在气体分析仪使用过程中，为了力求分析结果的准确性，一般要求通过的气体流量尽可能的稳定。为了保证流量控制的稳定，我们采用PID调节来控制气路阀门的开度。
1、硬件设计
我们采用的流量计为气体质量流量计，采用热式原理，输出0-5VDC的信号。该流量计如下：
鉴于该流量计的特性，我们设计如下的采集电路来完成流量数据的采集，具体原理图如下：
对于流量控制阀我们选择了电动比例调节阀，该阀给的电压不一样时，其开度是不一样的，所以可以通过PWM来控制其在0-100%的范围内开关，从而获得我们需要的流量。
关于PWM部分的电路我们采用TIM定时器产生，通过响应的隔离电路产生幅值为24VDC的PWM波。具体的原理图如下：
2、软件设计
关于流量的采集与前述的模拟量的采集一致，不再多说。我们主要实验PID控制以及PWM输出等部分。
（1）PID控制
PID是控制中最为常见的控制器，其由比例、积分、微分等部分组成，器常见的结构框图如下所示：
这次我们要实现PID控制器，采用增量型算法，具有变积分，梯形积分和抗积分饱和功能，具体的软件流程图如下：
根据上述流程图，我们很容易实现PID控制器：
1 /* PID初始化操作,需在对vPID对象的值进行修改前完成 */
2 /* CLASSICPID vPID，通用PID对象变量，实现数据交换与保存 */
3 /* float vMax,float vMin，过程变量的最大最小值（量程范围） */
4 void PIDParaInitialization(CLASSICPID vPID,float vMax,float vMin)
5 {
6 vPID->maximum=vMax; /*输出值上限*/
7 vPID->minimum=vMin; /*输出值下限*/
8
9 vPID->setpoint=vMin; /*设定值*/
10 vPID->kp=0.6; /*比例系数*/
11 vPID->ki=0.03; /*积分系数*/
12 vPID->kd=0.01; /*微分系数*/
13
14 vPID->lasterror=0.0; /*前一拍偏差*/
15 vPID->preerror=0.0; /*前两拍偏差*/
16 vPID->result=vMin; /*PID控制器结果*/
17 vPID->output=0.0; /*输出值*/
18
19 vPID->errorabsmax=(vMax-vMin)*0.8;
20 vPID->errorabsmin=(vMax-vMin)*0.2;
21
22 vPID->deadband=(vMax-vMin)*0.005; /*死区*/
23 vPID->alpha=0.2; /*不完全微分系数*/
24 vPID->deltadiff=0.0;
25
26 vPID->integralValue=0.0;
27 }
28
29 /* 通用PID控制器,采用增量型算法，具有变积分，梯形积分和抗积分饱和功能 */
30 /* 微分项采用不完全微分，一阶滤波，alpha值越大滤波作用越强 */
31 /* CLASSICPID vPID，PID对象变量，实现数据交换与保存 */
32 /* float pv，过程测量值，对象响应的测量数据，用于控制反馈 */
33 void PIDRegulator(CLASSICPID vPID,float pv)
34 {
35 float thisError;
36 float result;
37 float factor;
38 float increment;
39 float pError,dError,iError;
40
41 thisError=vPID->setpoint-processValue; //得到偏差值
42 result=vPID->result;
43 if (ABS(thisError)>vPID->deadband)
44 {
45 pError=thisError-vPID->lasterror;
46 iError=(thisError+vPID->lasterror)/2.0;
47 dError=thisError-2*(vPID->lasterror)+vPID->preerror;
48
49 //变积分系数获取
50 factor=VariableIntegralCoefficient(thisError,vPID->errorabsmax,vPID->errorabsmin);
51
52 //计算微分项增量带不完全微分
53 vPID->deltadiff=kd*(1-vPID->alpha)*dError+vPID->alpha*vPID->deltadiff;
54
55 increment=vPID->kp*pError+vPID->ki*factor*iError+vPID->deltadiff; //增量计算
56 }
57 else
58 {
59 if((abs(vPID->setpoint-vPID->minimum)<vPID->deadband)&&(abs(pv-vPID->minimum)<vPID->deadband))
60 {
61 result=vPID->minimum;
62 }
63 increment=0.0;
64 }
65
66 result=result+increment;
67
68 /*对输出限值，避免超调和积分饱和问题*/
69 if(result>=vPID->maximum)
70 {
71 result=vPID->maximum;
72 }
73 if(result<=vPID->minimum)
74 {
75 result=vPID->minimum;
76 }
77
78 vPID->preerror=vPID->lasterror; //存放偏差用于下次运算
79 vPID->lasterror=thisError;
80 vPID->result=result;
81 vPID->output=((result-vPID->minimum)/(vPID->maximum-vPID->minimum))*100.0;
82 }
83
84 /*变积分系数处理函数，实现一个输出0和1之间的分段线性函数 */
85 /* 当偏差的绝对值小于最小值时，输出为1；当偏差的绝对值大于最大值时，输出为0 */
86 /* 当偏差的绝对值介于最大值和最小值之间时，输出在0和1之间现行变化 */
87 /* float error，当前输入的偏差值 */
88 /* float absmax，偏差绝对值的最大值 */
89 /* float absmin，偏差绝对值的最小值 */
90 static float VariableIntegralCoefficient(float error,float absmax,float absmin)
91 {
92 float factor=0.0;
93
94 if(abs(error)<=absmin)
95 {
96 factor=1.0;
97 }
98 else if(abs(error)>absmax)
99 {
100 factor=0.0;
101 }
102 else
103 {
104 factor=(absmax-abs(error))/(absmax-absmin);
105 }
106
107 return factor;
108 }（2）PWM输出
PWM输出较为简单，关于TIM配置等网上有很多，在此不再多说。根据PID控制器的输出，我们计算PWM的占空比，通过占空比来调节阀门的开度，从而控制流量大小。
1 *阀门控制调节*/
2 void ControlProcess(void)
3 {
4 uint16_t TimerPeriod = 0;
5 uint16_t PWMPulse = 0;
6 float dutyfactor=0.0;//定义占空比
7
8 vPID.setpoint=aPara.phyPara.flowSetPoint;
9 PIDRegulation(&vPID, aPara.phyPara.flowMeasuredValue);
10 dutyfactor=vPID.result/ADC1HighRange;
11
12 /*计算频率和占空比*/
13 TimerPeriod = PWMTimePeriod;//计算用于设置ARR寄存器的值使产生信号的频率为17.57 Khz
14 PWMPulse = (uint16_t) ((TimerPeriod - 1)*dutyfactor);//计算CCR1寄存器的值在通道1和1N产生50%占空比，用于TIM1
15
16 HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//停止PWM
17 PWM_TIM_Configuration(TimerPeriod,PWMPulse);
18 HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);//启动PWM
19 }3、测试结果
软件编写完成，硬件连接好后，运行并在线监控。PID控制器的调节速度还是比较快的，流量也比较稳定。如果进行细致的参数整定应该可以进一步提高控制效果。
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