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)相對比較簡單。在系統(tǒng)電路設(shè)計中,，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(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)計一直成為研究的熱點(diǎn),。本文設(shè)計了一種用單片機(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,。



　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(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(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(qiáng),、滯后時間短、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）：

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(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)時間要約為6 s的時間,，其響應(yīng)時間遠(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)計方法和計算機(jī)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(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,。
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