電液比例閥控制系統的研究設計

陳 斌，楊安平

（長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410004）

傳統的電液比例閥控制系統大都采用硬件電路控制，其系統設計需要專家設計、專家維護，并且成本很高，控制精度不是很理想，所以傳統的電液比例閥系統的應用受到限制[1]。因此新型比例閥的設計一直成為研究的熱點。本文設計了一種用單片機控制的電液比例閥，其以軟件代替部分復雜的硬件電路，并且結合了PID算法，使系統的控制精度和響應速度大大提高，其維護簡單，適合廣泛應用，值得推廣。

1 PID控制器概述

PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。PID控制器是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制，模擬PID控制系統原理框圖如圖1所示，系統由模擬PID控制器和被控對象組成。

圖1 模擬PID控制系統原理框圖

PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值 rin（t）與實際輸出值 yout（t）構成偏差：

PID控制規律為：

寫成傳遞函數的形式為：

式中，Kp為比例常數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數。

計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，連續PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化的方法。在計算機PID控制中，使用的是數字PID控制器。

按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點KT代表連續時間t，以矩形法數值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，可得離散PID表達式：

數字式PID控制系統框圖如圖2所示。

圖2 數字式PID控制系統框圖

模擬的PID控制器不容易實現，原因是沒有可靠的、精確的和電子的可重構模擬陣列。由于PID的參數必須根據設備來進行調整，所以控制器必須可以重構。系統的可重構精度和范圍必須有足夠的靈活性，這樣才能控制各種不同的設備。

數字PID算法中，用比例消除大偏差，用積分消除小偏差，可完全消除積分飽和現象；各參數容易整定，易實現系統穩定；超調量大大減小，改善了調節品質。由于數字PID控制器是由計算機編程實現，其外圍器件少，所以它的重復精度高、可以移植性強、系統體積小、功耗低、集成度高、對應用環境的要求低，因此數字PID控制器相對模擬的PID控制器適用性要強，因而本系統采用數字的PID控制器。

2 比例閥控制系統原理

由于傳統的電液比例閥控制系統中，其PID的調節是由外圍的硬件電路來完成，當其參數一旦給定后，其整個控制過程都是固定不變的，所以傳統的電液比例閥控制系統缺乏靈活性，并且由于模擬器件本身的誤差，其控制效果很難達到最佳狀態，而且硬件成本高。本文中設計的系統是以數字的PID控制器代替了外圍的硬件電路，其參數可以根據需要隨意調整，重復精度高，減少了外圍器件，節約了系統的設計成本。

根據數字PID控制器的特性，本文設計了電液比例閥電路，其系統設計框圖如圖3所示。MCU選用飛思卡爾微控制器，MCU啟動后將接收控制信號，信號經過內部處理后發出相應的PWM控制信號，然后經由比例放大器[2]，對電控制信號進行處理、運算和功率放大，經過電流采樣，再驅動電液比例閥。反饋電路是在電流采樣之后，把采樣電流信號轉化為電壓信號，然后經過DC放大，再反饋給MCU，MCU內部根據反饋信息對輸出的PWM信號進行PID調整，從而使整個系統構成一個閉環的控制系統。

圖3 系統框圖

本系統中的比例放大器包括數字緩沖、預功放驅動、功率放大三個部分[5]，其內部不包括反饋單元，所以它是開環控制的、由PWM式脈沖電壓控制，因此它工作在開關狀態，它是數字式的比例放大器。其中數字緩沖模塊是為預功放驅動模塊做準備，由于MCU的處理速度比后面的電路處理速度快，所以控制信號從MCU出來后先進行緩沖，預功放模塊接收到緩沖后的數據為后面的功率放大模塊進行預處理，最后再進行功率放大。這樣控制信號經過比例放大器后就能有足夠的功率驅動比例閥，其整個過程其實就是實現電壓信號到電流信號的轉換，并提供與輸入電壓成比例且功率足夠的控制電流，實現從電壓信號到電流信號的轉換，提供與電壓信號成比例的閥控壓力。比例閥芯的運動主要依靠比例電磁鐵的輸出力控制。電磁鐵的輸出力與輸入電磁鐵的電流成比例，所以得到與控制信號成比例的電流是比例放大器的主要任務。

