電液比例閥控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

摘 要： 實(shí)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(qiáng)大、維護(hù)成本低、系統(tǒng)控制精度高且結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，以單片機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)字PID算法和PWM技術(shù)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)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(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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)象組成。



　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(lái)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(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求低，因此數(shù)字PID控制器相對(duì)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(lái)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(dòng)后將接收控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過內(nèi)部處理后發(fā)出相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，然后經(jīng)由比例放大器[2]，對(duì)電控制信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算和功率放大，經(jīng)過電流采樣，再驅(qū)動(dòng)電液比例閥。反饋電路是在電流采樣之后，把采樣電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，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(duì)輸出的PWM信號(hào)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)。


　PWM控制電路部分電路原理圖如圖4所示。