靜電放電測試儀低氣壓控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

張超++阮方鳴+蘇明++王珩++肖文君++伏釗

摘 要： 為了在靜電放電測試儀中定量研究不同氣壓對非接觸靜電放電的影響，以STM32為核心設(shè)計了低氣壓自動控制系統(tǒng)，包含LCD、觸摸屏、信號采集、驅(qū)動電路等硬件模塊。分析控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，針對系統(tǒng)非線性、時變性的特點設(shè)計以自適應(yīng)模糊PID為核心的控制算法。由于控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件質(zhì)量流量控制器輸出受限易產(chǎn)生積分飽和，采用遇限削弱積分法對控制算法進(jìn)行改進(jìn)。通過Malab對改進(jìn)后的自適應(yīng)模糊PID和PID的控制過程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明自適應(yīng)模糊PID控制具有更好的動態(tài)性能。

關(guān)鍵詞： 靜電放電測試儀； 低氣壓控制系統(tǒng)； STM32； 自適應(yīng)模糊PID

中圖分類號： TN386.7?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0169?03

Abstract： For the quantitative study on the influence of different pressures on noncontact electrostatic discharge （ESD） in ESD tester， a low?pressure automatic control system taking STM32 as the core was designed， which contains the LCD， touch screen， signal acquisition module， drive circut and other hardware modules. The mathematical model of the control system is analyzed. Aiming at the nonlinear and time?variation characteristics of the system， the control algorithm taking adaptive fuzzy PID as the core was designed. Snice it is easy to generate the integral saturation in mass flow controller of the control system executive component because of its limited output， the weakening integral method for limitation is used to improve the control algorithm. The improved adaptive fuzzy PID and PID control process are simulated with Matlab. The simulation results show that adaptive fuzzy PID control has better dynamic performance.

Keywords： electrostatic discharge tester； low?pressure control system； STM32； adaptive fuzzy PID

靜電放電（ESD）是一種主要的電磁干擾，也是電子設(shè)備的嚴(yán)重威脅。工業(yè)、國防、航空航天、軍事武器以及民用電子電器產(chǎn)品，都涉及電磁兼容靜電放電的測試與危害防護(hù)問題[1]。實驗表明氣壓對非接觸靜放電電流波形的峰值及斜率有較大的影響[2]，因此研究在不同氣壓環(huán)境下的靜放電電流對研究靜電放電的內(nèi)在機理具有十分重要的意義。傳統(tǒng)低氣壓控制系統(tǒng)多采用常規(guī)PID控制，但由于氣體的可壓縮性、氣體管路存在摩擦、外部環(huán)境不斷變化等原因，常規(guī)PID的運行效果并不理想。模糊PID控制融合了模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點，能自動辨識系統(tǒng)的運行狀態(tài)并通過模糊推理在線調(diào)整PID參數(shù)，使參數(shù)隨系統(tǒng)運行狀況的變化而實時調(diào)整，因此更適用于非線性、時變的氣控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該低氣壓控制系統(tǒng)硬件上由靜電放電測試儀真空實驗箱、真空泵、質(zhì)量流量控制器MFC（Mass Flow Controller）、氣壓傳感器、STM32、電動調(diào)節(jié)閥、DAC驅(qū)動電路、LCD及觸摸屏鍵盤等模塊構(gòu)成，如圖1所示[3]。開始工作后STM32通過DAC的驅(qū)動電路控制調(diào)節(jié)閥打開，啟動真空泵對真空實驗箱抽氣，實時采樣真空實驗箱內(nèi)氣壓傳感器的信號，根據(jù)設(shè)計的控制算法通過STM32的DAC驅(qū)動電路輸出電壓精確控制MFC的進(jìn)氣流量，實現(xiàn)抽氣與進(jìn)氣的動態(tài)平衡，以此達(dá)到控制氣壓的目的[4]。

系統(tǒng)核心采用STM32F103ZET6芯片，其豐富的硬件資源和外部接口使它特別適用于工業(yè)控制。實時氣壓值在LCD上顯示，LCD的控制器為ILI9341芯片，其采用8080接口與STM32進(jìn)行通信，STM32使用FSMC（Flexible Static Memory Controller）的PSRAM模式模擬8080通信時序控制ILI9341。采用與LCD完全配套的觸摸屏，在LCD上設(shè)計數(shù)字鍵盤，需要設(shè)定的氣壓值通過觸摸屏輸入。觸摸屏采用四線電阻屏，控制器為TSC2046，STM32通過SPI接口直接與TSC2046通信。以此構(gòu)成了一個操作方便的人機交互系統(tǒng)[5?6]。氣壓傳感器采用MS5611?01BA03，它的量程為1～120 kPa，采樣時間0.5 ms，誤差為0.25 kPa。同時它也包含一個溫度傳感器，所得的氣壓值均通過溫度補償計算，結(jié)果更加準(zhǔn)確。STM32通過I2C總線直接與傳感器進(jìn)行通信。

