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0 引言
空氣壓縮機的壓力控制系統一般采用二位式控制方式，因而壓力穩定性較差。本文介紹以單片機AT89C51為核心器件構成的壓力控制系統，它具有調試簡單、測控精度高、成本低、可靠性好等優點。
1 系統組成
1.1壓力控制系統的結構與工作原理[1-2]
壓力閉環控制系統的硬件由壓力傳感變送器、交流變頻調速器、空氣壓縮機、單片機及相關控制電路組成，原理框圖如圖1所示。壓力傳感變送器將管網壓力信號轉變成標準電信號送給A/D轉換單元，轉換成數字信號后送單片機，單片機按一定的控制規則運算處理后輸出數字信號，經D/A轉換單元轉換成模擬信號控制變頻器的輸出頻率，以此調節空氣壓縮機電機的轉速，使空氣壓縮機的排氣量隨著車間用氣量的變化而改變，從而保證管網的壓力恒定。
圖1 壓力控制系統結構圖
1.2參數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，信號處理電路設計簡單，但不同壓力傳感器一致性差，調試比較麻煩。
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變為直流電壓信號，經高靈敏度運放IC2同相放大后輸出0～5V直流電壓信號送計算機系統A/D轉換卡。限幅穩壓管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整。
空氣壓縮機運行環境惡劣、，大功率的電機、交流變頻調速器、電源電壓波動等引起的電磁干擾比較嚴重。因此，檢測儀表和布線應盡量避開強電磁場，傳感器應采用高精度電源供電。
圖2 壓力檢測及信號處理電路圖
2 系統控制軟件設計
2.1 PID參數的優化
系統采用遺傳算法離線優化PID參數[3]。
遺傳算法(GA)是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優化概率搜索算法，它將待求解問題轉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，經歷生成-評價-選擇-操作的演化過程反復進行，直至搜索到最優解。
本系統用GA算法對PID離散化表達式[4]中的3個PID參數KP、KI、KD進行離線優化設計，從而使系統的性能達到最優。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離線優化結果為：積分時間：TI=180s；微分時間：TD=180s；比例系數：KP=5；積分系數：KI=KPT/TI=1；微分系數：KD= KPTD/T=8。
2.2 變速積分PID控制算法
在傳統的PID算法中，積分增益KI為常數，在整個調節過程中其值不變。但實際上系統要求：偏差大時，積分作用應減弱，否則會產生超調，甚至出現積分飽和；偏差小時，積分作用應加強，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，設置系數f[E(k)], 它是偏差E(k)的函數，當[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)的關系可表示為：
將P(k)代入PID算式，得：
(2)
根據式（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
在此系統中，采用簡單的變速積分PID控制，取A=10，B=2。經實驗效果較好。
2.3 系統主程序設計
系統的軟件在89C51單片機上設計，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用。壓力信號的采集、數字濾波、標度轉換、壓力顯示、變速積分PID控制算法等功能的實現由各子程序完成。軟件還包括對系統的保護等。軟件流程圖如圖5所示。采樣周期通過AT89C51的定時器T0和軟件計數實現。
3 實驗結果
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。測得系統的動態性能為：延遲時間td =160s，超調量σ =2.9
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號