摘  要： 實現(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu)相對比較簡單。在系統(tǒng)電路設(shè)計中，以單片機控制系統(tǒng)、數(shù)字PID算法和PWM技術(shù)為研究對象，設(shè)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(guān)鍵詞： PID算法；脈寬調(diào)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(shè)計需要專家設(shè)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(yīng)用受到限制[1]。因此新型比例閥的設(shè)計一直成為研究的熱點。本文設(shè)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(fù)雜的硬件電路，并且結(jié)合了PID算法，使系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度大大提高，其維護簡單，適合廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器是根據(jù)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(xiàn)，原因是沒有可靠的、精確的和電子的可重構(gòu)模擬陣列。由于PID的參數(shù)必須根據(jù)設(shè)備來進行調(diào)整，所以控制器必須可以重構(gòu)。系統(tǒng)的可重構(gòu)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(shè)備。
　數(shù)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(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。由于數(shù)字PID控制器是由計算機編程實現(xiàn)，其外圍器件少，所以它的重復(fù)精度高、可以移植性強、系統(tǒng)體積小、功耗低、集成度高、對應(yīng)用環(huán)境的要求低，因此數(shù)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(shù)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(diào)節(jié)是由外圍的硬件電路來完成，當其參數(shù)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(shè)計的系統(tǒng)是以數(shù)字的PID控制器代替了外圍的硬件電路，其參數(shù)可以根據(jù)需要隨意調(diào)整，重復(fù)精度高，減少了外圍器件，節(jié)約了系統(tǒng)的設(shè)計成本。
根據(jù)數(shù)字PID控制器的特性，本文設(shè)計了電液比例閥電路，其系統(tǒng)設(shè)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(jīng)過內(nèi)部處理后發(fā)出相應(yīng)的PWM控制信號，然后經(jīng)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(jīng)過電流采樣，再驅(qū)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(zhuǎn)化為電壓信號，然后經(jīng)過DC放大，再反饋給MCU，MCU內(nèi)部根據(jù)反饋信息對輸出的PWM信號進行PID調(diào)整，從而使整個系統(tǒng)構(gòu)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(chǎn)生的PWM信號電流非常小，不足以驅(qū)動比例閥。本系統(tǒng)電路設(shè)計中選用了摩托羅拉生產(chǎn)的MC33883芯片作為系統(tǒng)電路的驅(qū)動器，其適應(yīng)電壓最大為55 V。PWM信號進入MC33883之后，經(jīng)過放大，MC33883驅(qū)動一個N溝道的場效應(yīng)管Q1，然后利用場效應(yīng)管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，在圖4中Q1的load端可以直接驅(qū)動比例閥。PWM按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要調(diào)整占空比控制寄存器PWMDTYx的值來改變一個周期內(nèi)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(qū)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(fù)精度高。由于脈沖周期遠小于閥芯的響應(yīng)周期，所以閥芯的運動只響應(yīng)PWM信號平均值，即電流大小與矩形波的平均值有關(guān)。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(yīng)曲線；曲線Y1是數(shù)字PID調(diào)節(jié)后的響應(yīng)曲線；曲線Y2是模擬PID調(diào)節(jié)后的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)數(shù)字PID響應(yīng)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(yīng)曲線達到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間要約為6 s的時間，其響應(yīng)時間遠遠慢于數(shù)字PID的調(diào)節(jié)。因此本系統(tǒng)中的數(shù)字PID調(diào)節(jié)達到了預(yù)期效果。

　本文運用現(xiàn)代設(shè)計方法和計算機技術(shù)，設(shè)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(jīng)實踐證明，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，已應(yīng)用在泵車起重機等項目中，其閥的工作狀態(tài)穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，因此本系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻
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