將無法對(duì)比例閥進(jìn)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(gè)與比例線圈低頻電感值相當(dāng)?shù)拇蠊β矢哳l電感,并將該電感與比例閥串聯(lián),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(guān)系圖
常規(guī)的液壓伺服系統(tǒng)往往采用單環(huán)控制,單閉環(huán)的控制方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn),但是其瞬態(tài)特性較差,在輸出流量較小時(shí)越容易產(chǎn)生超調(diào)較大和調(diào)整時(shí)間過長等問題,而醫(yī)用呼吸機(jī)對(duì)于快速性和舒適度的要求較高,單閉環(huán)的控制方式難以滿足醫(yī)用呼吸機(jī)的性能要求。在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上本文提出了流量和位移雙環(huán)級(jí)聯(lián)的控制方式,如圖8所示。內(nèi)環(huán)為閥芯位移控制環(huán),采用常規(guī)的PID控制,響應(yīng)速度較快;外環(huán)為比例閥的流量控制環(huán),利用模糊控制較強(qiáng)的魯棒性,在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大變化時(shí)仍能夠抑制超調(diào)并提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性。
圖8 雙環(huán)級(jí)聯(lián)控制方式
根據(jù)ADC流量和溫度兩個(gè)通道轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量計(jì)算出FLOW_ADC和TEMP_ADC(見圖4), 然后根據(jù)分壓比得到流量電壓Vf和溫度電壓Vt,在流量傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)中查表得到Vt對(duì)應(yīng)的氣體溫度T′,然后根據(jù)式(6)計(jì)算得到校正后的氣體溫度T:
T=T′+Tcorr
(6)
然后計(jì)算橋電壓Vb:
Vb=(Vf+Z)/S
(7)
接著計(jì)算溫度補(bǔ)償系數(shù)TCF:
TCF=K0+K1Vb+K2T+K3T2+K4T3
(8)
再計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流量電壓Vf std,Vf std是氣體溫度為21.11℃時(shí)的流量電壓Vf:
Vf std=(Vf+Z)·TCF-Z
(9)
最后計(jì)算實(shí)時(shí)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(shù),K0、K1、K2、K3、K4為溫度補(bǔ)償系數(shù),A、B、C為計(jì)算氣體流量的參數(shù),上述參量均從流量傳感器內(nèi)部的EEPROM中讀出。
模糊控制器是流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,其主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的流量控制信號(hào)的快速平穩(wěn)跟蹤并減小超調(diào)。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制,它直接采用語言性控制規(guī)則,在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而是把被控對(duì)象看作一個(gè)“黑箱”,把現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)描述成控制規(guī)則,讓機(jī)器根據(jù)這些規(guī)則模仿人進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guān)系,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,通過不斷檢測(cè)e和ec并根據(jù)模糊控制規(guī)則不斷對(duì)被控量進(jìn)行在線調(diào)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(gè)變量的模糊子集論域均為E=EC=U={-3,-2,-1,0,1,2,3},對(duì)應(yīng)的模糊語言為{NB(負(fù)大),NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),ZO(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}。
3.2.2 確定隸屬度函數(shù)
將e和ec乘以相應(yīng)的量化因子映射到模糊論域的區(qū)間內(nèi),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(shù),將E和EC模糊化,得到它們隸屬于各個(gè)模糊變量的隸屬度。
圖10 隸屬度函數(shù)
3.2.3 模糊控制規(guī)則
根據(jù)對(duì)氣動(dòng)比例閥結(jié)構(gòu)的分析和實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn),并考慮到電流驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵模式的時(shí)滯特性,建立如下模糊控制規(guī)則:當(dāng)誤差為正大時(shí),如果誤差變化率為正偏小,則應(yīng)該逐漸增大控制量;當(dāng)誤差為正大時(shí),如果誤差變化率為負(fù),則應(yīng)該迅速增大控制量,使比例閥盡快調(diào)整到預(yù)設(shè)的流量;當(dāng)誤差正大或正中且誤差變化率為正偏大時(shí),應(yīng)該保持當(dāng)前控制量大小使誤差進(jìn)一步減??;當(dāng)誤差減小為正小、零或負(fù)小時(shí),應(yīng)該減小控制量提前制動(dòng)防止產(chǎn)生較大超調(diào);當(dāng)誤差為負(fù)偏大時(shí),應(yīng)該盡快減小控制量避免超調(diào)進(jìn)一步增大;當(dāng)誤差為負(fù)偏小時(shí),考慮到系統(tǒng)的慣性應(yīng)該逐漸增大控制量保持輸出流量大小??偨Y(jié)出如表1所示的模糊控制規(guī)則表。
