， ， ，

(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)

0 引言

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。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)

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]。

2.2 傳感器信號(hào)采集電路

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

2.3 比例閥電感補(bǔ)償

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

3 雙環(huán)控制器

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

3.1 實(shí)時(shí)流量值計(jì)算

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。

3.2 模糊控制器

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。

3.3 PID控制器

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)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

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。

5 結(jié)論

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。