電液比例閥控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

陳 斌，楊安平

（長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

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(jì)需要專家設(shè)計(jì)、專家維護(hù)，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(jì)一直成為研究的熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種用單片機(jī)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(hù)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(jì)算出控制量進(jìn)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。

圖1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 rin（t）與實(shí)際輸出值 yout（t）構(gòu)成偏差：

PID控制規(guī)律為：

寫成傳遞函數(shù)的形式為：

式中，Kp為比例常數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化的方法。在計(jì)算機(jī)PID控制中，使用的是數(shù)字PID控制器。

按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)KT代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)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(dá)式：

數(shù)字式PID控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字式PID控制系統(tǒng)框圖

模擬的PID控制器不容易實(shí)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(jìn)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(shí)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(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，其外圍器件少，所以它的重復(fù)精度高、可以移植性強(qiáng)、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(qiáng)，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(dāng)其參數(shù)一旦給定后，其整個(gè)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(dá)到最佳狀態(tài)，而且硬件成本高。本文中設(shè)計(jì)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(jì)成本。

根據(jù)數(shù)字PID控制器的特性，本文設(shè)計(jì)了電液比例閥電路，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行處理、運(yùn)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(jìn)行PID調(diào)整，從而使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)中的比例放大器包括數(shù)字緩沖、預(yù)功放驅(qū)動、功率放大三個(gè)部分[5]，其內(nèi)部不包括反饋單元，所以它是開環(huán)控制的、由PWM式脈沖電壓控制，因此它工作在開關(guān)狀態(tài)，它是數(shù)字式的比例放大器。其中數(shù)字緩沖模塊是為預(yù)功放驅(qū)動模塊做準(zhǔn)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(jìn)行緩沖，預(yù)功放模塊接收到緩沖后的數(shù)據(jù)為后面的功率放大模塊進(jìn)行預(yù)處理，最后再進(jìn)行功率放大。這樣控制信號經(jīng)過比例放大器后就能有足夠的功率驅(qū)動比例閥，其整個(gè)過程其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換，并提供與輸入電壓成比例且功率足夠的控制電流，實(shí)現(xiàn)從電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換，提供與電壓信號成比例的閥控壓力。比例閥芯的運(yùn)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(wù)。

3 數(shù)字PID與PWM控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用的是飛思卡爾微控制器MC9S12DG128B[4]，MC9S12DG128B是一款增強(qiáng)型 16 bit微控制器，集成度高，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到 25 MHz。MC9S12DG128B單片機(jī)中的PWM模塊有8個(gè)輸出通道，每一個(gè)PWM的輸出通道都有一個(gè)使能位。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PWM各通道的時(shí)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(shè)定，PWMPERx表示某一通道的周期寄存器，相應(yīng)通道的占空比a的計(jì)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(jī)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(jì)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(jìn)入MC33883之后，經(jīng)過放大，MC33883驅(qū)動一個(gè)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(gè)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(gè)周期內(nèi)接通和斷開時(shí)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(qiáng)、滯后時(shí)間短、重復(fù)精度高。由于脈沖周期遠(yuǎn)小于閥芯的響應(yīng)周期，所以閥芯的運(yùn)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?yàn)殚y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(jié)合以上所選擇的單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一套簡單實(shí)用的單片機(jī)程序。其PID的調(diào)節(jié)控制是在定時(shí)器中斷中進(jìn)行的，定時(shí)器中斷程序流程圖如圖5所示。

本程序中主要是調(diào)整PWM的占空比DTY。PID的計(jì)算是在定時(shí)器里面完成，間隔50 ms調(diào)用一次PID函數(shù)，調(diào)節(jié)PWM的占空比。定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)器是自動重載的，所以每次響應(yīng)中斷之后不必再置定時(shí)器初值。主程序里面主要的工作是進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的初始化、PID參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)定時(shí)器里面計(jì)算出來的PWM值來控制電液比例閥的輸出。

圖5 定時(shí)器中斷函數(shù)流程圖

4 仿真效果

本系統(tǒng)的仿真是在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行的[7]，系統(tǒng)的時(shí)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(shí)沖擊比較大，大概在400 ms之后系統(tǒng)就進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而模擬的PID響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間要約為6 s的時(shí)間，其響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到了預(yù)期效果。

本文運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，已應(yīng)用在泵車起重機(jī)等項(xiàng)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。

[1]張利平.液壓閥原理、使用與維護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]包松，鮑可進(jìn)，余景華.基于單片機(jī)PID算法的直流電機(jī)測控系統(tǒng)[J].微機(jī)發(fā)展，2003（8）：72-74.

[4]王威.HCS12微控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.