摘 要： 實現了基于PID算法的電液比例閥控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)比例閥技術的問題，其控制功能強大、維護成本低、系統(tǒng)控制精度高且結構相對比較簡單。在系統(tǒng)電路設計中，以單片機控制系統(tǒng)、數字PID算法和PWM技術為研究對象，設計了系統(tǒng)電路和功率放大電路，并編寫了系統(tǒng)控制程序。
關鍵詞： PID算法；脈寬調制；電液比例閥；功率放大
傳統(tǒng)的電液比例閥控制系統(tǒng)大都采用硬件電路控制，其系統(tǒng)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(tǒng)的電液比例閥系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。PID控制器是根據系統(tǒng)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(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制，模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。
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(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定；超調量大大減小，改善了調節(jié)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(tǒng)體積小、功耗低、集成度高、對應用環(huán)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(tǒng)采用數字的PID控制器。
2 比例閥控制系統(tǒng)原理
由于傳統(tǒng)的電液比例閥控制系統(tǒng)中，其PID的調節(jié)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(tǒng)的電液比例閥控制系統(tǒng)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(tài)，而且硬件成本高。本文中設計的系統(tǒng)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(jié)約了系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)構成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
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(tǒng)電路設計中選用了摩托羅拉生產的MC33883芯片作為系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)。這樣系統(tǒng)無需另加振顫信號，可使系統(tǒng)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）：
4 仿真效果
本系統(tǒng)的仿真是在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下進行的[7]，系統(tǒng)的時間電流仿真曲線如圖6所示。曲線Y3是理想狀態(tài)下系統(tǒng)的響應曲線；曲線Y1是數字PID調節(jié)后的響應曲線；曲線Y2是模擬PID調節(jié)后的響應曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)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(tǒng)就進入穩(wěn)定狀態(tài)，而模擬的PID響應曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)的調節(jié)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(jié)。因此本系統(tǒng)中的數字PID調節(jié)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(tǒng)，并對比例閥系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能做了初步研究與測試。經實踐證明，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，已應用在泵車起重機等項目中，其閥的工作狀態(tài)穩(wěn)定，響應速度快，因此本系統(tǒng)有著廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 張利平.液壓閥原理、使用與維護[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.
[2] 許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設計[M].北京：機械工業(yè)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(tǒng)[J].微機發(fā)展，2003（8）：72-74.
[4] 王威.HCS12微控制器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[5] CAPTUTO D． Electrohydraulic proportional valves in crease system efficiency[J]． Hydraulic ＆ Pneumatics，1996（1）：34－38．
[6] TROSTMANN E. water hydraulics control technology. New York： Marcel Dekker， Inc.1996.
[7] 王中鮮.MATLAB仿真與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.