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(shù)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(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模擬陣列,。由于PID的參數(shù)必須根據(jù)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(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,；超調量大大減小，改善了調節(jié)品質,。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(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(jù)數(shù)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(jīng)過內部處理后發(fā)出相應的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(jīng)過DC放大,，再反饋給MCU，MCU內部根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(jù)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(shù)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(shù)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(shù)字PID的調節(jié),。因此本系統(tǒng)中的數(shù)字PID調節(jié)達到了預期效果。
本文運用現(xiàn)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(jīng)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。
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