MFC用于精密控制流過的氣體流量，流過的氣體流量與其輸入電壓成正比，輸入電壓范圍為0～5 V。STM32的DAC參考電壓=3.3 V，此時DAC的電壓輸出范圍為0.2～3.1 V，需通過外加驅(qū)動電路將輸出電壓范圍擴(kuò)大到0～5 V。為此，先用運放LM358設(shè)計一個電壓放大電路。為消除DAC輸出最小電壓0.2 V的限制，在放大電路輸入端再接一個由LM358構(gòu)成的補償電路，如圖2所示，經(jīng)計算該電路輸出電壓，滿足控制要求。電動調(diào)節(jié)閥的輸入控制電壓范圍為0～10 V，采用的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)與圖2一致，只需修改相應(yīng)電阻的阻值就能達(dá)到控制要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

根據(jù)MFC的特性，可得其數(shù)學(xué)模型為：

式中：為流過MFC的氣體流量（單位為L/s）；U（t）為輸入電壓（單位為V）；為MFC的反應(yīng)滯后時間（單位為s）；K為比例系數(shù)[7]。

機械真空泵在0.1～101.325 kPa范圍內(nèi)的抽速（L/s）近似為常數(shù)，根據(jù)真空系統(tǒng)的抽氣方程，在忽略真空實驗箱漏放氣的條件下得：

式中：P為實驗箱內(nèi)的氣壓（單位：Pa）；為真空泵入口處的壓強（單位：Pa）；V為實驗箱體積（單位：L）；為與真空泵管道長度直徑有關(guān)的系數(shù)；1 atm為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[8]。將式（1）、式（2）代入式（3）求出數(shù)學(xué)模型的微分方程，該系統(tǒng)為二階非線性系統(tǒng)。

2.2 自適應(yīng)模糊PID

系統(tǒng)運行時根據(jù)采樣氣壓值獲得誤差e和誤差變化率ec，e與ec的基本論域均為[-6，6]，其中e的單位為kPa，ec的單位為kPa/s。隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)。輸入/輸出各變量模糊集論域均設(shè)為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。相應(yīng)的基本模糊子集均設(shè)為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。e，ec乘對應(yīng)的量化因子后將連續(xù)變量分級離散化[9?10]。在e，ec的精確量模糊化后，采用if…then…控制規(guī)則，根據(jù)模糊控制規(guī)則表得出輸出量的模糊子集。獲得輸出模糊量后采用重心法解模糊。比例系數(shù)變化量、整定后的比例系數(shù)分別由式（4）、式（5）求出：

式中：為PID比例系數(shù)的初始值；為相應(yīng)的比例因子；為解模糊后的輸出值。同理可求整定后的系數(shù)[11?12]，。自適應(yīng)模糊PID算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 抗飽和積分

當(dāng)控制算法輸出的控制量u（t）≤ 0時，MFC完全閉合?？刂葡到y(tǒng)工作后，從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下降到設(shè)定的低氣壓過程中，誤差e長時間為負(fù)，控制器中的誤差積分長時間積累引起積分飽和，造成很大的超調(diào)。為此采用遇限削弱積分法抗積分飽和，當(dāng)u（t）<0時，設(shè)置積分項的誤差e為零，不積累負(fù)誤差；當(dāng)u（t）≥0時，積分項誤差取實際的誤差值。程序流程如圖4所示。

3 控制系統(tǒng)Simulink仿真

在Matlab的Simulink環(huán)境中將上文已建立好的系統(tǒng)近似數(shù)學(xué)模型封裝為子系統(tǒng)，分別建立PID和自適應(yīng)模糊PID控制模型，如圖5所示。

兩條曲線在初始階段重合是由于MFC閉合及其響應(yīng)滯后。仿真結(jié)果顯示經(jīng)過抗積分飽和改進(jìn)后的控制算法的超調(diào)明顯小于沒有經(jīng)過抗積分飽和改進(jìn)的控制算法；在兩幅圖中，模糊PID的超調(diào)均小于PID，調(diào)節(jié)時間均短于PID；在抗積分飽和改進(jìn)后的控制中，模糊PID的超調(diào)為13%，調(diào)節(jié)時間為223 s，PID的超調(diào)為15%，調(diào)節(jié)時間為314 s 。

4 結(jié) 語

在靜電放電測試儀的基礎(chǔ)上利用STM32豐富的硬件資源對低氣壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計，該系統(tǒng)能在20～101.325 kPa范圍內(nèi)對靜電放電測試儀內(nèi)的氣壓進(jìn)行控制。設(shè)計了抗積分飽和的自適應(yīng)模糊PID控制器，使控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)小的優(yōu)點。

注：本文通訊作者為阮方鳴。

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