3 數字PID與PWM控制單片機實現

本設計中單片機選用的是飛思卡爾微控制器MC9S12DG128B[4]，MC9S12DG128B是一款增強型 16 bit微控制器，集成度高，片內總線時鐘頻率最高可達到 25 MHz。MC9S12DG128B單片機中的PWM模塊有8個輸出通道，每一個PWM的輸出通道都有一個使能位。本系統設計中，PWM各通道的時鐘頻率為2 MHz[4]；PWM輸出信號的脈寬可通過PWMDTYx脈寬控制器來設定，PWMPERx表示某一通道的周期寄存器，相應通道的占空比a的計算公式如下：

PWM控制電路部分電路原理圖如圖4所示。

單片機產生的PWM信號電流非常小，不足以驅動比例閥。本系統電路設計中選用了摩托羅拉生產的MC33883芯片作為系統電路的驅動器，其適應電壓最大為55 V。PWM信號進入MC33883之后，經過放大，MC33883驅動一個N溝道的場效應管Q1，然后利用場效應管的開關特性來調制固定電壓的直流電源，在圖4中Q1的load端可以直接驅動比例閥。PWM按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據需要調整占空比控制寄存器PWMDTYx的值來改變一個周期內接通和斷開時間的長短，從而改變系統的的輸出電流。用這種快速通斷的電流來驅動電液比例閥，使閥芯處于微震狀態。這樣系統無需另加振顫信號，可使系統的抗干擾能力強、滯后時間短、重復精度高。由于脈沖周期遠小于閥芯的響應周期，所以閥芯的運動只響應PWM信號平均值，即電流大小與矩形波的平均值有關。因為閥的開度與送入電磁鐵的電流成比例，所以控制閥的開度就是控制PWM波的平均值。PWM波的電壓平均值表示為（為PWM波的占空比）：

圖4 PWM控制電路原理示意圖

結合以上所選擇的單片機，設計了一套簡單實用的單片機程序。其PID的調節控制是在定時器中斷中進行的，定時器中斷程序流程圖如圖5所示。

本程序中主要是調整PWM的占空比DTY。PID的計算是在定時器里面完成，間隔50 ms調用一次PID函數，調節PWM的占空比。定時器中斷計數器是自動重載的，所以每次響應中斷之后不必再置定時器初值。主程序里面主要的工作是進行系統參數的初始化、PID參數設置，然后根據定時器里面計算出來的PWM值來控制電液比例閥的輸出。

圖5 定時器中斷函數流程圖

4 仿真效果

本系統的仿真是在MATLAB的SIMULINK環境下進行的[7]，系統的時間電流仿真曲線如圖6所示。曲線Y3是理想狀態下系統的響應曲線；曲線Y1是數字PID調節后的響應曲線；曲線Y2是模擬PID調節后的響應曲線。從圖中可以看出，系統數字PID響應曲線剛開始時沖擊比較大，大概在400 ms之后系統就進入穩定狀態，而模擬的PID響應曲線達到穩定狀態的調節時間要約為6 s的時間，其響應時間遠遠慢于數字PID的調節。因此本系統中的數字PID調節達到了預期效果。

本文運用現代設計方法和計算機技術，設計出一種新型電液比例閥控制系統，并對比例閥系統的穩態與動態性能做了初步研究與測試。經實踐證明，系統運行狀態良好，已應用在泵車起重機等項目中，其閥的工作狀態穩定，響應速度快，因此本系統有著廣泛的應用前景。

[1]張利平.液壓閥原理、使用與維護[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]許益民.電液比例控制系統分析與設計[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]包松，鮑可進，余景華.基于單片機PID算法的直流電機測控系統[J].微機發展，2003（8）：72-74.

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[7]王中鮮.MATLAB仿真與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.