0 引言
    空氣壓縮機(jī)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(jī)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(diǎn)。

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(jī)、單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送單片機(jī)，單片機(jī)按一定的控制規(guī)則運(yùn)算處理后輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，以此調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使空氣壓縮機(jī)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

                    圖2  壓力檢測及信號(hào)處理電路圖

2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)
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(jìn)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(gè)體組成的演化群體和對(duì)該群體進(jìn)行操作的一組遺傳算子，整個(gè)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(píng)價(jià)-選擇-操作的演化過程反復(fù)進(jìn)行，直至搜索到最優(yōu)解。

    本系統(tǒng)用GA算法對(duì)PID離散化表達(dá)式[4]中的3個(gè)PID參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行離線優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)的性能達(dá)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(shí)間：TI=180s；微分時(shí)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(gè)調(diào)節(jié)過程中其值不變。但實(shí)際上系統(tǒng)要求：偏差大時(shí)，積分作用應(yīng)減弱，否則會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至出現(xiàn)積分飽和；偏差小時(shí)，積分作用應(yīng)加強(qiáng)，否則不能滿足準(zhǔn)確性的要求[4]。引進(jìn)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(shí)，積分累積速度慢，積分作用弱；偏差小時(shí)，積分累積速度快，積分作用強(qiáng)。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(shí)，f[E(k)]減小；反之則增大。每次采樣后，用f [E(k)]乘E(k)，再進(jìn)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(shí)驗(yàn)效果較好。

2.3  系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件在89C51單片機(jī)上設(shè)計(jì)，由單片機(jī)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(hào)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、壓力顯示、變速積分PID控制算法等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件還包括對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)等。軟件流程圖如圖5所示。采樣周期通過AT89C51的定時(shí)器T0和軟件計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)中將儲(chǔ)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(dòng)±0.02Mpa。測得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能為：延遲時(shí)間td =160s，超調(diào)量σ =2.9