摘要：对气动位置系统的计算机“PCM”控制进行了研究，介绍了其原理及应用、计算机仿真及实验装置。
关键词：气缸位置控制；PCM控制；PID调节
1 引言
气动系统因其结构简单、价格低廉、以空气为介质，不污染环境等特点，在诸多领域有着广泛的应用。但由于空气介质的压缩性大、精度小，因此气动技术难以获得高速响应及高精度的位置控制，因此迫切需要寻求一种廉价的反应快又位置准确的气动位置控制系统，适应各领域发展的要求。本文对“PCM”控制技术进行了研究。
2“PCM”控制原理
由图1可见，其控制回路由开关阀U0、U1、U2组成“PCM”控制阀组，依靠控制三个开关阀的开关组合来控制流量。节流阀开口面积a0、a1、a2为a0:a1:a2=1:2:4,当三个阀按不同组合开启时，可统计8种不同流量。计算机根据控制量的设定值和检测的控制实时值相比较，依据设定的控制规律，计算输出一组二进制编码控制“PCM”阀组的开启，得到不同的综合面积，从而改变了控制阀的流量，使气缸能准确地运动至目标位置。
图1 “PCM”控制原理图
“PCM”控制可采用开关时间较长的低性能阀，代替电-气比例/伺服控制中昂贵的比例阀或伺服阀，以及“PCM”控制中的高速开关阀。
气缸1的活塞推动惯性负载2,活塞的位移由位移传感器3检测，本系统的位移传感器为线性光栅传感器，栅距为0.04mm(25对线/mm),精度为±0.01mm,输出信号是相位差为90°的两路方波信号，无需A/D转换，可直接输入计算机4。计算机根据指令位移信号ya和实际信号Y进行判断和运算，发出输出信号，经输出接口板及功率放大器，控制U0～U4的开闭。其中U0、U1、U2构成PCM阀组，阀的节流口有效面积成等比级数，分别调整为0.110165mm2、0.220329mm2、0.440658mm2。对应于000至于111共8个二进制控制码，可以组合成8个不同节流面积、从而形成8级活塞及活塞速度。
气动系统采用排气节流进行控制，在气缸排气端设置了背压PS3,以保证系统工作稳定、可靠、运动平稳。
3 计算机系统
本系统采用IBMPC/AT机作为控制器的核心，由IBMPC/AT微型计算机、I/O接口、SGC-2型数显光栅尺、阀门驱动电路，电磁阀和气缸组成。见图2所示。系统采用8255并行口输出，通过固态继电器或直流功率放大驱动交流和直流电磁阀。由电磁阀开关控制气缸气体流量，即控制气缸活塞移动的流量。由光栅传感器反馈检测移动量，通过8255并行口输入PC微机.在PC机进行偏差计算，按PID算法调节。
图2 PC微机控制系统框图
4 PID调节
本系统控制程序采用PID-PD算法。在偏差绝对值大于△e时，用PD算法，以改善动态品质。当偏差绝对值小于△e时，用PID算法，提高稳定精度。
4.1 PID算法
PID校正的控制量为：
离散算法可以表示为：
式中，e:位置给定值与测量值的偏差量；en:第n次采样的偏差量；en-1:第n-1次采样的偏差量；T:采样周期；TI:积分时间；TD:微分时间；Kp:比例系数。根据推理写出（n-1）PID输出表达式为：
可得：
程序中的实际算法为：
Pn=Aen Qn-1
Qn=Pn-Ben Cen-1
式中：
初值可以取Qn-1=0,en-1=0、算法程序每一步要计算enPn和Qn,其中Qn用于下一步计算Pn。
PD校正的控制量为：
离散算法可以表示为：
程序中的实际算法为：
Pn=Aen-Rn-1
Rn=Ben
式中，
初值可以取Rn-1=0,算法程序每步计算en、Pn和Rn,其中Rn用于下一步计算Pn。
4.2 PID算法程序
采用扩充临界比例算法，整定T、Kp、TI和TD值。为了提高稳定精度，控制系统设置了一个位置控制的门限值△e。计算机对数据处理后得到的位置误差e进行判断，若|e|>△e,实行PD控制，改善控制的动态特性。当|e|<△e时，实行PID控制，保证控制精度。PID控制算法程序框图如图3所示。
图3 PID控制算法程序框图
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