表1 模糊控制規(guī)則
3.2.4 解模糊化規(guī)則
解模糊是將模糊量轉(zhuǎn)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(duì)推理出的模糊集合進(jìn)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(shí)際控制輸出值。
為了提高控制器的穩(wěn)態(tài)性能,得到精確平穩(wěn)的輸出流量,本系統(tǒng)在內(nèi)環(huán)采用PID控制器控制閥芯位移。PID參數(shù)整定的方法有很多種,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究,對(duì)比各種PID參數(shù)整定的方法,ZN臨界比例度法較為適合對(duì)氣動(dòng)比例閥PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定,該方法不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型參數(shù),通過實(shí)驗(yàn)由經(jīng)驗(yàn)公式得到PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定[8-9]。
臨界比例度法是一種試驗(yàn)的方法,首先令系統(tǒng)只保留比例控制的作用,并從較大比例系數(shù)逐步減小,使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩,此時(shí)的比例度記為δr,臨界振蕩周期記為Tr,PID參數(shù)通過式(11)確定。
P=1.7δr,I=0.5Tr,D=0.13Tr
(11)
實(shí)驗(yàn)的氣源是容量恒定并以一定速度充氣的空氣壓縮機(jī),初始?jí)毫?00 kpa,控制頻率為4 kHz,PWM波頻率為50 kHz,此次實(shí)驗(yàn)設(shè)定輸出流量值為60 L/min,分別進(jìn)行PID控制和雙環(huán)控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。可見傳統(tǒng)PID控制方式雖然響應(yīng)速度較快,但其產(chǎn)生了較大的超調(diào),且到達(dá)穩(wěn)態(tài)之后與流量設(shè)定值之間的誤差經(jīng)過較長時(shí)間才消除;而模糊控制和PID控制相結(jié)合的雙環(huán)控制方式有效的抑制了超調(diào)且響應(yīng)速度也較快,穩(wěn)態(tài)值與流量設(shè)定值之間的誤差較小。
圖11 階躍響應(yīng)
在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,設(shè)定輸出不同的流量,得到的階躍響應(yīng)曲線如圖12所示,可以看出在全部的測(cè)試輸出流量下,50 ms時(shí)給出階躍控制信號(hào),100 ms之前輸出流量均達(dá)到穩(wěn)態(tài),調(diào)整時(shí)間小于50 ms。由于氣源放氣太快導(dǎo)致氣源壓力不穩(wěn),穩(wěn)態(tài)誤差在大輸出流量條件下較大,穩(wěn)態(tài)誤差均控制在以內(nèi)。
圖12 不同流量控制值的響應(yīng)曲線
同樣在上述實(shí)驗(yàn)條件下,首先控制得到穩(wěn)定的輸出流量,然后在系統(tǒng)中加入擾動(dòng),得到響應(yīng)曲線如圖13所示。
圖13 擾動(dòng)測(cè)試
可以看出傳統(tǒng)PID控制方式系統(tǒng)響應(yīng)速度較快,但由于參數(shù)不可變,導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間較長并且穩(wěn)態(tài)特性較差。模糊控制能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)選取不同的參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整控制,本文所設(shè)計(jì)的結(jié)合模糊控制和PID控制的雙環(huán)控制系統(tǒng)有效抑制了超調(diào),增強(qiáng)了信號(hào)的跟蹤能力,具有良好的穩(wěn)態(tài)特性,在流量較大,氣源壓力波動(dòng)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(dá)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(shí)流量閥兩側(cè)的壓差較大,閥芯的微小移動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致其兩側(cè)的壓力發(fā)生較大變化,系統(tǒng)的非線性特性尤為明顯,這種條件下系統(tǒng)仍能達(dá)到較好的控制性能,表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性,而傳統(tǒng)的PID控制方式無法在流量較小時(shí)得到穩(wěn)定的流量輸出。
在氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的PID控制方式往往由于系統(tǒng)的非線性特性而無法達(dá)到理想的控制性能要求,模糊控制作為一種先進(jìn)的控制方式很好的解決了系統(tǒng)的非線性問題,并且證明在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到良好的控制效果,魯棒性好,抑制干擾能力較強(qiáng)。在本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)氣動(dòng)比例閥進(jìn)行了測(cè)試,有效輸出流量范圍7~180 L/min,穩(wěn)態(tài)誤差以內(nèi),響應(yīng)時(shí)間,輸出流量瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)特性均較好,基本滿足呼吸機(jī)的應(yīng)用要求。